Le but général de ce mémoire consiste à documenter l’utilisation actuelle et potentielle (utilisabilité) des exosquelettes des membres inférieurs pour la marche. Deux volets sont présentés afin de répondre à ce but : 1) une revue systématique portant sur les exosquelettes des membres inférieurs utilisés pour la mobilité fonctionnelle chez les personnes ayant une lésion de la moelle épinière et 2) une étude exploratoire portant sur l’utilisabilité des exosquelettes des membres inférieurs : les perspectives des personnes ayant une lésion incomplète de la moelle épinière. Les résultats des sept études recensées démontrent qu’en tant qu’aide technique, l’applicabilité et l’efficacité des exosquelettes des membres inférieurs dans la communauté restent à démontrer. Les résultats obtenus auprès de 13 personnes ayant une lésion de la moelle épinière interviewées à leur domicile révèlent un écart important entre les attentes des participants en termes de versatilité d’utilisation et de convivialité des caractéristiques techniques par rapport aux exosquelettes actuellement disponibles sur le marché.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / **Introduction :** Le transport de charges durant la marche est essentiel voire obligatoire chez le personnel militaire. Pour des raisons opérationnelles, les militaires doivent effectivement marcher sur de longues distances en portant des charges pouvant aller jusqu'à 68 kg, ce qui représente environ 57 à 73% du poids corporel. Il a été démontré que le transport de charges peut affecter les paramètres biomécaniques, physiologiques ainsi que l'efficacité à la marche, ce qui augmente grandement les risques de blessures musculo-squelettiques. L'implémentation d'exosquelettes passifs chez l'humain, représente une nouvelle technologie d'assistance capable de diminuer l'impact du transport de charges lors de la marche et donc de possiblement réduire le risque de blessures. Cependant, il est actuellement difficile de tirer des conclusions sur les bénéfices des exosquelettes passifs durant la marche dû aux différentes méthodologies expérimentales. Les études sur ce sujet tentaient d'observer l'impact d'un exosquelette sans comprendre l'interaction avec l'utilisateur ou n'implémentaient pas de processus de familiarisation. Développer un processus de familiarisation avec les principes de l'apprentissage moteur durant l'évaluation d'un exosquelette permettrait de mieux évaluer les bénéfices physiologiques associés. **L'objectif général** de ce projet de doctorat est d'évaluer l'influence du port d'un exosquelette passif à court terme ainsi que l'influence d'un processus de familiarisation basé sur les principes de l'apprentissage moteur sur les performances motrices et physiologiques. Plus précisément, **l'exosquelette passif sera évalué** dans une condition laboratoire contrôlé et dans une condition semi-opérationnelle. Ces objectifs reposent sur les hypothèses que 1) la première exposition à l'exosquelette aura une influence négative sur les performances motrices et physiologiques et 2) le processus de familiarisation à l'exosquelette permettra un retour des performances motrices et physiologiques à un niveau de référence (c- à-d. sans exosquelette) ou à des bénéfices. **Méthodologie :** La phase II (étude 1 - chapitre 2) portait sur l'exploration des effets d'un exosquelette passif personnalisé sur des variables métaboliques. Trois soldats et leurs exosquelettes ont été recrutés pour marcher à huit différentes vitesses sur tapis roulant sous cinq conditions d'évaluations (1) Sans exosquelette, (2) Première exposition à l'exosquelette, (3) Exosquelette après familiarisation, (4) Sans exosquelette / suivi trois mois, (5) Exosquelette / suivi trois mois. Durant la phase III, l'exosquelette personnalisé évoluera vers un modèle ajustable afin de recruter 13 participants. Le protocole de l'étude 1 sera amélioré selon les commentaires des participants de la phase II (étude 2 - chapitre 3) en plus d'intégrer le test du six minutes de marche (étude 3 - chapitre 4) afin d'observer la performance motrice. En plus de mesurer le changement métabolique, de l'électromyographie de surface sera ajouté afin d'explorer l'effet de l'exosquelette sur l'activité musculaire. **Résultats :** Les résultats de l'étude 1 ont permis de valider l'importance d'une méthodologie robuste de marche sur tapis roulant afin d'évaluer l'impact d'un exosquelette passif personnalisé sur le coût métabolique à la locomotion dans des conditions de laboratoire contrôlées. Cette étude a abouti à une réduction du coût métabolique à la locomotion d'environ 15% comparativement à la condition sans exosquelette. Durant l'étude 2, le protocole expérimental de l'étude 1 a été reprit et appliqué à un groupe plus important de participants, cette fois équipés d'un exosquelette passif ajustable. Dans cette étude, il y a eu une augmentation de 15% du coût métabolique à la locomotion ainsi qu'une augmentation significative de l'activation musculaire. L'intégration de l'électromyographie de surface a permis de mieux comprendre certains mécanismes physiologiques associés au port de l'exosquelette. Enfin, l'étude 3 a permis de mesurer la performance motrice et de comprendre les mécanismes physiologiques sous-jacents de l'exosquelette passif ajustable lors d'un test fonctionnel, où le participant décide lui-même de sa vitesse de marche. Les résultats ont révélé une diminution de la performance motrice d'environ 13% lors de l'ajout de charge ainsi que lors du port de l'exosquelette passif ainsi qu'une augmentation de l'activité musculaire du vaste médial de 18%. Toutefois, il est à noter que la familiarisation a eu permis de d'augmenter légèrement la