WO2022223466A1 - Prothèse bionique percevant l'environnement - Google Patents

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WO2022223466A1
WO2022223466A1 PCT/EP2022/060115 EP2022060115W WO2022223466A1 WO 2022223466 A1 WO2022223466 A1 WO 2022223466A1 EP 2022060115 W EP2022060115 W EP 2022060115W WO 2022223466 A1 WO2022223466 A1 WO 2022223466A1
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Definitions

  • the present invention relates to the field of bionic prostheses intended for people with amputated limbs.
  • the present invention proposes a bionic lower or upper limb prosthesis perceiving the environment and a method for controlling said bionic prosthesis.
  • a prosthesis can replace a limb from both a functional and aesthetic point of view.
  • a prosthesis that makes walking as natural as possible and allows the user to maintain his balance, in particular, for example, when climbing up and downhill. stairway, or when backing up.
  • an upper limb amputee it is desirable to facilitate the grasping of objects, taking into account in particular the shape and nature of the object to be grasped.
  • the optimal clamping force and position of the prosthesis differ for gripping a glass and for gripping fruit.
  • a bionic prosthesis is distinguished in that it implements a robotic process which, from commands, corresponding to the intentions of the amputee, triggers a movement of the prosthesis.
  • bionic prostheses are documented in the state of the art, the most widespread being myoelectric prostheses, hydraulic prostheses, neuroelectric prostheses, and electronic prostheses.
  • myoelectric prostheses rely on muscle activation. Sensors, particularly positioned at the stump, detect muscle contractions and send electrical signals to control the prosthesis. The handling by the amputee of this prosthesis requires a great deal of rehabilitation work in order to learn to control muscle contractions in an appropriate manner. Thus, the use of a myoelectric prosthesis requires perfect control of the amputee to be able to initiate the movements with adequate precision and force. In addition, the possible movements are generally limited.
  • electronic prostheses have pre-programmed actions that the amputee can activate in particular via a mobile application.
  • the bionic prostheses may include resistance measurement means in order to adapt the control of the movement.
  • the bionic prostheses according to the state of the art are mainly reactive, in other words they have a limited awareness of the external environment. The set of possible moves is limited accordingly.
  • the invention relates to a bionic lower or upper limb prosthesis, comprising:
  • a prosthetic distal segment of the lower or upper limb in other words a prosthetic foot or, respectively, a prosthetic hand, at a free end of the bionic prosthesis, adapted to come into contact with a ground or, respectively, with an object to be grasped ;
  • a prosthetic middle segment i.e. a prosthetic tibia or, respectively, a prosthetic forearm
  • At least one motorized articulation device a first of said at least one motorized articulation device being mechanically connected on the one hand to the distal prosthetic segment and on the other hand to the middle prosthetic segment;
  • control unit configured to control said at least one motorized articulation device from control signals corresponding to a movement intention
  • At least one depth camera suitable for generating a three-dimensional point cloud of the environment of the bionic prosthesis, including the terrain or, respectively, the object to be captured
  • control unit is configured to process the three-dimensional point cloud in order to detect the terrain or, respectively, the object to be grasped, and to control said at least one motorized articulation device so as to adapt the positioning of the prosthetic segment distal to the terrain or, respectively, to the object to be grasped.
  • the use of depth cameras makes it possible to offer the considerable advantage of improving the perception of the external environment and consequently of improving the movement of the bionic prosthesis by supplementing the unconscious sensory perceptions of the amputee.
  • the present invention also allows the implementation of motorized joint devices having a higher number of degrees of freedom, making the movement of the bionic prosthesis more natural.
  • the bionic prosthesis according to the invention comprises a system of myoelectric sensors configured to generate the control signals corresponding to a movement intention.
  • the bionic prosthesis forms a bionic lower limb prosthesis, comprising a prosthetic foot at a free end of the bionic prosthesis, adapted to come into contact with a ground, a prosthetic tibia, at least a motorized articulation device, a control unit configured to control said at least one motorized articulation device from command signals corresponding to a movement intention, and at least one depth camera adapted to generate a point cloud three-dimensional view of the environment of the prosthetic foot including the terrain.
  • a first of said at least one motorized articulation device is mechanically connected on the one hand to the prosthetic foot and on the other hand to the prosthetic tibia.
  • the control unit is configured to process the three-dimensional point cloud in order to detect the terrain and to control said at least one motorized articulation device so as to adapt the positioning of the prosthetic foot with respect to the terrain.
  • said at least one depth camera consists of two depth cameras configured so as to respectively cover a front field and a rear field of the environment of the prosthetic foot.
  • the prosthetic foot having a directional vector of the foot oriented substantially in a longitudinal direction of the prosthetic foot
  • the bionic lower limb prosthesis comprises a set of accelerometers able to measure the directional vector of the foot.
  • the bionic lower limb prosthesis according to the first embodiment of the invention comprises a prosthetic femur, said at least one motorized articulation device then comprising a second motorized articulation device being mechanically connected on the one hand to the prosthetic tibia and on the other hand to the prosthetic femur.
  • the invention relates to a method for controlling the lower or upper limb bionic prosthesis according to the invention, the method, following an instruction corresponding to a movement intention and comprising:
  • the measurement of the current state of the bionic prosthesis including in particular the measurement of directional vectors of the distal prosthetic segment, of the middle prosthetic segment, and if necessary of the proximal prosthetic segment;
  • the method for controlling a lower limb bionic prosthesis according to the first embodiment of the invention, following an instruction corresponding to a movement intention comprises:
  • measuring the current state of the bionic prosthesis including measuring a directional vector of the foot oriented substantially in a longitudinal direction of the prosthetic foot;
  • the processing of the three-dimensional point cloud by the control unit comprising the extraction of a set of points from the three-dimensional point cloud corresponding to the terrain and the calculation of the normal to a surface defined by said set of points, designated normal on the ground ;
  • the method according to the invention comprises a step of reconstructing the three-dimensional point cloud comprising the assembly of a plurality of three-dimensional point clouds corresponding to a succession of generation of three-dimensional point clouds by said at least one depth camera , the reconstruction step being carried out prior to the calculation of the normal to the terrain.
  • the measurement of the directional vector of the foot is carried out by a set of accelerometers.
  • the invention relates to a bionic prosthesis and will be described below in the context of a myoelectric bionic prosthesis for an amputee of the lower or upper limb. Since the invention is not limited to this scope of application, it can also be adapted to any bionic prosthesis of the lower or upper limb.
  • the bionic prosthesis according to the invention comprises a prosthetic distal segment of the lower or upper limb, in other words a prosthetic foot or, respectively, a prosthetic hand, at a free end of the bionic prosthesis, and adapted to come into contact with a ground or , respectively, with an object to grab; a prosthetic middle segment, i.e. a prosthetic tibia or, respectively, a prosthetic forearm; at least one motorized articulation device, a control unit, and at least one depth camera.
  • a first of said at least one motorized articulation device is mechanically connected on the one hand to the distal prosthetic segment and on the other hand to the middle prosthetic segment.
  • the first motorized joint device corresponds in particular to the ankle joint for a bionic lower limb prosthesis and to the wrist joint for a bionic upper limb prosthesis.
  • the control unit is configured to control said at least one motorized articulation device from control signals corresponding to a movement intention.
