Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les enfants atteints de paralysie cérébrale présentent souvent des troubles de la locomotion. La chirurgie orthopédique vise à améliorer la marche de ces enfants. La perspective de ce travail est de simuler ces effets.Dans ce sens, un modèle anthropométrique 3D représentant un humain, avec des pieds articulés, est développé. La marche est simulée avec une technique d’optimisation LQP, sous contraintes. Les simulations sont réalisées dans le simulateur dynamique multi-corps XDE.Trois types de contact pied-sol sont implémentés. La marche humaine non pathologique est générée avec les déroulements de pieds standards. Des données issues de la capture du mouvement sont utilisées afin d’améliorer les allures de marche générées. Des vitesses de marche et des longueurs de pas supérieures à celles généralement obtenues avec des robots humanoïdes marchant avec des pieds plats sont atteintes. Ces valeurs, ainsi que la cinématique du plan sagittal, sont proches de celles rencontrées chez l’humain. Les deux autres contacts pied-sol développés concernent la marche sur la pointe des pieds et pieds plats avec déroulement du talon. Différentes longueurs de pas et vitesses de marche sont atteintes pour ces deux types de contact. L’effet virtuel de la modification des limites articulaires est testé sur les marches non pathologiques et sur la pointe des pieds. Le système de simulation développé permet de générer des allures de marche en tenant compte de ces modifications. Dans certains cas, les marches générées reproduisent certaines caractéristiques des marches des enfants atteints de paralysie cérébrale.Des limites et des perspectives de l’approche développé dans ce travail sont discutés. / Children with cerebral palsy generally develop gait impairments. Orthopaedic surgery aims to improve the gait and the function of those children by specific procedures. The perspective of this work is to simulate their effects. In order to do that, an anthropomorphic 3D human model with an articulated foot is developed. A task-oriented Linear Quadratic Programming is used to dynamically simulate walking through constrained optimization. The motion is simulated in the multibody dynamics XDE framework. Three different patterns of foot contacts with the ground are implemented. Asymptomatic human walking is first generated with all the normal foot rockers. Experimental data from motion capture systems is used to improve the generated gait patterns. Greater walking speeds and step lengths than usually obtained with flat feet humanoid robots are simulated. They are close to those of healthy human walking, as well as sagittal kinematics. Dynamical data stay within the magnitudes encountered in human walking. Toe walking and flat feet walking with heel off motion, currently observed in children with cerebral palsy, are the two other developed patterns. Different steps lengths and walking speeds are possible for these two types of motion. The virtual effect of modifying joint limits constraints is tested on different asymptomatic or toe walking simulations. The developed simulation system is able to deal with these changes and to produce walking motions. In some cases, the generated gait patterns reproduce features of cerebral palsy children's walking. Limits and perspectives of this dynamic simulation approach are extensively discussed.

Le travail développé dans cette thèse a pour objectif la génération de trajectoires de marches dynamiques optimales qui puissent être validées sur une plateforme expérimentale.Le dispositif mis en oeuvre est le système locomoteur d'un robot humanoïde de petite taille (80cm pour 15kg) nommé Tidom. Ses caractéristiques mécaniques et son architecture de commande sont présentées dans le premier chapitre.Pour générer les trajectoires sur un pas de marche, nous avons utilisé une méthode d'optimisation paramétrique. Cette technique repose sur l'approximation des paramètres de configuration du mouvement par des fonctions splines de classe C3 constituées de polynômes de degré 4 raccordés en des instants équirépartis sur la durée du mouvement jusqu'aux suraccélérations. Les efforts de contact entre le pied balancé et le sol en phase bipodale sont également paramétrés par des fonctions splines, de classe C0. Les accélérations et les couples articulaires sont raccordés aux instants de transition entre les différentes phases du mouvement pour améliorer le contrôle et éviter la détérioration de la mécanique. Le vecteur des paramètres d'optimisation est ainsi composé des coordonnées articulaires aux points de jonction, des vitesses et accélérations aux extrémités des phases de la marche, des efforts de contact pied/sol en double appui auxquels s'ajoutent la longueur de pas et la durée de chaque phase. Il est à noter que la seule donnée d'une vitesse de marche permet d'engendrer un pas optimal cyclique.Plusieurs expérimentations présentées dans le dernier chapitre permettront à terme d'implémenter les trajectoires optimales sur le robot. / The work developed in this thesis aims at generating optimal trajectories for dynamic walking motions that can be validated on an experimental platform.The device used is the locomotion system of a small size humanoid robot (80cm and 15kg) named Tidom. Its mechanical characteristics and control architecture are presented in the first chapter.A parametric optimization method is developed to generate walking step trajectories. It consists in approximating joint motion coordinates using C3-spline functions, made up of 4-order polynomials linked at times equally distributed along the motion time, up to jerk linking. The contact forces between stance foot and ground are approximated using spline functions of class C0. Joint acceleration and joint torques are continuous at the transitions between single and double support phases of a step to improve the robot control and to prevent mechanical damage. The optimization variables are discrete values of joint coordinates at connecting points, joint velocities and accelerations at phase bounds, discrete values of contact forces at connecting points during the double support phase. The step length and the relative length of the step phases are also accounted for. The walking velocity is the only data required for generating an optimal cyclic step.Some experiments presented in the last chapter are the first steps towards the implementation of optimal trajectories on the humanoid robot.