performance de marche et en réduisant simultanément le coût métabolique à la locomotion. **Conclusions :** Les résultats suggèrent l'importance d'introduire une période de familiarisation lors de l'acquisition d'un exosquelette passif afin de réduire l'augmentation initiale du coût métabolique à la locomotion et de l'activité musculaire. La familiarisation peut aussi avoir une influence sur la performance motrice. Il est donc important de s'assurer que le processus de familiarisation soit adapté à la population utilisant l'appareil car il semble y avoir un effet d'apprentissage. / **Introduction:** Load carriage during walking is essential and even mandatory for military personnel. For operational reasons, military personnel often have to cover long distances while carrying loads weighing up to 68 kg, which represents approximately 57 to 73% of their body weight. It has been demonstrated that load carriage can affect biomechanical and physiological parameters, as well as walking efficiency, significantly increasing the risk of musculoskeletal injuries. The implementation of passive exoskeletons in humans represents a novel assistive technology capable of reducing the impact of load carriage during walking and potentially decreasing the risk of injuries. However, drawing conclusions about the benefits of passive exoskeletons during walking is currently challenging due to various experimental methodologies. Studies on this topic often aimed to observe the impact of an exoskeleton without understanding the user interaction or did not implement a familiarization process. Developing a familiarization process with motor learning principles during exoskeleton evaluation could better assess associated physiological benefits. The **main objective** of this thesis is to evaluate the short-term influence of wearing a passive exoskeleton and the influence of a familiarization process based on motor learning principles on motor and physiological performance. Specifically, the passive exoskeleton will be assessed in a controlled laboratory condition and in a semi-operational condition. These objectives are based on the hypotheses that 1) the initial exposure to the exoskeleton will have a negative impact on motor and physiological performance, and 2) the familiarization process with the exoskeleton will either return motor and physiological performance to a baseline level (i.e., without the exoskeleton) or result in benefits. **Methods:** In Phase II (Study 1 - Chapter 2), the exploration of the effects of a personalized passive exoskeleton on metabolic variables was conducted. Three soldiers and their exoskeletons were recruited to walk at eight different speeds on a treadmill under five evaluation conditions: (1) Without the exoskeleton, (2) First exposure to the exoskeleton, (3) Exoskeleton after familiarization, (4) Without exoskeleton / three-month follow-up, (5) Exoskeleton / three-month follow-up. In Phase III, the personalized exoskeleton will evolve into an adjustable model to recruit 13 participants. The Study 1 protocol will be improved based on feedback from Phase II participants (Study 2 - Chapter 3) and will integrate the six-minute walk test (Study 3 - Chapter 4) to observe motor performance. In addition to measuring metabolic changes, surface electromyography will be added to explore the effect of the exoskeleton on muscle activity. **Results:** The results of study 1 validated the importance of a robust treadmill walking methodology to assess the impact of a personalized passive exoskeleton on the metabolic cost of locomotion in controlled laboratory conditions. This study resulted in a approximately 15% reduction in the metabolic cost of locomotion compared to the condition without the exoskeleton. During Study 2, the experimental protocol of Study 1 was repeated and applied to a larger group of participants, this time equipped with an adjustable passive exoskeleton. In this study, there was a 15% increase in the metabolic cost of locomotion and a significant increase in muscle activation. The integration of surface electromyography helped better understand some physiological mechanisms associated with wearing the exoskeleton. Finally, Study 3 measured motor performance and understood the underlying physiological mechanisms of the adjustable passive exoskeleton during a functional test, where the participant decides their walking speed. The results revealed a decrease in motor performance of approximately 13% when adding load and when wearing the passive exoskeleton, along with an 18% increase in the activity of the vastus medialis. However, it is noteworthy that familiarization slightly increased walking performance while simultaneously reducing the metabolic cost of locomotion. Finally, study 3 measured motor performance and understanding the underlying physiological mechanisms of the adjustable passive exoskeleton during a "semi-operational" functional test, where the participant decides their own walking speed. The results showed a decrease in walking performance with the addition of load and when wearing the passive exoskeleton. However, it is noteworthy that familiarization had a beneficial effect by slightly improving walking performance and simultaneously reducing the metabolic cost of walking. **Conclusions:** The results suggest the importance of introducing a familiarization process when acquiring a passive exoskeleton to reduce the initial increase in the metabolic cost of walking and muscle activity. Familiarization can also influence motor performance. Therefore, it is important to ensure that the familiarization process is adapted to the population using the device, as there seems to be a learning effect.