  • the control unit implements the ROS ("Robotic Operation System") or ROS 2 operating system.
  • the bionic prosthesis can advantageously comprise a fitting member adapted to relate to a residual end of an amputated limb.
  • an implant system in particular an OPRA implant system, placed by an osseointegration process.
  • the bionic prosthesis notably comprises a system of myoelectric sensors configured to generate the control signals corresponding to a movement intention.
  • the command signals may in particular be a simple order, such as an order to walk for a lower limb prosthesis, or to grasp an object for an upper limb prosthesis.
  • the myoelectric sensor system may also allow for more advanced control of the prosthesis, including being able to capture a speed and execution time associated with the intention of movement, so as to allow more precise movement, of the order of a few degrees, and at low speed.
  • the intention of movement corresponds to muscular contractions of the amputee detected by the myoelectric sensor system.
  • the myoelectric sensor system can be integrated into the interlocking device if necessary.
  • Said at least one depth camera is adapted to generate a three-dimensional point cloud of the environment of the bionic prosthesis, comprising the terrain, or, respectively, the object to be grasped.
  • the control unit is configured to process the three-dimensional point cloud in order to detect the terrain or, respectively, the object to be grasped, and to control said at least one motorized articulation device so as to adapt the positioning of the prosthetic segment distal to the terrain or, respectively, to the object to be grasped.
  • the use of depth cameras advantageously makes it possible to improve the perception of the external environment and consequently to improve the movement of the bionic prosthesis by supplementing the unconscious sensory perceptions of the amputee.
  • the present invention therefore has the considerable advantage of allowing the implementation of motorized joint devices having a higher number of degrees of freedom, making the movement of the bionic prosthesis more natural.
  • a depth camera also referred to as a time-of-flight camera or TOF ("Time of Flight") camera, includes two infrared depth sensors for understanding distances and shapes in three-dimensional space.
  • TOF Time of Flight
  • said at least one depth camera is preferably activated only when the bionic prosthesis is set in motion and otherwise is at rest. This operation advantageously makes it possible to reduce the electrical consumption of the bionic prosthesis.
  • the bionic prosthesis may include, if desired, a prosthetic proximal segment.
  • the prosthetic proximal segment corresponds in particular to a prosthetic femur, or respectively, to a prosthetic arm for an amputation of the lower limb, or for an amputation of the upper limb.
  • said at least one motorized articulation device then preferably comprises a second motorized articulation device corresponding to the knee joint for an amputation of the lower limb, and to the elbow joint for an amputation of the upper limb.
  • the bionic prosthesis preferably comprises a set of accelerometers able to measure a current state of the bionic prosthesis.
  • the invention relates to a method for controlling the bionic lower or upper limb prosthesis, as described above, the method comprising, following an instruction 3 corresponding with an intention of movement:
  • the measurement E1 of the current state 17 of the bionic prosthesis including in particular the measurement of directional vectors of the distal prosthetic segment, of the middle prosthetic segment, and where applicable of the proximal prosthetic segment, in particular by the set of accelerometers;
  • a possible acquisition frequency of said at least one depth camera is 5Hz.
  • the choice of the acquisition frequency results in particular from a compromise between obtaining a sufficient number of data to have a sufficient representation of the environment, while limiting the number of data to be processed in order to reduce the time of processing and therefore save the battery of the control unit.
  • the calculation by the control unit of the movements to be performed by said at least one motorized articulation device may in particular consist of an optimization of the movements according to the different degrees of freedom of said at least one motorized articulation device.
  • bionic prosthesis forming a bionic lower limb prosthesis is described in more detail below.
  • the bionic lower limb prosthesis 1 comprises a prosthetic foot 11 at a free end of the bionic prosthesis 1 and adapted to come into contact with a ground 2; a prosthetic tibia 12; at least one motorized articulation device 13, a first of said at least one motorized articulation device 13 being mechanically connected on the one hand to the prosthetic foot 11 and on the other hand to the prosthetic tibia 12; a control unit 14 configured to control said at least one motorized articulation device 13 from control signals corresponding to a movement intention; at least one depth camera 15 adapted to generate a three-dimensional point cloud of the environment of the prosthetic foot 11, including the terrain 2, the control unit 14 being configured to process the three-dimensional point cloud in order to detect the terrain 2 and to control said at least one motorized articulation device 13 so as to adapt the positioning of the prosthetic foot 11 relative to the ground 2.
  • the ground is defined as a surface on which the amputee leans to move.
  • the surface may in particular be flat such as a floor or a step, or even be inclined.
  • the surface can also be uneven and include obstacles, or roughness (holes, stones, etc.) that it is advantageous to identify.
  • said at least one depth camera can be adapted to view the other leg of the amputee in addition to the terrain.
  • said at least one depth camera 15 may consist of two depth cameras configured so as to respectively cover a front field and a rear field of the environment of the prosthetic foot 11 as represented in the .
  • Such a configuration of cameras makes it possible to perceive the environment in the context of forward movement and reverse movement.
  • the two depth cameras can be positioned for example respectively at the front and at the rear of the bionic prosthesis, or even on either side of the bionic lower limb prosthesis.
  • said at least one depth camera preferably has a fixed origin with respect to the lower limb bionic prosthesis.
  • the bionic lower limb prosthesis according to the invention is suitable for a case of tibial amputation, that is to say below the knee.
  • the first motorized articulation device corresponding to the ankle, is controlled by the control unit.
  • the first motorized articulation device can advantageously have three degrees of freedom represented by two-way arrows on the .
  • the control unit therefore controls three degrees of freedom in total.
  • the bionic lower limb prosthesis according to the invention is suitable for a case of trans-femoral amputation, that is to say above the knee.
  • the lower limb bionic prosthesis then advantageously comprises a prosthetic femur.
  • said at least one motorized articulation device comprises in particular the second motorized articulation device being mechanically connected on the one hand to the prosthetic tibia and on the other hand to the prosthetic femur.
  • the second motorized articulation device corresponds to the knee joint.
  • the degrees of freedom of the second motorized articulation device In this second example, to the three degrees of freedom of the first motorized articulation device are added the degrees of freedom of the second motorized articulation device.
  • the present invention advantageously makes it possible to adapt with more precision the height to which it is necessary to lift the bionic prosthesis of the lower limb, and in particular the second motorized articulation device corresponding to the knee, to avoid gripping the ground, in particular for uneven land.
  • the prosthetic foot 11 has in particular a directional vector of the foot 111 oriented substantially in a longitudinal direction of the prosthetic foot 11 as illustrated in the .
  • the lower limb bionic prosthesis 1 can then comprise a set of accelerometers capable of measuring the directional vector of the foot 111, the set of accelerometers preferably comprising two accelerometers.
  • the directional vector of the foot 111 can in particular be defined with respect to a reference system defined by three axes corresponding to a reference position of the prosthetic foot 11.
  • the method for controlling the lower limb bionic prosthesis, following an instruction 3 corresponding to a movement intention comprises:
  • the measurement E1 of the current state 17 of the lower limb bionic prosthesis comprising the measurement of the directional vector of the foot in particular by the set of accelerometers;
  • the processing of the cloud of three-dimensional points 16 by the control unit comprising the extraction E32 of a set of points from the cloud of three-dimensional points 16 corresponding to the terrain and the calculation of the normal E34 to a surface defined by said set of points, designated normal to the terrain;
  • said at least one depth camera is preferably activated only when walking and otherwise is at rest.
