Familiarization to a lumbar exoskeleton during a stoop lifting task : neuromechanical adaptations and musculoskeletal disorders prevention
Familiarisation au port d'un exosquelette lors d'une tâche de lever de charge : adaptations neuromécaniques et prévention des troubles musculosquelettiques
Résumé
Musculoskeletal disorders (MSD), and more specifically low back pain, represent a major public health issue. Exoskeletons are external structures worn by the user, designed to mechanically assist one or multiple joints, particularly when performing manual handling tasks. Passive back exoskeletons are one way of reducing the risk of back-related MSD during manual handling tasks. These exoskeletons can reduce the muscular activity of the erector spinae during manual handling tasks, but the range of results is inconsistent in the literature. This lack of repeatability may be due to the different exoskeleton designs, the different tasks performed, but also to the participants' lack of familiarization with the exoskeletons during their evaluation. If participants are not familiarized with the exoskeleton used in the evaluation, the motor behaviour measured may be changing at the time of measurement, as it adapts to benefit the most of the assistance provided. This can lead to a high degree of variability in the measurements, which can be a source of the lack of repeatability. The first objective of this thesis was to characterize the effect of a familiarization protocol with the use of a soft back exoskeleton during manual handling tasks. Using biomechanical measurements, we have shown that 4 one-hour sessions of exoskeleton familiarization are required to stabilize the motor behaviour during manual handling tasks. Spinal kinematics, perception of contact points and performance appear to be the most sensitive variables for characterizing the exoskeleton familiarization process. The second objective of this thesis was to characterize the evolution of muscle coordination during the exoskeleton familiarization process. By extracting muscle synergies from 14 electromyographic signals, we demonstrated that muscle coordination does not evolve during the exoskeleton familiarization process, despite the changes in motor behaviour described above. This suggests that these muscle coordinations are sufficiently stable in the face of exoskeleton-induced perturbations. The third objective of this work was to characterize the effect of the exoskeleton tested in reducing joint constraints, the main factor in MSD, during manual handling tasks. By integrating the exoskeleton into an OpenSim full-body musculoskeletal model, we were able to demonstrate a 10% reduction in joint and muscle stresses when wearing the exoskeleton during a manual handling task.
Les troubles musculosquelettiques (TMS) et plus particulièrement les lombalgies, représentent un problème de santé publique majeur. Les exosquelettes sont des structures externes revêtues par l’utilisateur qui sont conçue pour assister mécaniquement une ou plusieurs articulations, notamment lors de l’exécution de tâches de manutention. Les exosquelettes passifs d’assistance du dos sont une des solutions permettant théoriquement de réduire les risques de TMS au niveau du dos lors de tâches de manutention. Ces exosquelettes permettent concrètement de réduire l’activité musculaire des érecteurs du rachis lors de tâches de manutention mais l’amplitude des résultats est variable dans la littérature. Ce manque de répétabilité des mesures peut être dû aux différentes conceptions d’exosquelettes, aux différentes tâches effectuées mais aussi au manque de familiarisation des participants aux exosquelettes lors de leur évaluation. Si les participants ne sont pas familiarisés à l’utilisation de l’exosquelette utilisé lors de l’évaluation, les comportements moteurs mesurés peuvent être en train de changer au moment de la mesure, du fait des adaptations nécessaires pour profiter au mieux de l’assistance donnée. Cela peut induire une forte variabilité dans les mesures, qui peut être source du manque de répétabilité. Le premier objectif de cette thèse était de caractériser le processus de familiarisation à l’utilisation d’un exosquelette textile d’assistance du dos lors de tâches de manutention. Nous avons mis en évidence, grâce à des mesures biomécaniques, que 4 sessions d’une heure de familiarisation à l’exosquelette sont nécessaires pour stabiliser la motricité lors de tâches de lever de charge en stoop ou squat. La cinématique du rachis, la perception des points de contact et la performance semblent être les variables les plus sensibles pour caractériser le processus de familiarisation à l’exosquelette testé. Le second objectif de cette thèse était de caractériser l’évolution des coordinations musculaires au cours du processus de familiarisation à l’exosquelette. Nous avons mis en évidence, via l’extraction de synergies musculaires à partir de 14 signaux électromyographiques que les coordinations musculaires n’évoluent pas lors du processus de familiarisation à l’exosquelette malgré les changements de comportement moteurs décrits précédemment. Cela suggère que ces coordinations musculaires sont suffisamment stables face à la perturbation induite par l’exosquelette. Le troisième objectif de ce travail était de caractériser l’effet de l’exosquelette testé pour réduire les contraintes articulaires, principale facteur de TMS, lors de tâches de manutention. L’intégration de l’exosquelette dans un modèle musculosquelettique corps complet OpenSim a permis de montrer une réduction des contraintes articulaires et musculaires de l’ordre de 10% avec le port de l’exosquelette lors d’une tâche de manutention.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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