FR3126329A1 - Procédé de mise en mouvement d’un exosquelette - Google Patents

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Nathanaël JARRASSE
Guillaume Morel
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Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale INSERM
Sorbonne Universite
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Abstract

Procédé de mise en mouvement d’un exosquelette La présente invention concerne un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette (1) recevant un opérateur humain, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre par les moyens de traitement de données (11) d’étapes de : Obtention de données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.Pendant l’exécution d’une trajectoire de l’exosquelette (1), détermination de si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1), à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;Poursuite de l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette (1) seulement si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de mise en mouvement d’un exosquelette
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine des robots de type exosquelette.
Plus précisément, elle concerne un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette.
ETAT DE L’ART
Récemment, sont apparus pour les personnes avec des problèmes de mobilité importants comme les paraplégiques, des dispositifs de marche assistée appelés exosquelettes, qui sont des dispositifs robotisés externes que l’opérateur (l’utilisateur humain) vient « enfiler » grâce à un système d’attaches qui lie les mouvements de l’exosquelette à ses propres mouvements. Les exosquelettes de membres inférieurs disposent de plusieurs articulations, généralement au moins au niveau des genoux et des hanches, pour reproduire le mouvement de marche. Des actionneurs permettent de mouvoir ces articulations, qui à leur tour font se mouvoir l’opérateur. Un système d’interface permet à l’opérateur de donner des ordres à l’exosquelette, et un système de commande transforme ces ordres en commande pour les actionneurs. Des capteurs viennent généralement compléter le dispositif.
Ces exosquelettes constituent une avancée par rapport aux fauteuils roulants, car ils permettent aux opérateurs de se remettre debout et de marcher. Les exosquelettes ne sont plus limités par les roues et peuvent théoriquement évoluer dans la majorité des environnements non plats : les roues, au contraire des jambes, ne permettent pas de franchir des obstacles importants comme des marches, escaliers, obstacles d’une hauteur trop importante, etc.
La difficulté principale reste la détection des intentions de l’opérateur lorsque la partie du corps équipée de l’exosquelette est complètement paralysée. En effet, la plupart des exosquelettes « amplifient » les mouvements de l’opérateur, mais cela n’est pas possible si l’opérateur n’est pas capable de mouvements en premier lieu.
Ainsi, on utilise aujourd’hui le plus souvent une télécommande pour requérir une transition d’état (initier une marche, changer d’allure, s’arrêter, etc.). Une telle solution est fiable et robuste mais peu naturelle.
Par ailleurs, l’opérateur peut être muni d’un gilet de capteurs (moyens de mesure inertielle) permettant de détecter la configuration de son buste (orientation de celui-ci). La requête de transition d’état peut correspondre à une posture particulière de l’opérateur, par exemple se pencher en avant, signifiant son intention d’initier un mouvement vers l’avant, et donc ordonnant aux moyens de traitement de commander l’exécution de ce mouvement. Cette méthode impose cependant de faire des mouvements exagérés peu naturels (forte amplitude) et reste limitée.
Ainsi, on utilise aujourd’hui le gilet de capteurs en combinaison avec la télécommande. L’idée est de confirmer la transition initiée par la télécommande par les mesures du gilet : il s’agit de vérifier que la posture est cohérente avec la commande saisie sur la télécommande.
Alternativement, il a été proposé de mesurer des signaux électrophysiologiques (EEG ou EMG) de sorte à détecter directement l’intention de l’opérateur. Cette solution est théoriquement optimale, mais les signaux à reconnaître s’avèrent très variables, ce qui limite la robustesse d’une technique qui reste aujourd’hui insuffisante.
Il serait par conséquent souhaitable de disposer d’une nouvelle technique de mise en mouvement d’un exosquelette qui s’affranchisse des contraintes actuelles, et qui soit robuste, universelle, intuitive et confortable.
PRESENTATION DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte ainsi selon un premier aspect à un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette recevant un opérateur humain, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre par les moyens de traitement de données d’étapes de :
  1. Obtention de données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
  2. Pendant l’exécution d’une trajectoire de l’exosquelette, détermination de si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette, à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
  3. Poursuite de l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette seulement si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses et non-limitatives :
Ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette s’il correspond à un mouvement naturel des membres supérieurs d’un humain en mouvement conformément à ladite trajectoire de l’exosquelette.
Ladite trajectoire de l’exosquelette est une marche et ledit mouvement naturel des membres supérieurs d’un humain en mouvement conformément à ladite trajectoire de l’exosquelette est un balancement des membres supérieurs en opposition de phase.
Chaque membre supérieur de l’opérateur est équipé d’un capteur de mouvement.
Lesdits capteurs de mouvement sont des moyens de mesure inertielle, lesdites données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur étant des données inertielles en fonction du temps, notamment au moins des vitesses angulaires ou accélérations, fournies par lesdits capteurs de mouvement.
L’opérateur est muni d’un gilet comprenant lesdits capteurs de mouvement.
L’étape (a) comprend en outre l’obtention de données représentatives d’un mouvement du buste de l’opérateur.
Le buste de l’opérateur est équipé d’un autre capteur de mouvement, le gilet comprenant ledit autre capteur de mouvement.
Le procédé comprend une étape (a1) de détermination de si ledit mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur d’initier ladite trajectoire de l’exosquelette, à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur ; et d’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette si ledit mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur d’initier ladite trajectoire de l’exosquelette.
L’étape (c) comprend la poursuite de l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette sous une forme modifiée si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette sous une forme modifiée.
L’étape (b) comprend soit la classification desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur au moyen d’un modèle de classification, soit le calcul à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur d’au moins une métrique et la vérification d’un critère sur ladite métrique.
L’étape (b) comprend le calcul à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur d’au moins une métrique et la vérification d’un critère sur ladite métrique, chaque métrique étant choisie parmi :
  • une corrélation croisée des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
  • au moins une composante principale, des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
  • une moyenne quadratique des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
L’étape (b) comprend soit la classification desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur au moyen d’un modèle de classification, le procédé comprend une étape préalable (a0) d’apprentissage dudit modèle de classification à partir d’une base de données descriptives de mouvements de référence des membres supérieurs d’opérateurs déjà classifiées stockée par des moyens de stockage de données d’un serveur.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un exosquelette recevant un opérateur humain, comprenant des moyens de traitement de données configurés pour :
  • Obtenir des données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
  • Pendant l’exécution d’une trajectoire de l’exosquelette, déterminer si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette, à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
  • poursuivre l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette seulement si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette.
Selon un troisième et un quatrième aspect, l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette selon le premier aspect ; et un moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code pour l’exécution d’un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette selon le premier aspect.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d’un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la est un schéma d’un exosquelette pour la mise en œuvre d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
  • La illustre une disposition possible de capteurs de mouvement de type moyens de mesures inertielles sur un opérateur ;
  • La représente un gilet de capteurs pour la mise en œuvre d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
  • La illustre une architecture de système pour la mise en œuvre d’un mode de réalisation du procédé selon l’invention ;
  • La est un diagramme illustrant un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention.