  • the extraction of a set of points from the three-dimensional point cloud corresponding to the terrain may consist of the execution of a flat surface detection algorithm and followed by the selection of the flat surface having a greater number of points.
  • the invention makes it possible to advantageously detect flat and inclined surfaces.
  • the method of ordering the bionic prosthesis of the lower limb may comprise the identification of the nature of the terrain E33, as illustrated in the , for example a stair step.
  • the identification of the nature of the terrain can in particular be carried out by means of learning algorithms.
  • the first motorized articulation device corresponding to the ankle, must tilt forwards to avoid falling while being flat in order to guarantee stable support.
  • the forward inclination is a constraint to be taken into account during the calculation by the control unit of the movements to be carried out by said at least one motorized articulation device.
  • the method according to the invention may comprise a step E31 of reconstruction of the cloud of three-dimensional points 16 comprising the assembly of a plurality of clouds of three-dimensional points 16 corresponding to a succession of acquisition of clouds of three-dimensional points by said at least a depth camera, the reconstruction step being carried out in particular prior to the calculation of the normal to the terrain E34.
  • the reconstruction step E31 can be carried out before or after the extraction E32 and the identification of the terrain E33.
  • the reconstruction step advantageously makes it possible to reconstruct the zones obstructed by the prosthetic foot in order to obtain an improved perception of the terrain. Thus, any uncertainties related to the calculation of the normal to the terrain are reduced.
  • the reconstruction step may preferably comprise the execution of a SLAM (“Simultaneous Localization And Mapping”) algorithm.
  • SLAM Simultaneous Localization And Mapping
  • the calculation by the control unit of the movements to be performed by said at least one motorized articulation device may in particular consist of an optimization of the movements according to the different degrees of freedom of said at least one motorized articulation device.
  • the objective is to ensure positioning of the prosthetic foot substantially parallel to the ground for improved grip while minimizing the movements required so as to reduce the fatigue and consumption of the motors of said at least one motorized articulation device.
  • bionic prosthesis forming a bionic upper limb prosthesis is described in more detail below.
  • the bionic upper limb prosthesis according to the second embodiment of the invention comprises a prosthetic hand at a free end of the bionic prosthesis and adapted to come into contact with an object to be grasped; a prosthetic forearm; at least one motorized articulation device, a first of said at least one motorized articulation device being mechanically connected on the one hand to the prosthetic hand and on the other hand to the prosthetic forearm; a control unit configured to control said at least one motorized articulation device from command signals corresponding to an intention of movement; at least one depth camera adapted to generate a three-dimensional point cloud of the environment of the prosthetic hand, including the object to be grasped, the control unit being configured to process the three-dimensional point cloud in order to detect the object to grasp and to control said at least one motorized articulation device so as to adapt the positioning of the prosthetic hand with respect to the object to be grasped.
  • said at least one depth camera can preferably be integrated between the elements corresponding to the thumb and the index finger of the prosthetic hand, in the palm of the prosthetic hand, or even on the face opposite the palm of the prosthetic hand.
  • the bionic upper limb prosthesis according to the invention is suitable for a case of amputation of the forearm, that is to say below the elbow.
  • the first motorized joint device corresponding to the wrist joint, is controlled by the control unit.
  • the first motorized articulation device can advantageously have three degrees of freedom.
  • other additional articulation devices corresponding in particular to the joints of the fingers, can be added to the first motorized articulation device.
  • the bionic upper limb prosthesis according to the invention is suitable for a case of amputation of the arm, that is to say above the elbow.
  • the upper limb bionic prosthesis then advantageously comprises a prosthetic arm.
  • said at least one motorized articulation device comprises in particular the second motorized articulation device being mechanically connected on the one hand to the prosthetic forearm and on the other hand to the prosthetic arm.
  • the second motorized articulation device corresponds to the elbow joint.
  • to the three degrees of freedom of the first motorized articulation device are added the degrees of freedom of the second motorized articulation device.
  • the present invention advantageously makes it possible to adapt the position of the prosthetic hand to the object to be grasped with more precision, thus making it possible to improve the precision when grasping an object and to make the grasping more natural for the user. prosthesis user.
  • the method for controlling the upper limb bionic prosthesis, following an instruction 3 corresponding to a movement intention comprises:
  • the measurement E1 of the current state 17 of the upper limb bionic prosthesis comprising the measurement of a directional vector of the hand, in particular by the set of accelerometers;
  • the processing of the cloud of three-dimensional points 16 by the control unit comprising the extraction E42 of a set of points from the cloud of three-dimensional points 16 corresponding to the object to be captured and the identification of the object to be captured E43 , in particular the nature and shape of the object to be grasped;
  • the extraction of a set of points from the three-dimensional point cloud corresponding to the object to be grasped and the identification of the object to be grasped can be carried out by means of learning algorithms.
  • the method according to the invention may comprise a step of reconstruction E41 of the cloud of three-dimensional points 16 comprising the assembly of a plurality of clouds of three-dimensional points 16 corresponding to a succession of acquisition of clouds of three-dimensional points by said at least a depth camera.
  • the reconstruction step can preferably comprise the execution of a SLAM (“Simultaneous Localization And Mapping”) algorithm.
  • the reconstruction step advantageously makes it possible to reconstruct the obstructed zones in order to obtain an improved perception of the object to be grasped, and possibly to make it possible to limit the number of depth cameras used.
  • the present invention provides a bionic prosthesis capable of perceiving the environment through the use of depth cameras and a method for controlling said bionic prosthesis.
  • the invention has the substantial gain of reducing the mental and physical cost of using a bionic prosthesis.
  • the lower limb amputee no longer has to wonder if the bionic prosthesis is raised enough to avoid tripping on stairs or on uneven ground.
  • the person amputated of the upper limb no longer has to ask the question of the position and the effort exerted by the prosthetic hand to grasp an object. Consequently, the present invention allows for more natural, intuitive, and stable movement.
  • the use of the prosthesis is simplified.
  • the present invention makes it possible to have an improved control of the different degrees of freedom of the motorized articulation devices, and to allow the control of bionic prostheses having a greater number of degrees of freedom.
  • conventional lower limb bionic prostheses generally only include one degree of freedom at the level of the first motorized articulation device corresponding to the ankle joint. Thanks to the invention, it is possible to use a first motorized articulation device having for example three degrees of freedom.
  • conventional bionic upper limb prostheses generally include only one degree of freedom at the first motorized joint device corresponding to the wrist joint in the form of infinite rotation. The number of degrees of freedom can also be increased in the latter case.
  • the invention offers a wider field of movement, making it possible, in the context of a bionic lower limb prosthesis, to keep one's balance when going up and down stairs or even when reversing, and in the context of a bionic upper limb prosthesis, to grasp delicate objects such as fruit or a stemmed glass.

