EP3946207A1 - Dispositif de commande d'un système robotique d'assistance à la mobilité d'un utilisateur - Google Patents

Dispositif de commande d'un système robotique d'assistance à la mobilité d'un utilisateur

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Publication number
EP3946207A1
EP3946207A1 EP20717785.8A EP20717785A EP3946207A1 EP 3946207 A1 EP3946207 A1 EP 3946207A1 EP 20717785 A EP20717785 A EP 20717785A EP 3946207 A1 EP3946207 A1 EP 3946207A1
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EP
European Patent Office
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user
mobility
movement
action
assisting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20717785.8A
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English (en)
Inventor
Nathanaël JARRASSÉ
Mathilde LEGRAND
Guillaume Morel
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM, Sorbonne Universite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3946207A1 publication Critical patent/EP3946207A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61H2230/62—Posture
    • A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus

Definitions

  • the present invention relates generally to a device for controlling a robotic system for assisting the mobility of a user, and in particular for assisting the mobility of the upper limbs of a user. It also relates to a method for controlling a robotic mobility assistance system using the device.
  • various devices are known for controlling a robotic system for assisting the mobility of a user, in particular for the upper limbs.
  • a keyboard / mouse / stick control system which has the defect of constraining the remaining functional capacities or those of the valid member of the user, a myoelectric control (by electromyograms), a control by measurement of the 'brain activity (for example with a measurement of
  • EEG electroencephalograms
  • a first major drawback of these devices is that they impose an artificial law of control on the user. This requires a significant learning time, up to several weeks for myoelectric control and / or control based on brain activity, and the difficulty of control increases rapidly with the number of joints to be controlled.
  • most of these devices are based on joint space control, that is, each joint is controlled individually and often sequentially, one after the other. The cognitive load to perform a gesture is then important because the user has to break down the movement into sub-movements of each joint, which nobody usually does.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks.
  • the subject of the invention is thus a device for controlling a robotic system for assisting the mobility of a user, said robotic system comprising at least one active element for assisting mobility capable of assisting an action. of the user's given mobility.
  • the device comprises a detection system capable of detecting a compensatory movement of the user associated with said mobility action, said compensatory movement being a movement made by an invalid user, or valid but locally and / or temporarily constrained, to perform at least part of the mobility action, and which replaces at least part of the normal movement that a valid unconstrained user would perform to perform this mobility action, and a control system capable of controlling said at least one active element when said compensatory movement is detected.
  • a compensatory movement, or compensatory movement can be defined as a movement carried out by an invalid user (with a disability reducing part of his mobility) or valid but locally and / or temporarily constrained, to perform at less part of the mobility action, and which at least partially replaces the normal movement that a valid, unconstrained user would perform to perform this mobility action.
  • the invalid user thus uses the parts valid parts of his body to compensate for invalid, missing, deficient or constrained parts, and for example at least to engage the mobility faction.
  • the idea of the invention stems from the observation that, when a user is assisted by a robotic system for assistance in mobility, if said robotic system is not in the desired geometric configuration to achieve a task and if said user has no direct means to change said configuration, said user will naturally tend to generate a compensatory movement, as if the robotic system were "invalid". This observation also applies, sometimes, when the direct means of control exist but represent too great a cognitive or physical cost.
  • the mobility action is associated with a predetermined compensatory movement, and an element is controlled. active mobility assistance as soon as the compensatory movement is detected.
  • the control of the active element is not carried out directly according to the mobility action, but from the detection of a compensating movement associated with the mobility action.
  • the device according to the invention thus uses the body's natural reaction to a
  • the control of the active element is all the more natural as it takes place in the space of the mobility action (space of the task), and not in the joint space.
  • the invention also makes it possible to reduce the compensation movements
  • compensatory proximal joints eg, mobilized to compensate for the absence of an amputated limb
  • the active element may be an element for assisting the mobility of an upper limb of the user.
  • the active element can be a robotic arm prosthesis or a
  • the mobility action can thus be to reach a target, for example using the arm, and the compensatory movement can be an inclination of the user's torso.
  • the active element can also be an element for assisting the mobility of a lower limb of the user.
  • the detection system may be able to detect a difference between a position of
  • the reference position can be defined generally as being a
  • said at least one active mobility assistance element may be an active element intended to be secured to the user.
  • Said at least one active mobility assistance element can thus be a
  • motorized joint intended for example to control a faulty or absent joint from the user or an additional / supernumerary robotic joint.
  • the active element can thus be a robotic arm prosthesis (for example a prosthetic elbow joint), for a user with an amputated upper limb, or even an assisting arm exoskeleton, for a user with paralysis of the legs extremities or muscle weakness, in a home environment.
  • a robotic arm prosthesis for example a prosthetic elbow joint
  • an assisting arm exoskeleton for a user with paralysis of the legs extremities or muscle weakness, in a home environment.
  • said at least one active mobility assistance element may be an active element external to the user.
  • Said at least one active element of mobility assistance may in this case be an active element for controlling a movement of a target of the user, for example an active element for controlling a movement of the user. 'an object that the user wishes to reach or an object on or with which he is working.
  • control system may also be able to induce a correction of the
  • the subject of the invention is also a set of assistance for the mobility of a user.
  • the assembly according to the invention comprises a device described above and a robotic system controlled by said device.
  • the subject of the invention is also a method for controlling a robotic system for assisting the mobility of a user.
  • the method according to the invention uses a device described above.
  • the method can comprise the steps of:
  • FIG. 1 is a diagram in the form of a block diagram illustrating the overall operation of a control device of a robotic mobility assistance system according to the invention
  • FIG. 5 is a graph illustrating the evolution over time of the angle of inclination of the trunk and the flexion angle of the elbow of the user of Figures 2 to 4, in accordance with a first embodiment