Claims (16)

  1. Procédé de mise en mouvement d’un exosquelette (1) recevant un opérateur humain, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre par les moyens de traitement de données (11) d’étapes de :
    1. Obtention de données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
    2. Pendant l’exécution d’une trajectoire de l’exosquelette (1), détermination de si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1), à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
    3. Poursuite de l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette (1) seulement si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1) s’il correspond à un mouvement naturel des membres supérieurs d’un humain en mouvement conformément à ladite trajectoire de l’exosquelette.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ladite trajectoire de l’exosquelette (1) est une marche et ledit mouvement naturel des membres supérieurs d’un humain en mouvement conformément à ladite trajectoire de l’exosquelette (1) est un balancement des membres supérieurs en opposition de phase.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel chaque membre supérieur de l’opérateur est équipé d’un capteur de mouvement (15a, 15b).
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel lesdits capteurs de mouvement (15a, 15b) sont des moyens de mesure inertielle, lesdites données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur étant des données inertielles en fonction du temps, notamment au moins des vitesse angulaires, fournies par lesdits capteurs de mouvement (15a, 15b).
  6. Procédé selon l’une des revendications 4 et 5, dans lequel l’opérateur est muni d’un gilet (10) comprenant lesdits capteurs de mouvement (15a, 15b).
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape (a) comprend en outre l’obtention de données représentatives d’un mouvement du buste de l’opérateur.
  8. Procédé selon les revendications 6 et 7 en combinaison, dans lequel le buste de l’opérateur est équipé d’un autre capteur de mouvement (14), le gilet (10) comprenant ledit autre capteur de mouvement (14).
  9. Procédé l’une des revendications 7 et 8, comprenant une étape (a1) de détermination de si ledit mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur d’initier ladite trajectoire de l’exosquelette (1), à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur ; et d’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette (1) si ledit mouvement des membres supérieurs et/ou du buste de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur d’initier ladite trajectoire de l’exosquelette (1).
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’étape (c) comprend la poursuite de l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette (1) sous une forme modifiée si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1) sous une forme modifiée.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel l’étape (b) comprend soit la classification desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur au moyen d’un modèle de classification, soit le calcul à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur d’au moins une métrique et la vérification d’un critère sur ladite métrique.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l’étape (b) comprend le calcul à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur d’au moins une métrique et la vérification d’un critère sur ladite métrique, chaque métrique étant choisie parmi :
    • une corrélation croisée des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
    • au moins une composante principale, des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
    • une moyenne quadratique des données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’étape (b) comprend soit la classification desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur au moyen d’un modèle de classification, le procédé comprend une étape préalable (a0) d’apprentissage dudit modèle de classification à partir d’une base de données descriptives de mouvements de référence des membres supérieurs d’opérateurs déjà classifiées stockée par des moyens de stockage de données (12b) d’un serveur (10b).
  14. Exosquelette (1) recevant un opérateur humain, comprenant des moyens de traitement de données (11c) configurés pour :
    • Obtenir des données descriptives d’un mouvement des membres supérieurs de l’opérateur.
    • Pendant l’exécution d’une trajectoire de l’exosquelette (1), déterminer si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1), à partir desdites données descriptives du mouvement des membres supérieurs de l’opérateur ;
    • poursuivre l’exécution de ladite trajectoire de l’exosquelette (1) seulement si ledit mouvement des membres supérieurs de l’opérateur est déterminé représentatif d’une intention de l’opérateur de maintenir ladite trajectoire de l’exosquelette (1).
  15. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette (1) selon l’une des revendications 1 à 13, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.
  16. Moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code pour l’exécution d’un procédé de mise en mouvement d’un exosquelette (1) selon l’une des revendications 1 à 13.
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