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Abstract

La présente invention vise une prothèse bionique (1) de membre inférieur ou supérieur, comprenant un segment distal prothétique autrement dit un pied prothétique (11) ou une main prothétique, adapté pour venir en contact avec un terrain (2) ou avec un objet à saisir; un segment moyen prothétique, autrement dit un tibia prothétique (12) ou un avant-bras prothétique; au moins un dispositif d'articulation motorisé (13) dont l'un est relié mécaniquement d'une part au segment distal prothétique et d'autre part au segment moyen prothétique; au moins une caméra de profondeur (15) adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel; une unité de commande (14) configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel et contrôler ledit au moins un dispositif d'articulation motorisé (13) de sorte à adapter le positionnement du segment distal prothétique par rapport au terrain (2) ou à l'objet à saisir.

Description

Prothèse bionique percevant l’environnement
La présente invention concerne le domaine des prothèses bioniques destinées à des personnes amputées d’un membre. En particulier, la présente invention propose une prothèse bionique de membre inférieur ou supérieur percevant l’environnement et un procédé de commande de ladite prothèse bionique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Comme cela est connu, une prothèse permet de remplacer un membre d’un point de vue à la fois fonctionnel et esthétique. Dans le contexte d’une personne amputée du membre inférieur, il est souhaitable d’avoir une prothèse rendant la marche la plus naturelle possible et permettant à l’utilisateur de conserver son équilibre, notamment par exemple lors de la montée et de la descente d’un escalier, ou lors d’une marche arrière. De la même manière, dans le contexte d’une personne amputée du membre supérieur, il est souhaitable de faciliter la préhension d’objets, en prenant en compte notamment la forme et la nature de l’objet à saisir. A titre d’exemple, l’effort de serrage et la position de la prothèse optimaux diffèrent pour la préhension d’un verre et pour la préhension d’un fruit.
En particulier, une prothèse bionique se distingue en ce qu’elle met en œuvre un procédé robotique qui, à partir de commandes, correspondant aux intentions de la personne amputée, enclenche un mouvement de la prothèse. Différentes catégories de prothèses bioniques sont documentées dans l’état de la technique, les plus répandues étant les prothèses myoélectriques, les prothèses hydrauliques, les prothèses neuro-électriques, et les prothèses électroniques.
Comme cela est connu, les prothèses myoélectriques reposent sur l’activation musculaire. Des capteurs, notamment positionnés au niveau du moignon, détectent les contractions musculaires et envoient des signaux électriques afin de commander la prothèse. La prise en main par la personne amputée de cette prothèse nécessite de réaliser un grand travail de rééducation afin d’apprendre à contrôler les contractions musculaires de façon adaptée. Ainsi, l’utilisation d’une prothèse myoélectrique nécessite une parfaite maîtrise de la personne amputée pour pouvoir enclencher les mouvements avec une précision et une force adéquates. De plus, les mouvements possibles sont généralement limités.
Selon un autre exemple connu, les prothèses électroniques présentent des actions préprogrammées que la personne amputée peut activer notamment via une application mobile.
Par conséquent, selon les deux exemples précédents, le mouvement résulte d’une volonté et d’actions réfléchies de la part de la personne amputée. En plus de la difficulté à rendre possible une maîtrise précise des mouvements réalisés, un autre inconvénient réside dans la charge mentale que la maîtrise de ce type de prothèse implique pour l’utilisateur.
Il existe par conséquent un besoin pour des prothèses bioniques permettant une mise en mouvement plus naturelle, notamment sans nécessiter un lourd apprentissage ou une charge mentale importante pour l’utilisateur.
En outre, les prothèses bioniques peuvent comprendre des moyens de mesure de résistance afin d’adapter la commande du mouvement. Ainsi, les prothèses bioniques selon l’état de la technique sont principalement réactives, autrement dit elles présentent une conscience limitée de l’environnement extérieur. L’ensemble des mouvements possibles est limité en conséquence.
Par conséquent, il existe un besoin pour une prothèse bionique présentant une autonomie et une précision améliorées, notamment une prothèse bionique percevant l’environnement de façon autonome.
PRESENTATION DE L’INVENTION
Plus précisément, selon un aspect de l’invention, l’invention a pour objet une prothèse bionique de membre inférieur ou supérieur, comprenant :
- un segment distal prothétique du membre inférieur ou supérieur, autrement dit un pied prothétique ou, respectivement, une main prothétique, à une extrémité libre de la prothèse bionique, adapté pour venir en contact avec un terrain ou, respectivement, avec un objet à saisir ;
- un segment moyen prothétique, autrement dit un tibia prothétique ou, respectivement, un avant-bras prothétique ;
- au moins un dispositif d’articulation motorisé, un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part au segment distal prothétique et d’autre part au segment moyen prothétique ;
- une unité de commande configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé à partir de signaux de commande correspondant à une intention de mouvement ;
- au moins une caméra de profondeur adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel de l’environnement de la prothèse bionique, comprenant le terrain ou, respectivement, l’objet à saisir,
Alors, l’unité de commande est configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel afin de détecter le terrain ou, respectivement, l’objet à saisir, et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte à adapter le positionnement du segment distal prothétique par rapport au terrain ou, respectivement, par rapport à l’objet à saisir. L’utilisation de caméras de profondeur permet d’offrir l’avantage considérable d’améliorer la perception de l’environnement extérieur et par conséquent d’améliorer la mise en mouvement de la prothèse bionique en venant supplémenter les perceptions sensorielles inconscientes de la personne amputée. La présente invention permet, par ailleurs, la mise-en-œuvre de dispositifs d’articulation motorisés présentant un nombre plus élevé de degrés de liberté, rendant la mise en mouvement de la prothèse bionique plus naturelle.
Avantageusement, la prothèse bionique selon l’invention comprend un système de capteurs myoélectriques configuré pour générer les signaux de commande correspondant à une intention de mouvement.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, la prothèse bionique forme une prothèse bionique de membre inférieur, comprenant un pied prothétique à une extrémité libre de la prothèse bionique, adapté pour venir en contact avec un terrain, un tibia prothétique, au moins un dispositif d’articulation motorisé, une unité de commande configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé à partir de signaux de commande correspondant à une intention de mouvement, et au moins une caméra de profondeur adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel de l’environnement du pied prothétique comprenant le terrain. Un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé est relié mécaniquement d’une part au pied prothétique et d’autre part au tibia prothétique. De plus, l’unité de commande est configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel afin de détecter le terrain et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte à adapter le positionnement du pied prothétique par rapport au terrain.
Avantageusement, ladite au moins une caméra de profondeur consiste en deux caméras de profondeur configurées de sorte à couvrir respectivement un champ avant et un champ arrière de l’environnement du pied prothétique.
Avantageusement, le pied prothétique présentant un vecteur directionnel du pied orienté substantiellement dans une direction longitudinale du pied prothétique, la prothèse bionique de membre inférieur comprend un ensemble d’accéléromètres apte à mesurer le vecteur directionnel du pied.
Selon un exemple de l’invention, la prothèse bionique de membre inférieur selon le premier mode de réalisation de l’invention comprend un fémur prothétique, ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé comprenant alors un deuxième dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part au tibia prothétique et d’autre part au fémur prothétique.
Selon un autre aspect de l’invention, l’invention concerne un procédé de commande de la prothèse bionique de membre inférieur ou supérieur selon l’invention, le procédé, faisant suite à une instruction correspondant à une intention de mouvement et comprenant :
- la mesure de l’état actuel de la prothèse bionique comprenant notamment la mesure de vecteurs directionnels du segment distal prothétique, du segment moyen prothétique, et le cas échéant du segment proximal prothétique ;
- l’acquisition par ladite au moins une caméra de profondeur d’un nuage de points tridimensionnel de l’environnement de la prothèse bionique ;
- le traitement du nuage de points tridimensionnel par l’unité de commande ;
- le calcul par l’unité de commande des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé ;
- la mise en mouvement de la prothèse bionique.