Les exosquelettes sont des robots mobiles assistant les humains de multiples façons, que ce soit pour la réadaptation, l’augmentation de la force ou la réduction du coût métabolique. Plusieurs exosquelettes sont maintenant commercialisés et utilisés dans des domaines militaires, médicaux et industriels. Ces dispositifs doivent interagir avec l’humain, et donc posséder un haut niveau de transparence mécanique qui est atteint ultimement lorsque les mouvements humains ne sont pas affectés par le robot. Cette aptitude constitue en fait le plus grand défi de conception d’un exosquelette. Les deux caractéristiques qui définissent une bonne transparence sont une bande passante élevée et une bonne réversibilité du mécanisme. Pour atteindre ces deux critères, le système de distribution de puissance, constitué de l’actionnement et de la transmission, doit être léger, doit posséder peu d’inertie reflétée et peu de friction. Les systèmes de distribution de puissance utilisés actuellement dans les exosquelettes comportent par contre un compromis fondamental entre une bonne densité de force et un bon niveau de transparence; en général, les exosquelettes forts ne sont pas transparents, et vice-versa. Certaines applications requièrent par contre à la fois force et transparence, un exosquelette pour la course en est un bon exemple. Dans le but de pallier cette problématique, ce mémoire présente le développement et la caractérisation d’un système de distribution de puissance possédant une bonne densité de force ainsi qu’un bon niveau de transparence. Ce système est composé d’embrayages magnétorhéologiques (MR) couplés à une transmission hydrostatique comportant des cylindres à membranes déroulantes. Les embrayages MR possèdent une bonne bande passante (>50 Hz), une bonne densité de force et peu d’inertie reflétée. Couplée aux embrayages MR, la transmission hydrostatique est très rigide, possède peu de friction ainsi qu’une faible inertie. La transparence a été évaluée expérimentalement et à l’aide d’un modèle analytique et numérique. Les résultats obtenus démontrent que le système est à la fois fort et transparent, ce qui lui confère un haut potentiel d’être employé dans les exosquelettes. Les essais expérimentaux ont été effectués sur une interface haptique à un degré de liberté prenant la forme d’un joystick. Les résultats démontrent une bonne transparence du système avec une bande passante supérieure à 40 Hz et des niveaux des forces restrictives (inertie et friction) ne dépassant pas 11 % de la force maximale (bonne réversibilité du mécanisme) de 112 N au bout du joint haptique. Le modèle analytique et numérique élaboré confirme ces résultats et sert également de guide à la conception en fournissant des tendances de bande passante et de forces restrictives en fonctions de différents paramètres de la transmission hydrostatique. Enfin, les performances de ce système ouvrent la voie à de nombreuses applications d’exosquelettes transparents, forts, peu coûteux et versatiles.

