Titre de l'invention : Dispositif de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur

[0001] [La présente invention concerne de manière générale un dispositif de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur, et en particulier d’assistance à la mobilité de membres supérieurs d’un utilisateur. Elle a également pour objet un procédé de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité mettant en œuvre le dispositif.

[0002] Hormis les exosquelettes de réhabilitation qui rejouent des mouvements

préprogrammés, on connaît différents dispositifs de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur, notamment pour les membres supérieurs.

[0003] On connaît ainsi un système de commande clavier/souris/manche, qui a le défaut de contraindre les capacités fonctionnelles restantes ou celles du membre valide de l’utilisateur, une commande myoélectrique (par électromyogrammes), une commande par mesure de l’activité cérébrale (par exemple avec une mesure des

électroencéphalogrammes (EEG)), une commande par les mouvements du visage ou de la bouche, une simple commande proportionnelle entre le mouvement d’une articulation mobile et le mouvement d’une articulation robotisée, une commande avec un mouvement des pieds, ou encore une commande basée sur les synergies articulaires.

[0004] Les documents WO 2015/140353 A2, EP 1 260 201 Al et CN 105 456 000 B

décrivent des éléments actifs d’assistance à la mobilité des membres inférieurs. Dans ces documents, un couplage est réalisé, mais il s'agit d'une synergie : ce sont les mouvements du torse en avant qui déclenchent la marche. Incliner le torse n'est pas une compensation pour marcher (c’est lever le pied qui serait un mouvement compensatoire), c'est un mouvement anticipateur synergique. Plus précisément, incliner le tronc vers l’avant est un mouvement (parfois quasiment imperceptible) que chacun fait quand il commence à marcher, même quand il n’a pas de problème de mobilité. Un mouvement compensatoire pour la marche est utilisé uniquement quand la jambe ne peut pas fonctionner

normalement. Dans ce cas, la personne cherche à lever son pied puis à marcher par un autre moyen qu’avec sa jambe. Il ferait par exemple un mouvement de hanches pour soulever son pied, accompagné d’une rotation du tronc pour l’amener vers l’avant (on peut s’imaginer essayant de marcher sans béquille avec une attelle de genoux). [0005] Dans le document WO 2015/106278 A2, les mouvements du corps ou des bras ne sont pas non plus des mouvements compensatoires, ce sont des synergies que le sujet doit apprendre (des corrélations).

[0006] Un premier inconvénient majeur de ces dispositifs, excepté la commande basée sur les synergies articulaires, est qu’ils imposent une loi de commande artificielle à rutilisateur. Ceci demande un temps d’apprentissage important, jusqu’à plusieurs semaines pour la commande myoélectrique et/ou une commande basée sur l’activité cérébrale, et la difficulté de commande augmente rapidement avec le nombre d’articulations à contrôler. De plus, la plupart de ces dispositifs sont basés sur une commande dans l’espace articulaire, c’est-à-dire que chaque articulation est contrôlée individuellement et souvent de façon séquentielle, l’une après l’autre. La charge cognitive pour effectuer un geste est alors importante car l’utilisateur doit décomposer le mouvement en sous-mouvements de chaque articulation, ce que personne ne fait habituellement.

[0007] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

[0008] L’invention a ainsi pour objet un dispositif de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur, ledit système robotique comprenant au moins un élément actif d’assistance à la mobilité apte à assister une action de mobilité donnée de l’utilisateur.

[0009] Le dispositif selon l’invention comprend un système de détection apte à détecter un mouvement compensatoire de l’utilisateur associé à ladite action de mobilité, ledit mouvement compensatoire étant un mouvement que réalise un utilisateur non valide, ou valide mais localement et/ou temporairement contraint, pour effectuer au moins une partie de l’action de mobilité, et qui se substitue au moins en partie au mouvement normal que réaliserait un utilisateur valide non contraint pour réaliser cette action de mobilité, et un système de commande apte à commander ledit au moins un élément actif lorsque ledit mouvement compensatoire est détecté.