Avantageusement, le procédé de commande d’une prothèse bionique de membre inférieur selon le premier mode de réalisation de l’invention, faisant suite à une instruction correspondant à une intention de mouvement, comprend :
- la mesure de l’état actuel de la prothèse bionique comprenant la mesure d’un vecteur directionnel du pied orienté substantiellement dans une direction longitudinale du pied prothétique ;
- l’acquisition par ladite au moins une caméra de profondeur du nuage de points tridimensionnel de l’environnement de la prothèse bionique ;
- le traitement du nuage de points tridimensionnel par l’unité de commande comprenant l’extraction d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel correspondant au terrain et le calcul de la normale à une surface définie par ledit ensemble de points, désignée normale au terrain ;
- le calcul par l’unité de commande des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte que le vecteur directionnel du pied soit substantiellement perpendiculaire à la normale au terrain ;
- la mise en mouvement de la prothèse bionique.
Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend une étape de reconstruction du nuage de points tridimensionnel comprenant l’assemblage d’une pluralité de nuages de points tridimensionnels correspondant à une succession de génération de nuages de points tridimensionnels par ladite au moins une caméra de profondeur, l’étape de reconstruction étant réalisée au préalable du calcul de la normale au terrain.
Avantageusement, la mesure du vecteur directionnel du pied est réalisée par un ensemble d’accéléromètres.
PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
 : la est une représentation schématique d’une vue de la prothèse bionique de membre inférieur selon un aspect d’un premier mode de réalisation de l’invention ;
 : la est une représentation schématique du procédé de commande de la prothèse bionique de membre inférieur selon un autre aspect du premier mode de réalisation de l’invention ;
 : la est une représentation schématique du procédé de commande de la prothèse bionique de membre supérieur selon un aspect d’un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour permettre de mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Selon un aspect de l’invention, l’invention concerne une prothèse bionique et sera décrite ci-après dans le contexte d’une prothèse bionique myoélectrique pour une personne amputée du membre inférieur ou supérieur. L’invention n’étant pas limitée à ce cadre d’application, elle peut également être adaptée à toute prothèse bionique du membre inférieur ou supérieur.
La prothèse bionique selon l’invention comprend un segment distal prothétique du membre inférieur ou supérieur, autrement dit un pied prothétique ou, respectivement, une main prothétique, à une extrémité libre de la prothèse bionique, et adapté pour venir en contact avec un terrain ou, respectivement, avec un objet à saisir ; un segment moyen prothétique, autrement dit un tibia prothétique ou, respectivement, un avant-bras prothétique ; au moins un dispositif d’articulation motorisé, une unité de commande, et au moins une caméra de profondeur.
Un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé est relié mécaniquement d’une part au segment distal prothétique et d’autre part au segment moyen prothétique. Le premier dispositif d’articulation motorisé correspond en particulier à l’articulation de la cheville pour une prothèse bionique de membre inférieur et à l’articulation du poignet pour une prothèse bionique de membre supérieur.
L’unité de commande est configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé à partir de signaux de commande correspondant à une intention de mouvement. De manière préférée, l’unité de commande met en œuvre le système d’exploitation ROS (« Robotic Operation System ») ou ROS 2.
Afin de relier la prothèse bionique selon l’invention à la personne amputée, la prothèse bionique peut avantageusement comprendre organe d’emboitement adapté pour se rapporter à une extrémité résiduelle d’un membre amputé. Alternativement, il est également possible de relier la prothèse bionique à la personne amputée par un système d’implant, en particulier un système d’implant OPRA, mis en place par un procédé d’ostéointégration.
Dans le contexte d’une prothèse bionique myoélectrique, la prothèse bionique comprend notamment un système de capteurs myoélectriques configuré pour générer les signaux de commande correspondant à une intention de mouvement. Les signaux de commande peuvent être notamment un ordre simple, tel qu’un ordre de marcher pour une prothèse de membre inférieur, ou de saisir un objet pour une prothèse de membre supérieur. Le système de capteurs myoélectriques peut également permettre une commande plus avancée de la prothèse, notamment en étant apte à capturer une vitesse et une durée d’exécution associées à l’intention de mouvement, de sorte à permettre un mouvement plus précis, de l’ordre de quelques degrés, et à faible vitesse. Dans ce contexte, l’intention de mouvement correspond à des contractions musculaires de la personne amputée détectées par le système de capteurs myoélectriques. Le système de capteurs myoélectriques peut être intégré à l’organe d’emboitement le cas échéant.
Ladite au moins une caméra de profondeur est adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel de l’environnement de la prothèse bionique, comprenant le terrain, ou, respectivement, l’objet à saisir. Alors, l’unité de commande est configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel afin de détecter le terrain ou, respectivement, l’objet à saisir, et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte à adapter le positionnement du segment distal prothétique par rapport au terrain ou, respectivement, par rapport à l’objet à saisir.
Ainsi, l’utilisation de caméras de profondeur permet avantageusement d’améliorer la perception de l’environnement extérieur et par conséquent d’améliorer la mise en mouvement de la prothèse bionique en venant supplémenter les perceptions sensorielles inconscientes de la personne amputée. La présente invention présente, en conséquence, l’avantage considérable de permettre la mise-en-œuvre de dispositifs d’articulation motorisés présentant un nombre plus élevé de degrés de liberté, rendant la mise en mouvement de la prothèse bionique plus naturelle.
En particulier, une caméra de profondeur, également désignée sous les termes caméra temps de vol ou caméra TOF (« Time of Flight »), comprend deux capteurs de profondeur infrarouges permettant d’appréhender les distances et les formes dans un espace tridimensionnel.
De plus, ladite au moins une caméra de profondeur est, de manière préférée, activée uniquement lors de la mise en mouvement de la prothèse bionique et autrement est au repos. Ce fonctionnement permet avantageusement de réduire la consommation électrique de la prothèse bionique.
En outre, la prothèse bionique peut comprendre, le cas échéant, un segment proximal prothétique. Le segment proximal prothétique correspond en particulier à un fémur prothétique, ou respectivement, à un bras prothétique pour une amputation du membre inférieur, ou pour une amputation du membre supérieur. De plus, ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé comprend alors de manière préférée, un deuxième dispositif d’articulation motorisé correspondant à l’articulation du genou pour une amputation du membre inférieur, et à l’articulation du coude pour une amputation du membre supérieur.
La prothèse bionique comprend, de manière préférée, un ensemble d’accéléromètres apte à mesurer un état actuel de la prothèse bionique.
En référence aux figures 2 et 3, selon un autre aspect de l’invention, l’invention concerne un procédé de commande de la prothèse bionique de membre inférieur ou supérieur, tel que décrite précédemment, le procédé comprenant, suite à une instruction 3 correspondant à une intention de mouvement :
- la mesure E1 de l’état actuel 17 de la prothèse bionique comprenant notamment la mesure de vecteurs directionnels du segment distal prothétique, du segment moyen prothétique, et le cas échéant du segment proximal prothétique, en particulier par l’ensemble d’accéléromètres ;
- l’acquisition E2 par ladite au moins une caméra de profondeur d’un nuage de points tridimensionnel 16 de l’environnement de la prothèse bionique ;
- le traitement du nuage de points tridimensionnel 16 par l’unité de commande ;
- le calcul E5 par l’unité de commande des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé ;
- la mise en mouvement E6 de la prothèse bionique.
