Conséquences biomécaniques et physiologiques de l’usage d’exosquelettes robotisés lors de tâches de manutention manuelle - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Biomechanical and physiological consequences of the using active exoskeletons during manual handling tasks

Conséquences biomécaniques et physiologiques de l’usage d’exosquelettes robotisés lors de tâches de manutention manuelle

Abstract

In a context of technological evolution and prevention of low back pain, new systems such as professional back assistance exoskeletons have been developed to improve the health and safety of workers performing manual handling tasks. The literature tends to agree on the interest of these exoskeletons to limit solicitations of the trunk extensor muscles as well as the overall physical workload. However, these benefits seem to depend on many factors related to the characteristics of the exoskeleton (technology used, level of assistance, etc.), of the task (load handled, type of movement, etc.) and maybe influenced by the sex of the user. Thus, in order to better understand these interactions and to orient future purchasers towards the system(s) the most adapted to the task performed, it is necessary to bring new knowledge related to these characteristics of exoskeletons and tasks, by focusing in particular on the active exoskeletons which give rise to the hope of a more important assistance than the passive devices. The general objective of this thesis was therefore to evaluate the biomechanical and physiological consequences of active back-support exoskeletons during different handling tasks. The first study focused on the muscular and kinematic consequences of various exoskeletons uses (one passive and two actives) during static, dynamic sagittal plane and dynamic rotational working tasks. It was shown that the active exoskeletons performed better than the passive system in all tasks performed. It was also shown that these assistive devices were beneficial regardless of the user's sex. The second study focused on the effects of the level of assistance of active exoskeletons on the muscular and kinematic consequences during a manual handling task in the sagittal plane. It was first observed that the assistance settings had a determining role in the benefits brought by the exoskeletons. It was also shown that the benefits provided by each system could depend on the phase of the movement (i.e. the trunk angle). Finally, the third study evaluated the cardiorespiratory consequences of using exoskeletons during a repeated manual handling task. The three exoskeleton models tested reduced cardiorespiratory strain, regardless of the sex of the users. However, these benefits were dependent on the exoskeletons used: both with regard to the technology (passive versus active) but also to other characteristics such as the weight or the anthropomorphic nature of the design. In conclusion, the use of occupational back-support exoskeletons brings biomechanical and physiological benefits, in both women and men, which may reduce some risk factors for low back pain. Nevertheless, the effects are dependent on the design characteristics of the systems but also on the characteristics of the task. For the integration of an exoskeleton in a real work situation, it is therefore necessary to know the performance of the systems and to identify in details the constraints related to the task performed.
Dans un contexte d’évolution technologique et de prévention des lombalgies, de nouveaux systèmes tels que les exosquelettes professionnels d’assistance du dos ont été développés pour améliorer la santé et la sécurité des travailleurs réalisant des tâches de manutention manuelle. La littérature tend à s’accorder sur l’intérêt de ces exosquelettes pour limiter les sollicitations des muscles extenseurs du tronc ainsi que la charge physique globale de travail. Cependant, ces bénéfices semblent dépendre de nombreux facteurs liés notamment aux caractéristiques des exosquelettes (technologie utilisée, niveau d’assistance…), de la tâche (charge manipulée, type de mouvement…) et enfin potentiellement influencés par le sexe de l’utilisateur. Ainsi, en vue de mieux comprendre ces interactions et d’orienter les futurs acquéreurs vers le(s) système(s) les plus adapté(s) à la tâche réalisée, il convient d’apporter de nouvelles connaissances relatives à ces caractéristiques d’exosquelettes et de tâches, en se focalisant notamment sur les exosquelettes robotisés qui font naître l’espoir d’une assistance plus importante que les dispositifs passifs. L’objectif général de cette thèse a donc été d’évaluer les conséquences biomécaniques et physiologiques d’exosquelettes robotisés d’assistance du dos lors de différentes tâches de manutention. La première étude s’est intéressée aux conséquences musculaires et cinématiques de divers exosquelettes (un passif et deux robotisés) lors de tâches de travail statique, dynamique dans le plan sagittal et dynamique en rotation. Il a été mis en évidence que les exosquelettes robotisés étaient plus performants que le système passif dans toutes les tâches réalisées. Il a également été démontré que ces dispositifs d’assistance étaient bénéfiques quel que soit le sexe de l’utilisateur. La seconde étude s’est focalisée sur les effets du niveau d’assistance des exosquelettes robotisés sur les conséquences musculaires et cinématiques lors d’une tâche de manutention manuelle dans le plan sagittal. Il a tout d’abord été observé que les réglages de l’assistance avaient un rôle déterminant dans les bénéfices apportés par les exosquelettes. Il a également été montré que les bénéfices apportés par chaque système pouvaient dépendre de la phase du mouvement (i.e. de l’angle d’inclinaison du tronc). Enfin, la troisième étude a évalué les conséquences cardiorespiratoires liées à l’utilisation d’exosquelettes lors d’une tâche répétée de manutention manuelle. Les trois modèles d’exosquelettes testés ont permis de réduire la sollicitation cardiorespiratoire, et ce quel que soit le sexe des utilisateurs. Ces bénéfices étaient toutefois dépendants des exosquelettes utilisés : à la fois au regard de la technologie (passif versus robotisé) mais également d’autres caractéristiques comme le poids ou le caractère anthropomorphe de la structure. En conclusion, l’utilisation d’exosquelettes professionnels d’assistance du dos apporte des bénéfices biomécaniques et physiologiques, chez les femmes et les hommes, pouvant permettre de réduire certains facteurs de risque de lombalgies. Néanmoins, les effets sont dépendants des caractéristiques de conception des systèmes mais aussi des caractéristiques de la tâche. Pour l’intégration d’un exosquelette en situation réelle de travail, il convient donc de connaître les performances des systèmes et d’identifier finement les contraintes liées à la tâche réalisée.
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Dates and versions

tel-04067878 , version 1 (13-04-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04067878 , version 1

Cite

Mathilde Schwartz. Conséquences biomécaniques et physiologiques de l’usage d’exosquelettes robotisés lors de tâches de manutention manuelle. Médecine humaine et pathologie. Université de Lorraine, 2022. Français. ⟨NNT : 2022LORR0236⟩. ⟨tel-04067878⟩
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