[0010] Un mouvement compensatoire, ou mouvement de compensation, peut être défini comme un mouvement que réalise un utilisateur non valide (porteur d’un handicap réduisant une partie de sa mobilité) ou valide mais localement et/ou temporairement contraint, pour effectuer au moins une partie de l’action de mobilité, et qui se substitue au moins en partie au mouvement normal que réaliserait un utilisateur valide non contraint pour réaliser cette action de mobilité. L’utilisateur non valide utilise ainsi les parties valides de son corps pour compenser des parties non valides, manquantes, déficientes ou contraintes, et pour par exemple au moins engager faction de mobilité.

[0011] L’idée de l’invention découle de l’observation que, lorsqu’un utilisateur est assisté par un système robotique d’assistance à la mobilité, si ledit système robotique n’est pas dans la configuration géométrique souhaitée pour réaliser une tâche et si ledit utilisateur ne dispose d’aucun moyen direct pour changer ladite configuration, ledit utilisateur aura naturellement tendance à générer un mouvement compensatoire, comme si le système robotique était « non valide ». Cette observation vaut aussi, parfois, lorsque le moyen direct de contrôle existe mais représente un coût cognitif ou physique trop important.

[0012] Ainsi, conformément à l’invention, pour réaliser une action de mobilité donnée (par exemple un mouvement donné ou un ensemble de mouvements donnés), on associe à l’action de mobilité un mouvement compensatoire prédéterminé, et on commande un élément actif d’assistance à la mobilité dès que le mouvement compensatoire est détecté. La commande de l’élément actif n’est pas réalisée directement en fonction de l’action de mobilité, mais à partir de la détection d’un mouvement de compensation associé à l’action de mobilité. Ainsi, la commande s’effectue naturellement, diminuant la charge cognitive actuellement nécessaire pour commander l’élément actif, et réduisant le temps d’apprentissage pour maîtriser la commande.

[0013] Le dispositif selon l’invention utilise ainsi la réaction naturelle du corps à une

diminution de la mobilité. L’utilisateur n’a pas à apprendre une quelconque loi de contrôle artificielle imposée. La commande de l’élément actif est d’autant plus naturelle qu’elle se fait dans l’espace de l’action de mobilité (espace de la tâche), et non dans l’espace articulaire.

[0014] L’invention permet également de réduire les mouvements de compensation

nécessaires pour effectuer une action de mobilité, en transférant la mobilité d’articulations proximales compensatoires (par exemple mobilisées pour compenser l’absence d’un membre amputé) à des articulations distales robotisées.

[0015] L’élément actif peut être un élément d’assistance à la mobilité d’un membre supérieur de l’utilisateur. L’élément actif peut être une prothèse de bras robotisée ou un

exosquelette de bras d’assistance. L’action de mobilité peut ainsi être d’atteindre une cible, par exemple à l’aide du bras, et le mouvement compensatoire peut être une inclinaison du torse de l’utilisateur. [0016] L’élément actif peut également être un élément d’assistance à la mobilité d’un membre inférieur de l’utilisateur.

[0017] Le système de détection peut être apte à détecter un écart entre une position de

référence et une position de l’utilisateur, par exemple à l’aide d’un ou plusieurs capteurs associés à l’utilisateur, et à détecter un mouvement compensatoire lorsque ledit écart atteint un écart prédéterminé.

[0018] La position de référence peut être définie de manière générale comme étant une

position confortable, sans compensation posturale, que l’utilisateur adopterait

naturellement pour réaliser l’action de mobilité s’il avait le contrôle de toutes ses articulations.

[0019] Dans un mode de réalisation, ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité peut être un élément actif destiné à être solidarisé à l’utilisateur.

[0020] Ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité peut ainsi être une

articulation motorisée, destinée par exemple à commander une articulation défaillante ou absente de l’utilisateur ou une articulation robotisée supplémentaire/surnuméraire.

L’élément actif peut ainsi être une prothèse de bras robotisée (par exemple une articulation de coude prothétique), pour un utilisateur amputé d’un membre supérieur, ou encore un exosquelette de bras d’assistance, pour un utilisateur en situation de paralysie des extrémités ou de faiblesse musculaire, dans un environnement domestique.

[0021] Dans un autre mode de réalisation, ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité peut être un élément actif extérieur à l’utilisateur.

[0022] Ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité peut être dans ce cas un élément actif de commande d’un déplacement d’une cible de l’utilisateur, par exemple un élément actif de commande d’un déplacement d’un objet que l’utilisateur souhaite atteindre ou d’un objet sur ou avec lequel il travaille.