En outre, une fréquence d’acquisition possible de ladite au moins une caméra de profondeur est 5Hz. Le choix de la fréquence d’acquisition résulte notamment d’un compromis entre l’obtention d’un nombre suffisant de données pour avoir une représentation suffisante de l’environnement, tout en limitant le nombre de données à traiter afin de réduire le temps de traitement et par conséquent économiser la batterie de l’unité de commande.
Le calcul par l’unité de commande des mouvements à effectuer par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé peut notamment consister en une optimisation des mouvements selon les différents degrés de liberté dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé.
La prothèse bionique formant une prothèse bionique de membre inférieur, selon un premier mode de réalisation de l’invention, est décrite plus en détails ci-après.
En référence à la , la prothèse bionique 1 de membre inférieur selon le premier mode de réalisation de l’invention comprend un pied prothétique 11 à une extrémité libre de la prothèse bionique 1 et adapté pour venir en contact avec un terrain 2 ; un tibia prothétique 12 ; au moins un dispositif d’articulation motorisé 13, un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé 13 étant relié mécaniquement d’une part au pied prothétique 11 et d’autre part au tibia prothétique 12 ; une unité de commande 14 configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé 13 à partir de signaux de commande correspondant à une intention de mouvement ; au moins une caméra de profondeur 15 adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel de l’environnement du pied prothétique 11, comprenant le terrain 2, l’unité de commande 14 étant configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel afin de détecter le terrain 2 et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé 13 de sorte à adapter le positionnement du pied prothétique 11 par rapport au terrain 2.
En particulier, le terrain est défini comme une surface sur laquelle la personne amputée prend appui pour se déplacer. La surface peut notamment être plane comme un sol ou une marche, ou encore être inclinée. De plus, la surface peut également être accidentée et comprendre des obstacles, ou des aspérités (trous, cailloux, etc.) qu’il est avantageux d’identifier.
De plus, ladite au moins une caméra de profondeur peut être adaptée pour visualiser l’autre jambe de la personne amputée en plus du terrain.
Par ailleurs, ladite au moins une caméra de profondeur 15 peut consister en deux caméras de profondeur configurées de sorte à couvrir respectivement un champ avant et un champ arrière de l’environnement du pied prothétique 11 comme représenté sur la . Une telle configuration de caméras permet de percevoir l’environnement dans le cadre d’une marche avant et d’une marche arrière. Ainsi, les deux caméras de profondeur peuvent être positionnées par exemple respectivement à l’avant et à l’arrière de la prothèse bionique, ou encore de part et d’autre de la prothèse bionique de membre inférieur.
De plus, ladite au moins une caméra de profondeur présente de préférence une origine fixe par rapport à la prothèse bionique de membre inférieur.
Dans un premier exemple, la prothèse bionique de membre inférieur selon l’invention est adaptée pour un cas d’amputation tibiale, c’est-à-dire en dessous du genou. Alors, seul le premier dispositif d’articulation motorisé, correspondant à la cheville, est commandé par l’unité de commande. Alors, le premier dispositif d’articulation motorisé peut avantageusement présenter trois degrés de liberté représentés par des flèches à double sens sur la . L’unité de commande contrôle par conséquent trois degrés de liberté au total.
Dans un deuxième exemple, la prothèse bionique de membre inférieur selon l’invention est adaptée pour un cas d’amputation trans-fémoral, c’est-à-dire au-dessus du genou. La prothèse bionique de membre inférieur comprend alors avantageusement un fémur prothétique. De plus, pour une prothèse bionique de membre inférieur, ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé comprend en particulier le deuxième dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part au tibia prothétique et d’autre part au fémur prothétique. Autrement dit le deuxième dispositif d’articulation motorisé correspond à l’articulation du genou.
Dans ce deuxième exemple, aux trois degrés de liberté du premier dispositif d’articulation motorisé viennent s’ajouter les degrés de liberté du deuxième dispositif d’articulation motorisé. La présente invention permet avantageusement d’adapter avec plus de précision la hauteur à laquelle il faut soulever la prothèse bionique de membre inférieur, et notamment le deuxième dispositif d’articulation motorisé correspondant au genou, pour éviter d’agripper le terrain, en particulier pour les terrains non plats.
En outre, le pied prothétique 11 présente notamment un vecteur directionnel du pied 111 orienté substantiellement dans une direction longitudinale du pied prothétique 11 comme illustré sur la . La prothèse bionique 1 de membre inférieur peut alors comprendre un ensemble d’accéléromètres apte à mesurer le vecteur directionnel du pied 111, l’ensemble d’accéléromètres comprenant de préférence deux accéléromètres. Le vecteur directionnel du pied 111 peut notamment être défini par rapport à un système de référence défini par trois axes correspondant à une position de référence du pied prothétique 11.
En référence à la , le procédé de commande de la prothèse bionique de membre inférieur, suite à une instruction 3 correspondant à une intention de mouvement, comprend :
- la mesure E1 de l’état actuel 17 de la prothèse bionique de membre inférieur comprenant la mesure du vecteur directionnel du pied notamment par l’ensemble d’accéléromètres ;
- l’acquisition E2 par ladite au moins une caméra de profondeur du nuage de points tridimensionnel 16 ;
- le traitement du nuage de points tridimensionnel 16 par l’unité de commande comprenant l’extraction E32 d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel 16 correspondant au terrain et le calcul de la normale E34 à une surface définie par ledit ensemble de points, désignée normale au terrain ;
- le calcul E5 par l’unité de commande 14 des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte que le vecteur directionnel du pied soit substantiellement perpendiculaire à la normale au terrain ;
- la mise en mouvement E6 de la prothèse bionique.
De plus, ladite au moins une caméra de profondeur est, de manière préférée, activée uniquement lors de la marche et autrement est au repos.
Notamment, l’extraction d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel correspondant au terrain peut consister en l’exécution d’un algorithme de détection de surfaces planes et suivie de la sélection de la surface plane possédant un plus grand nombre de points. Ainsi, l’invention permet de détecter avantageusement les surfaces planes et inclinées.
Par ailleurs, le procédé de commande de la prothèse bionique de membre inférieur peut comprendre l’identification de la nature du terrain E33, comme illustré sur la , par exemple une marche d’escalier. L’identification de la nature du terrain peut notamment être réalisée au moyen d’algorithmes d’apprentissage. Dans le contexte d’une marche d’un escalier, le premier dispositif d’articulation motorisé, correspondant à la cheville, doit s’incliner vers l’avant pour éviter de chuter tout en étant à plat afin de garantir un appui stable. Ainsi, l’inclinaison vers l’avant est une contrainte à prendre en compte lors du calcul par l’unité de commande des mouvements à effectuer par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé.