  • FIG. 6 is a graph illustrating the evolution over time of the flexion angle of the trunk and the flexion angle of the elbow of the user of Figures 2 to 4, in accordance with a second embodiment
  • FIG. 7 is a graph illustrating different simulations of the evolution over time of the flexion angle of the trunk and the flexion angle of the elbow in a user performing a pointing gesture and in different cases: natural gesture , gesture with blocked elbow (resulting in significant compensation of the trunk) and gesture with the proposed command (here automatically controlling the movement of the elbow as a function of the trunk compensations).
  • the device according to the invention makes it possible to control a robotic system
  • mobility assistance and in particular mobility assistance of the upper limbs, for example an upper limb prosthesis or exoskeleton. It uses as a command input the compensatory movements naturally implemented by the central nervous system (CNS) to perform functional tasks, for example, in the example which will be described, when the mobility of the upper limb (s) of the user is reduced.
  • CNS central nervous system
  • 0c denotes the current position of the body and b ’denotes the matrix of angular velocities of robotic joints.
  • the invention uses a control algorithm which helps to aid the mobility of an upper limb.
  • the algorithm allows intuitive control of the device because it relies on the use of strategies naturally implemented by the central nervous system to overcome a reduction in this mobility.
  • the device according to the invention was tested on ten healthy users whose elbow movement was driven by a robotic joint, of the exoskeleton type. The users wore sensors on the trunk and on the arm. The experiment consisted of hitting a set of six targets, located at different distances and at different heights. All users have passed the mobility action, correctly controlling the articulation through the implementation of strategies
  • a user 1 is initially in a reference position, the trunk being arranged vertically.
  • the reference position can be generally defined as being a comfortable position, without postural compensation, which the user would naturally adopt to carry out the mobility action if he had control of all his joints.
  • the reference position of the trunk is a leaning position, because certain gestures require the user to be naturally leaned.
  • the mobility action consisting in reaching a target distant from the user
  • the user whose arm is disabled will naturally tilt the trunk 5 forward to compensate for the disability of his arm.
  • the associated compensatory movement is the tilt of the trunk 5 forward.
  • sensors determine the inclination of the trunk 5 relative to the reference position of Figure 2.
  • sensors arranged on the trunk 5 user such as deformable elastic sensors, or optical sensors.
  • the compensatory movement is detected and the device 2 will control the active element of mobility assistance which is in this example a prosthetic elbow joint 3.
  • the device 2 controls the opening of the prosthetic elbow which will allow the user 1 to reach the target 4 (FIG. 4).
  • a two-dimensional inverse kinematic model is used for the elbow joint.
  • a three-dimensional model can be considered more generally, with for example at least two motorized joints.
  • the invention is distinguished by its natural control law, which only uses the strategies already implemented naturally by the central nervous system, and therefore requires very little learning. The user does not have to think about what to do. In addition, the order is carried out in the space of the mobility action (space of the task). What matters is not to move a joint, but to perform a given gesture, to position the hand in a given place.
  • the exit from the law of command is not the movement of a single joint, but the coordinated movement of all the controlled joints necessary to perform the desired gesture, combined with the joints that the user always controls naturally
  • no non-amputated person reflects on the individual position of their joints. The person is focused on the object to be reached, and therefore on the position of their hand, and they control their arm in the space of the task.
  • the invention therefore reduces the learning time and the cognitive load. Its implementation is quick and easy, as there is no training phase for the algorithm.
  • the small number as well as the small size of the motion sensors allow a use without constraint, in an open and domestic environment.
  • FIG. 5 illustrates the evolution over time of the angle of inclination of the trunk Qt and of the flexion angle of the elbow b of the user when the mobility action is the seizure of a object.
  • the user's trunk is in its reference position Qo.
  • the user eager to reach the target object with his hand, will initiate a compensatory movement which is the tilting of the trunk forward.
  • the device's control system controls the opening of the prosthetic elbow joint.
  • the elbow thus opens gradually, from a bending angle bo to a bending angle bi, which brings the hand closer to the object to be grasped.
  • FIG. 6 illustrates the evolution over time of the angle of inclination of the trunk Qt and of the angle of flexion of the elbow b of the user when the mobility action is the grasp of two objects .
  • the entry of the first object begins in the same way as in the mode of
  • FIG. 5 From a reference position Qo of the trunk of the user, the latter engages a first compensatory movement of the trunk forwards until the trunk is inclined to a predetermined value Qi, characteristic detection of the first compensatory movement.
  • the device control system controls the opening of the prosthetic elbow joint from a bending angle bo to a bending angle bi, which causes the hand to move closer to the first object to be grasped.
  • the user then wishes to enter a second object, which is closer to him than the first object.
  • the user will then initiate a second compensatory movement, which is to tilt the trunk backwards so that their hand is closer to the second object.
  • the device's control system commands the closure of the prosthetic elbow joint. The elbow thus closes gradually, from the bending angle bi to a bending angle b2 allowing it to reach the second object.
  • FIG. 7 illustrates various simulations of the evolution over time of the angle of inclination of the trunk and of the angle of flexion of the elbow, the mobility action being to reach a target in the space.
  • Three configurations have been considered: a user whose elbow joint is valid (“natural” curves), a user whose elbow joint is not valid, without the assistance of the device (“blocked elbow” curves) , and a user whose elbow joint is not valid with the assistance of the device (“compensation detection” curves).
  • the control system of the device according to the invention can also be seen as a simple approach to correcting the compensatory movement.
  • an active robotic element is in fact controlled so as to decrease the inclination of the torso when the compensatory movement has been detected: the elbow opening is actually increased so as to compensate for the decrease in torso tilt.
  • the device can not control the user to move closer to the object to be reached, as has just been described, by bringing the hand closer to the object by opening or closing the elbow, but ordering the object to be reached to be brought closer to the user.
  • a robotic active element integral with the object is controlled so as to bring the object closer to the user's hand when the compensatory movement is detected.
  • This embodiment can of course be combined with the embodiment in which the user is ordered to move closer to the object to be reached.