[0023] Le système de commande peut être en outre apte à induire une correction du

mouvement compensatoire, et notamment une fois que le mouvement compensatoire a été détecté, la correction du mouvement compensatoire pouvant être réalisée simultanément et/ou postérieurement à la commande dudit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité. [0024] L’invention a également pour objet un ensemble d’assistance à la mobilité d’un utilisateur.

[0025] L’ensemble selon l’invention comprend un dispositif décrit ci-dessus et un système robotique commandé par ledit dispositif.

[0026] L’invention a également pour objet un procédé de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur.

[0027] Le procédé selon l’invention met en œuvre un dispositif décrit ci-dessus.

[0028] Le procédé peut comprendre les étapes de :

- déterminer une action de mobilité d’un utilisateur,

- associer à ladite action de mobilité un mouvement compensatoire de l’utilisateur,

- lorsque ledit mouvement compensatoire est détecté, commander ledit au moins élément actif d’assistance à la mobilité, notamment de manière à réaliser l’action de mobilité.

[0029] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la

description qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

- la figure 1 est un diagramme sous la forme de schéma-bloc illustrant le fonctionnement global d’un dispositif de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité selon l’invention,

- les figures 2 à 4 illustrent schématiquement différentes positions d’un utilisateur réalisant une action de mobilité à l’aide du dispositif de commande selon l’invention,

- la figure 5 est un graphique illustrant l’évolution au cours du temps de l’angle d’inclinaison du tronc et de l’angle de flexion du coude de l’utilisateur des figures 2 à 4, conformément à un premier mode de réalisation,

- la figure 6 est un graphique illustrant l’évolution au cours du temps de l’angle de flexion du tronc et de l’angle de flexion du coude de l’utilisateur des figures 2 à 4, conformément à un deuxième mode de réalisation, et

- la figure 7 est un graphique illustrant différentes simulations de l’évolution au cours du temps de l’angle de flexion du tronc et de l’angle de flexion du coude chez un utilisateur réalisant un geste de pointage et dans différents cas : geste naturel, geste avec coude bloqué (entraînant une compensation importante du tronc) et geste avec le mode de commande proposé (contrôlant ici automatiquement le mouvement du coude en fonction des compensations du tronc).

[0030] Le dispositif selon l’invention permet de commander un système robotique

d’assistance à la mobilité, et en particulier d’assistance à la mobilité de membres supérieurs, par exemple une prothèse ou un exosquelette de membre supérieur. Il utilise comme entrée de commande les mouvements de compensation naturellement mis en œuvre par le système nerveux central (SNC) pour réaliser des tâches fonctionnelles, par exemple, dans l’exemple qui va être décrit, lorsque la mobilité du ou des membres supérieurs de l’utilisateur est réduite.

[0031] Ces compensations, enregistrées par différents capteurs, permettent au système

d’identifier le mouvement, ou intention motrice, que souhaite effectuer l’utilisateur et d’en déduire une stratégie d’action du système robotique, grâce notamment à un modèle cinématique inverse, pour assister l’utilisateur dans la réalisation de sa tâche. Le mouvement est ensuite réalisé par la ou les articulations robotisées, alors que l’utilisateur revient naturellement et instinctivement dans une posture neutre, sans compensation posturale.

[0032] Ceci est illustré à la figure 1. 0r désigne la position de référence du corps de

l’utilisateur, sans compensation, tandis que 0c désigne la position courante du corps et b’ désigne la matrice des vitesses angulaires des articulations robotisées.

[0033] Dans l’exemple qui va être décrit en liaison avec les figures 2 à 7, l’invention utilise un algorithme de commande qui permet d’aider à la mobilité d’un membre supérieur. L’algorithme permet une commande intuitive du dispositif car il repose sur l’utilisation de stratégies naturellement mises en place par le système nerveux central pour pallier une réduction de cette mobilité. Dans une version simplifiée qui est la commande d’une unique articulation, celle du coude, le dispositif selon l’invention a été testé sur dix utilisateurs sains dont le mouvement du coude était conduit par une articulation robotisée, de type exosquelette. Les utilisateurs portaient des capteurs sur le tronc et sur le bras. L’expérience consistait à atteindre un ensemble de six cibles, localisées à différentes distances et à différentes hauteurs. Tous les utilisateurs ont réussi l’action de mobilité, contrôlant correctement l’articulation grâce à la mise en œuvre de stratégies