De plus, comme illustré sur la , le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de reconstruction E31 du nuage de points tridimensionnel 16 comprenant l’assemblage d’une pluralité de nuages de points tridimensionnels 16 correspondant à une succession d’acquisition de nuages de points tridimensionnels par ladite au moins une caméra de profondeur, l’étape de reconstruction étant notamment réalisée au préalable du calcul de la normale au terrain E34. Ainsi, l’étape de reconstruction E31 peut être réalisée au préalable ou à la suite de l’extraction E32 et de l’identification du terrain E33. L’étape de reconstruction permet avantageusement de reconstituer les zones obstruées par le pied prothétique afin d’obtenir une perception améliorée du terrain. Ainsi, les éventuelles incertitudes liées au calcul de la normale au terrain sont réduites.
L’étape de reconstruction peut de manière préférée comprendre l’exécution d’un algorithme SLAM (« Simultaneous Localization And Mapping »).
Le calcul par l’unité de commande des mouvements à effectuer par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé peut notamment consister en une optimisation des mouvements selon les différents degrés de liberté dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé. L’objectif est d’assurer un positionnement du pied prothétique substantiellement parallèle au terrain pour une adhérence améliorée tout en minimisant les mouvements requis de sorte à réduire la fatigue et la consommation des moteurs dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé.
La prothèse bionique formant une prothèse bionique de membre supérieur, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, est décrite plus en détails ci-après.
La prothèse bionique de membre supérieur selon le deuxième mode de réalisation de l’invention comprend une main prothétique à une extrémité libre de la prothèse bionique et adapté pour venir en contact avec un objet à saisir ; un avant-bras prothétique ; au moins un dispositif d’articulation motorisé, un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part à la main prothétique et d’autre part à l’avant-bras prothétique ; une unité de commande configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé à partir de signaux de commande correspondant à une intention de mouvement ; au moins une caméra de profondeur adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel de l’environnement de la main prothétique, comprenant l’objet à saisir, l’unité de commande étant configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel afin de détecter l’objet à saisir et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte à adapter le positionnement de la main prothétique par rapport à l’objet à saisir.
Par ailleurs, ladite au moins une caméra de profondeur peut, de manière préférée être intégrée entre les éléments correspondant au pouce et à l’index de la main prothétique, dans la paume de la main prothétique, ou encore sur la face opposée à la paume de la main prothétique. De plus, il est également envisageable d’utiliser plusieurs caméras de profondeur, couvrant chacune un champ de l’environnement.
Dans un troisième exemple, la prothèse bionique de membre supérieur selon l’invention est adaptée pour un cas d’amputation de l’avant-bras, c’est-à-dire en dessous du coude. Le premier dispositif d’articulation motorisé, correspondant à l’articulation du poignet, est commandé par l’unité de commande. Alors, le premier dispositif d’articulation motorisé peut, avantageusement présenter trois degrés de liberté. De plus, d’autres dispositifs d’articulation supplémentaires, correspondant notamment aux articulations des doigts, peuvent s’ajouter au premier dispositif d’articulation motorisé.
Dans un quatrième exemple, la prothèse bionique de membre supérieur selon l’invention est adaptée pour un cas d’amputation du bras, c’est-à-dire au-dessus du coude. La prothèse bionique de membre supérieur comprend alors avantageusement un bras prothétique. De plus, pour une prothèse bionique de membre supérieur, ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé comprend en particulier le deuxième dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part à l’avant-bras prothétique et d’autre part au bras prothétique. Autrement dit le deuxième dispositif d’articulation motorisé correspond à l’articulation du coude. Dans ce deuxième exemple, aux trois degrés de liberté du premier dispositif d’articulation motorisé viennent s’ajouter les degrés de liberté du deuxième dispositif d’articulation motorisé.
La présente invention permet avantageusement d’adapter avec plus de précision la position de la main prothétique à l’objet à saisir, permettant ainsi d’améliorer la précision lors de la préhension d’un objet et de rendre la préhension plus naturelle pour l’utilisateur de la prothèse.
En référence à la , le procédé de commande de la prothèse bionique de membre supérieur, suite à une instruction 3 correspondant à une intention de mouvement, comprend :
- la mesure E1 de l’état actuel 17 de la prothèse bionique de membre supérieur comprenant la mesure d’un vecteur directionnel de la main, notamment par l’ensemble d’accéléromètres ;
- l’acquisition E2 par ladite au moins une caméra de profondeur du nuage de points tridimensionnel 16 ;
- le traitement du nuage de points tridimensionnel 16 par l’unité de commande comprenant l’extraction E42 d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel 16 correspondant à l’objet à saisir et l’identification de l’objet à saisir E43, notamment la nature et la forme de l’objet à saisir ;
- le calcul E5 par l’unité de commande des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé de sorte à assurer la préhension de l’objet par la main prothétique ;
- la mise en mouvement E6 de la prothèse bionique.
Notamment, l’extraction d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel correspondant à l’objet à saisir et l’identification de l’objet à saisir peuvent être réalisés au moyen d’algorithmes d’apprentissage.
De plus, comme illustré sur la , le procédé selon l’invention peut comprendre une étape de reconstruction E41 du nuage de points tridimensionnel 16 comprenant l’assemblage d’une pluralité de nuages de points tridimensionnels 16 correspondant à une succession d’acquisition de nuages de points tridimensionnels par ladite au moins une caméra de profondeur. L’étape de reconstruction peut de manière préférée comprendre l’exécution d’un algorithme SLAM (« Simultaneous Localization And Mapping »). L’étape de reconstruction permet avantageusement de reconstituer les zones obstruées afin d’obtenir une perception améliorée de l’objet à saisir, et éventuellement de permettre de limiter le nombre de caméras de profondeur utilisées.
En résumé, la présente invention propose une prothèse bionique pouvant percevoir l’environnement par l’utilisation de caméras de profondeur et un procédé de commande de ladite prothèse bionique. Ainsi, l’invention présente le gain substantiel de réduire le coût mental et physique de l’utilisation d’une prothèse bionique. Par exemple, la personne amputée du membre inférieur n’a plus à se demander si la prothèse bionique est suffisamment levée pour éviter de trébucher dans les escaliers ou sur un terrain non-plat. De la même manière, la personne amputée du membre supérieur n’a plus à se poser la question de la position et de l’effort exercé par la main prothétique pour saisir un objet. Par conséquent, la présente invention permet une mise en mouvement plus naturelle, intuitive, et stable. De plus l’utilisation de la prothèse est simplifiée.
De plus, la présente invention permet d’avoir une maîtrise améliorée des différents degrés de liberté des dispositifs d’articulation motorisés, et de permettre le contrôle de prothèses bioniques présentant un nombre plus important de degrés de liberté. A titre d’exemple, selon l’état de la technique, les prothèses bioniques de membre inférieur conventionnelles ne comprennent généralement qu’un degré de liberté au niveau du premier dispositif d’articulation motorisé correspondant à l’articulation de la cheville. Grâce à l’invention, il est possible d’utiliser un premier dispositif d’articulation motorisé présentant par exemple trois degrés de liberté. Similairement, les prothèses bioniques de membre supérieur conventionnelles ne comprennent généralement qu’un degré de liberté au niveau du premier dispositif d’articulation motorisé correspondant à l’articulation du poignet sous forme d’une rotation infinie. Le nombre de degrés de liberté peut également être augmenté dans ce dernier cas. Ainsi, l’invention offre un champ de mouvement plus large, permettant dans le contexte d’une prothèse bionique de membre inférieur de garder l’équilibre en cas de montée et de descente d’escaliers ou encore en cas de marche arrière, et dans le contexte d’une prothèse bionique de membre supérieur, de saisir des objets délicats tel qu’un fruit ou un verre à pied.