Cette thèse présente l'importance des exosquelettes évolutifs des membres inférieurs pour les adolescents handicapés souffrant de troubles neuromusculaires et autres pathologies. Le nouveau terme " évolutif" décrit la capacité de l'exosquelette à grandir physiquement avec l'utilisateur, et à s'adapter à sa morphologie.Une analyse distincte des manifestations physiques qui subissent a été faite, en ce qui concerne la poussée de croissance pubertaire et les effets secondaires éventuelles. L'étude de la littérature montre qu'il n'existe pas de dispositif de réadaptation suffisamment adapté aux besoins d'un adolescent en pleine croissance en raison de la croissance rapide de ses membres et de la nature progressive de ses maladies. Comme c'est la première fois que le terme «évolutivité» est utilisé pour les exosquelettes, ses exigences fonctionnelles sont définies. Le développement mécatronique d'un exosquelette évolutif est aussi présenté, incluant le développement de son actionneur articulaire et sa structure mécanique.Enfin, les résultats préliminaires des performances de l'actionneur articulaire lors de la simulation des mouvements fonctionnels liés à la croissance montrent une grande capacité de suivi et d'exécution des mouvements basés sur les couples, tandis que les résultats liés à la structure évolutive montrent la capacité du système à s'adapter aux différents utilisateurs. / This thesis introduces the importance of the scalable lower limb exoskeletons for disabled teenagers suffering from neuromuscular disorders & other pathological conditions. The new term "scalable" describes the ability of the exoskeleton to physically grow up with the user and to be adapted to his/her morphology.A distinctive analysis of the physical manifestations that the patients experience has been done concerning the pubertal growth spurt and to the future secondary effects. The study of the literature shows that no rehabilitation device is customized enough to the needs of a growing teenagers due to the fast growth of their bodies and to the progressiveness nature of their diseases. As this is the first time the term "scalability" is brought up for exoskeletons, its functional requirements are defined in order to determine the constraints imposed on the design of the new exoskeleton. The mechatronics development of a scalable exoskeleton is presented, including the development of its joint actuator, its mechanical structure and attachments.Finally, the preliminary results of the joint actuator performance when simulating functional movements related to the growth show a high capability of trajectory following and executing torques based motions, while the findings associated with the scalable structure show the system able to be adapted to the different user sizes and ages.

Alors que de nombreux exosquelettes destinés à la rééducation neuromotrice ont été développés ces dernières années, ces dispositifs n'ont pas encore permis de vrai progrès dans la prise en charge des patients cérébrolésés. Une des clés pour améliorer les faibles résultats thérapeutiques obtenus serait de constamment adapter la thérapie robotisée en fonction de l'évolution du patient et de sa récupération, en adaptant l'assistance fournie par le robot pour maximiser l'engagement du patient. L'objectif de cette thèse est donc de comprendre les processus d'adaptations réciproques dans un contexte d'interaction physique Homme-Exosquelette. Dans un premier temps nous avons donc développé un nouveau type de contrôleur adaptatif qui assiste le sujet "au besoin", en modulant l'assistance fournie; et évalué différent signaux pour piloter cette adaptation afin de suivre au mieux la récupération du patient. Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'adaptation de sujets sains à l'application de champs de forces distribués par un exosquelette sur leur bras durant la réalisation de mouvements dans l'espace. En effet, lors d'une interaction physique homme-robot, le sujet adapte aussi son comportement aux contraintes exercées par le robot. D'importantes différences inter-individuelles ont été observées, avec une adaptation à la contrainte imposée chez seulement 21% des sujets, mais avec des effets à-posteriori persistants mesurés chez 85% d'entre eux; ainsi qu'une généralisation dans l'espace de ces effets et un transfert à des contextes différents (hors du robot). Ces premiers résultats devraient permettre à terme d'améliorer la rééducation neuromotrice robotisée. / While many robotic exoskeletons have been developed for stroke rehabilitation in recent years, there were not yet improvements to the traditional therapy. A key to unleash the potentiality of robotics is to adapt the assistance provided by the robot in order to maximize the subject engagement and effort, by having the robotic therapy evolving with the patient recovery. For this reason, we aim at better understanding the process of reciprocal adaptation in a context of physical Human-Robot Interaction (pHRI). We first developed a new adaptive controller, which assists the subject "as-needed", by regulating its interaction to maximize the human involvement. We further compared different signals driving this adaptation, to better following the functional recovery level of the patients. While the control is performed by the robot, the subject is also adapting his movements, and this adaptation has not yet been studied when dealing with 3D movements and exoskeletons. Therefore, we exposed human motions to distributed force fields, generated by the exoskeleton at the joint level, to produce specific inter-joint coordination and to analyse the effects of this exposition. With healthy participants, we observed important inter-individual difference, with adaptation to the fields in 21% of the participants, but post-effects and persisting retention of these in time in 85% of the subjects, together with spatial generalization, and, preliminarily, transfer of the effects outside of the exoskeleton context. This work towards understanding pHRI could provide insights on innovative ways to develop new controllers for improving stroke motor recovery with exoskeletons.