compensatoires, et ceci alors qu’aucune explication sur le fonctionnement de la commande de l’outil robotique ne leur avait été donnée. [0034] Ainsi, tel qu’illustré à la figure 2, un utilisateur 1 est initialement dans une position de référence, le tronc étant disposé verticalement. La position de référence peut être définie de manière générale comme étant une position confortable, sans compensation posturale, que l’utilisateur adopterait naturellement pour réaliser l’action de mobilité s’il avait le contrôle de toutes ses articulations. On peut toutefois envisager que la position de référence du tronc soit une position penchée, car certains gestes nécessitent que l’utilisateur soit naturellement penché. On peut ajouter dans la loi de commande une définition non statique de la position de référence.

[0035] L’action de mobilité consistant à atteindre une cible éloignée de l’utilisateur,

l’utilisateur dont le bras est invalide va naturellement incliner le tronc 5 vers l’avant pour compenser l’invalidité de son bras. Ainsi, dans le cas où l’action de mobilité est d’atteindre une cible éloignée 4, le mouvement compensatoire associé est l’inclinaison du tronc 5 vers l’avant. Alternativement, on pourrait choisir comme mouvement

compensatoire associé un mouvement de l’épaule ou des omoplates.

[0036] Lorsque l’utilisateur 1 se penche vers l’avant (figure 3), des capteurs déterminent l’inclinaison du tronc 5 par rapport à la position de référence de la figure 2. On peut utiliser des capteurs disposés sur le tronc 5 de l’utilisateur 1, comme des capteurs élastiques déformables, ou encore des capteurs optiques.

[0037] Lorsque l’inclinaison du tronc 5 atteint une valeur prédéterminée, le mouvement compensatoire est détecté et le dispositif 2 va commander l’élément actif d’assistance à la mobilité qui est dans cet exemple une articulation de coude prothétique 3. Lorsque le mouvement compensatoire est détecté, le dispositif 2 commande alors l’ouverture du coude prothétique ce qui va permettre à l’utilisateur 1 d’atteindre la cible 4 (figure 4).

[0038] Dans cet exemple, on utilise un modèle cinématique inverse en deux dimensions, pour l’articulation du coude. On peut toutefois envisager plus généralement un modèle en trois dimensions, avec par exemple au moins deux articulations motorisées.

[0039] L’invention se distingue par sa loi de commande naturelle, qui utilise uniquement les stratégies déjà mises en place naturellement par le système nerveux central, et ne demande donc que très peu d’apprentissage. L’utilisateur n’a aucunement à réfléchir à ce qu’il doit faire. De plus, la commande s’effectue dans l’espace de l’action de mobilité (espace de la tâche). Ce qui importe n’est pas de bouger une articulation, mais d’effectuer un geste donné, de positionner la main à un endroit donné. La sortie de la loi de commande n’est pas le mouvement d’une seule articulation, mais celui, coordonné, de toutes les articulations contrôlées nécessaires pour effectuer le geste désiré, et ce, combiné avec les articulations que l’utilisateur contrôle toujours naturellement

(articulation valide, moignon, etc.). Les articulations ne sont pas commandées

individuellement et séquentiellement, mais simultanément, comme dans un geste naturel. Dans la tâche de saisie d’un objet par exemple, aucune personne non-amputée ne réfléchit à la position individuelle de ses articulations. La personne est concentrée sur l’objet à atteindre, et donc sur la position de sa main, et elle commande son bras dans l’espace de la tâche.

[0040] L’invention réduit donc le temps d’apprentissage et la charge cognitive. Sa mise en œuvre est simple et rapide, car il n’y a pas de phase d’entraînement de l’algorithme. Le faible nombre ainsi que la petite taille des capteurs de mouvement permettent une utilisation sans contrainte, dans un environnement ouvert et domestique.

[0041] La figure 5 illustre l’évolution au cours du temps de l’angle d’inclinaison du tronc Qt et de l’angle de flexion du coude b de l’utilisateur lorsque l’action de mobilité est la saisie d’un objet.