Claims (8)

  1. Prothèse bionique (1) de membre inférieur ou supérieur, comprenant :
    • un segment distal prothétique du membre inférieur ou supérieur, autrement dit un pied prothétique (11) ou, respectivement, une main prothétique, à une extrémité libre de la prothèse bionique (1), adapté pour venir en contact avec un terrain (2) ou, respectivement, avec un objet à saisir ;
    • un segment moyen prothétique, autrement dit un tibia prothétique (12) ou, respectivement, un avant-bras prothétique ;
    • au moins un dispositif d’articulation motorisé (13), un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) étant relié mécaniquement d’une part au segment distal prothétique et d’autre part au segment moyen prothétique ;
    • une unité de commande (14) configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) à partir de signaux de commande (3) correspondant à une intention de mouvement ;
    caractérisée en ce que la prothèse bionique (1) comprend au moins une caméra de profondeur (15) adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement de la prothèse bionique (1), comprenant le terrain (2) ou, respectivement, l’objet à saisir, l’unité de commande (14) étant configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel (16) afin de détecter le terrain (2) ou, respectivement, l’objet à saisir, et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) de sorte à adapter le positionnement du segment distal prothétique par rapport au terrain (2) ou, respectivement, par rapport à l’objet à saisir,
    l’unité de commande (14) étant configurée pour effectuer une reconstruction du nuage de points tridimensionnel (16) comprenant l’assemblage d’une pluralité de nuages de points tridimensionnels (16) correspondant à une succession d’acquisition de nuages de points tridimensionnels (16) par ladite au moins une caméra de profondeur (15).
  2. Prothèse bionique (1) selon la revendication 1, formant une prothèse bionique (1) de membre inférieur, comprenant :
    • un pied prothétique (11) à une extrémité libre de la prothèse bionique (1), adapté pour venir en contact avec un terrain (2) ;
    • un tibia prothétique (12) ;
    • au moins un dispositif d’articulation motorisé (13), un premier dudit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) étant relié mécaniquement d’une part au pied prothétique (11) et d’autre part au tibia prothétique (12) ;
    • une unité de commande (14) configurée pour contrôler ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) à partir de signaux de commande (3) correspondant à une intention de mouvement ;
    caractérisée en ce que la prothèse bionique (1) comprend au moins une caméra de profondeur (15) adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement du pied prothétique (11), comprenant le terrain (2), l’unité de commande (14) étant configurée pour traiter le nuage de points tridimensionnel (16) afin de détecter le terrain (2) et pour commander ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) de sorte à adapter le positionnement du pied prothétique (11) par rapport au terrain (2).
  3. Prothèse bionique (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite au moins une caméra de profondeur (15) consiste en deux caméras de profondeur configurées de sorte à couvrir respectivement un champ avant et un champ arrière de l’environnement du pied prothétique (11).
  4. Prothèse bionique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’il comprend un système de capteurs myoélectriques configuré pour générer les signaux de commande (3) correspondant à une intention de mouvement.
  5. Prothèse bionique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, le pied prothétique (11) présentant un vecteur directionnel du pied (111) orienté substantiellement dans une direction longitudinale du pied prothétique (11), caractérisée en ce qu’il comprend un ensemble d’accéléromètres apte à mesurer le vecteur directionnel du pied (111).
  6. Prothèse bionique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce qu’il comprend un fémur prothétique, ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) comprenant un deuxième dispositif d’articulation motorisé étant relié mécaniquement d’une part au tibia prothétique (12) et d’autre part au fémur prothétique.
  7. Procédé de commande d’une prothèse bionique (1) de membre inférieur ou supérieur comprenant un segment distal prothétique du membre inférieur ou supérieur, autrement dit un pied prothétique (11) ou, respectivement, une main prothétique, configuré pour venir en contact avec un terrain (2) ou, respectivement, avec un objet à saisir ; un segment moyen prothétique, autrement dit un tibia prothétique (12) ou, respectivement, un avant-bras prothétique ; le cas échéant un segment proximal prothétique, autrement dit un fémur prothétique ou, respectivement, un bras prothétique ; au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) ; une unité de commande (14) configurée pour contrôler le dispositif d’articulation motorisé (13) ; au moins une caméra de profondeur (15) adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement de la prothèse bionique (1) comprenant le terrain (2) ou, respectivement, l’objet à saisir, le procédé, faisant suite à une instruction (3) correspondant à une intention de mouvement, comprenant :
    • la mesure (E1) de l’état actuel (17) de la prothèse bionique (1), comprenant la mesure de vecteurs directionnels du segment distal prothétique, du segment moyen prothétique, et le cas échéant du segment proximal prothétique par un ensemble d’accéléromètres ;
    • l’acquisition (E2) par ladite au moins une caméra de profondeur (15) d’un nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement de la prothèse bionique (1) ;
    • une étape de reconstruction (E31, E41) du nuage de points tridimensionnel (16) comprenant l’assemblage d’une pluralité de nuages de points tridimensionnels (16) correspondant à une succession d’acquisition de nuages de points tridimensionnels (16) par ladite au moins une caméra de profondeur (15) ;
    • le traitement du nuage de points tridimensionnel (16) par l’unité de commande (14);
    • le calcul (E5) par l’unité de commande (14) des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) ;
    • la mise en mouvement (E6) de la prothèse bionique (1).
  8. Procédé de commande d’une prothèse bionique (1) selon la revendication précédente adapté pour une prothèse bionique de membre inférieur comprenant un pied prothétique (11) configuré pour venir en contact avec un terrain (2), un tibia prothétique (12), au moins un dispositif d’articulation motorisé (13), une unité de commande (14) configurée pour contrôler le dispositif d’articulation motorisé (13), au moins une caméra de profondeur (15) adaptée pour générer un nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement de la prothèse bionique (1) comprenant le terrain (2), le procédé, faisant suite à une instruction (3) correspondant à une intention de mouvement, comprenant :
    • la mesure (E1) de l’état actuel (17) de la prothèse bionique (1), comprenant la mesure d’un vecteur directionnel du pied (111) orienté substantiellement dans une direction longitudinale du pied prothétique (11) par un ensemble d’accéléromètres ;
    • l’acquisition (E2) par ladite au moins une caméra de profondeur (15) du nuage de points tridimensionnel (16) de l’environnement de la prothèse bionique (1);
    • le traitement du nuage de points tridimensionnel (16) par l’unité de commande (14) comprenant l’extraction (E32) d’un ensemble de points du nuage de points tridimensionnel (16) correspondant au terrain (2), l’étape de reconstruction (E31) du nuage de points tridimensionnel (16), et le calcul de la normale (E34) à une surface définie par ledit ensemble de points, désignée normale au terrain ;
    • le calcul (E5) par l’unité de commande (14) des mouvements à mettre en œuvre par ledit au moins un dispositif d’articulation motorisé (13) de sorte que le vecteur directionnel du pied (111) soit substantiellement perpendiculaire à la normale au terrain ;
    • la mise en mouvement (E6) de la prothèse bionique (1).
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