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Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif (2) 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 (3) apte à assister une action de mobilité donnée de l'utilisateur, caractérisé en ce que le dispositif (2) comprend un système de détection apte à détecter un mouvement compensatoire de l'utilisateur (1) 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 (3) lorsque ledit mouvement compensatoire est détecté.

Description

Description
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.

Claims

Revendications
[Revendication 1] [Dispositif (2) 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 (3) apte à assister une action de mobilité donnée de l’utilisateur, caractérisé en ce que le dispositif (2) comprend un système de détection apte à détecter un mouvement compensatoire de l’utilisateur (1) 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 (3) lorsque ledit mouvement compensatoire est détecté.
[Revendication 2] Dispositif (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément actif (3) est une prothèse de bras robotisée ou un exosquelette de bras d’assistance.
[Revendication 3] Dispositif (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’action de mobilité est d’atteindre une cible, et en ce que le mouvement compensatoire est une inclinaison du torse de l’utilisateur.
[Revendication 4] Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de détection est configuré pour détecter un écart entre une position de référence (0r) et une position (0c) de l’utilisateur (1), et pour détecter un mouvement compensatoire lorsque ledit écart atteint un écart prédéterminé.
[Revendication 5] Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité (3) est un élément actif destiné à être solidarisé à l’utilisateur (1).
[Revendication 6] Dispositif (2) selon la revendication 5, caractérisé ledit au moins un élément actif d’assistance à la mobilité (3) est une articulation motorisée.
[Revendication 7] Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’élément actif d’assistance à la mobilité est un élément actif extérieur à
G utilisateur (1).
[Revendication 8] Dispositif (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’élément actif d’assistance à la mobilité est un élément actif de commande d’un déplacement d’une cible (4) de l’utilisateur (1).
[Revendication 9] Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système de commande est en outre configuré pour induire une correction du mouvement compensatoire.
[Revendication 10] Ensemble d’assistance à la mobilité d’un utilisateur (1),
caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 9 et un système robotique commandé par ledit dispositif (2).
[Revendication 11] Procédé de commande d’un système robotique d’assistance à la mobilité d’un utilisateur (1), caractérisé en ce qu’il met en œuvre un dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 9.
[Revendication 12] Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il
comprend les étapes de :
- déterminer une action de mobilité d’un utilisateur (1),
- associer à ladite action de mobilité un mouvement compensatoire de l’utilisateur (1),
- lorsque ledit mouvement compensatoire est détecté, commander ledit au moins élément actif d’assistance à la mobilité (3)
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