[0042] Au début du procédé, le tronc de l’utilisateur est dans sa position de référence Qo.

L’utilisateur, désireux d’atteindre l’objet visé avec sa main, va engager un mouvement compensatoire qui est l’inclinaison du tronc vers l’avant. Lorsque l’inclinaison du tronc atteint une valeur prédéterminée Qi, caractéristique de la détection du mouvement compensatoire, le système de commande du dispositif commande l’ouverture de l’articulation de coude prothétique. Le coude s’ouvre ainsi progressivement, depuis un angle de flexion bo jusqu’à un angle de flexion bi, ce qui entraîne le rapprochement de la main par rapport à l’objet à saisir.

[0043] La figure 6 illustre l’évolution au cours du temps de l’angle d’inclinaison du tronc Qt et de l’angle de flexion du coude b de l’utilisateur lorsque l’action de mobilité est la saisie de deux objets.

[0044] La saisie du premier objet commence de la même manière que dans le mode de

réalisation illustré à la figure 5. A partir d’une position de référence Qo du tronc de l’utilisateur, celui-ci engage un premier mouvement compensatoire du tronc vers l’avant jusqu’à incliner le tronc à une valeur prédéterminée Qi, caractéristique de la détection du premier mouvement compensatoire. Le système de commande du dispositif commande l’ouverture de l’articulation de coude prothétique depuis un angle de flexion bo jusqu’à un angle de flexion bi, ce qui entraîne le rapprochement de la main par rapport au premier objet à saisir.

[0045] Une fois le premier objet atteint, l’utilisateur souhaite alors saisir un deuxième objet, qui est plus proche de lui que le premier objet. L’utilisateur va alors engager un deuxième mouvement compensatoire, qui est d’incliner le tronc vers l’arrière, de manière à rapprocher sa main du deuxième objet. Lorsque l’inclinaison du tronc atteint une valeur prédéterminée 02, caractéristique de la détection du deuxième mouvement compensatoire, le système de commande du dispositif commande la fermeture de l’articulation de coude prothétique. Le coude se ferme ainsi progressivement, depuis l’angle de flexion bi jusqu’à un angle de flexion b2 lui permettant d’atteindre le deuxième objet.

[0046] La figure 7 illustre différentes simulations de l’évolution au cours du temps de l’angle d’inclinaison du tronc et de l’angle de flexion du coude, l’action de mobilité étant d’atteindre une cible dans l’espace. Trois configurations ont été envisagées : un utilisateur dont l’articulation du coude est valide (courbes « naturel »), un utilisateur dont l’articulation du coude n’est pas valide, sans l’assistance du dispositif (courbes « coude bloqué »), et un utilisateur dont l’articulation du coude n’est pas valide avec l’assistance du dispositif (courbes « détection des compensations »).

[0047] Les simulations montrent que le comportement de l’utilisateur invalide utilisant le dispositif d’assistance selon l’invention, en termes d’inclinaison du tronc et de flexion du coude, se rapproche du comportement d’un utilisateur valide.

[0048] Le système de commande du dispositif selon l’invention peut être aussi vu comme une simple approche de correction du mouvement compensatoire. Dans l’exemple de la saisie d’un objet illustré à la figure 5, on peut ainsi considérer qu’un élément actif robotique est en fait commandé de manière à diminuer l’inclinaison du torse lorsque le mouvement compensatoire a été détecté : l’ouverture du coude est en fait augmentée de manière à compenser la diminution de l’inclinaison du torse.

[0049] Dans un mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut non pas commander un rapprochement de l’utilisateur par rapport à l’objet à atteindre, comme cela vient d’être décrit, en rapprochant la main de l’objet par l’ouverture ou la fermeture du coude, mais commander un rapprochement de l’objet à atteindre par rapport à l’utilisateur. Dans l’exemple de la saisie d’un objet illustré à la figure 5, on peut ainsi envisager qu’un élément actif robotique solidaire de l’objet soit commandé de manière à rapprocher l’objet de la main de l’utilisateur lorsque le mouvement compensatoire est détecté. On peut naturellement combiner ce mode de réalisation avec le mode de réalisation dans lequel on commande un rapprochement de l’utilisateur par rapport à l’objet à atteindre.