3.1 Etat de l’art
3.1.1 Les proth` eses commercialis´ ees
Les syst`emes rencontrant actuellement un certain succ`es commercial sont int´eressants `a ´
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a la demande des patients amput´es. Les principaux acteurs du march´e sont OttoBock avec les syst`emes Bebionic v2 Hand et Michelangelo, ¨Ossur avec la main i-LIMB et la proth`ese Vincent evolution 3 de Vincent Systems GmbH [55][56][109]. Il s’agit uniquement de proth`eses de main, mis `a part la proth`ese Michelangelo qui contient une partie de l’avant-bras. La suite de cet ´
etat de l’art est inspir´ee d’une ´etude comparative publi´ee en 2013 d´etaillant les performances et la conception de ces proth`eses [110]. Certaines valeurs sont indisponibles, car les fabricants ne r´ev`elent que rarement les sp´ecifications de leurs syst`emes.
La masse d’une main humaine est d’environ 400g [111]. Les proth`eses commercialis´ees sont en moyenne plus lourdes d’une centaine de grammes (tableau 3.1). Malheureusement, aucune donn´ee constructeur n’est accessible pour la main Vincent. La proth`ese Michelangelo a natu-rellement une masse plus importante, car elle inclut une partie de l’avant-bras.
(a) Bebionic Hand®
(b) Michelangelo®
(c) Vincent evolution 3®
(d) i-LIMB®
Figure 3.1: Principales proth`eses actives du membre sup´erieur commercialis´ees
Conception des doigts
La structure des doigts est sensiblement identique sur toutes ces proth`eses. Les mains Be-bionic, Vincent et i-Limb sont constitu´ees de doigts `a deux phalanges. Les mouvements de
3.1. ´ETAT DE L’ART
la phalange proximale et distale sont coupl´es, chaque doigt ne poss`ede donc qu’un degr´e de mobilit´e (figure 3.2). Un syst`eme 4 barres ou `a cˆable impose une relation de proportionna-lit´e entre l’angle des articulations m´etacarpophalangienne et inter-phalangienne. Le rapport angulaire de la PIP en fonction de la MCP est de 1.27 pour le doigt de la main Vincent, 1.09 pour la i-Limb et 1.14 pour la Bebionic. Ces relations ont ´et´e choisies en accord avec les donn´ees anthropom´etriques afin de recr´eer un mouvement naturel. N´eanmoins, le doigt humain pr´esente un ratio PIP/MCP diff´erent en fonction de la forme des objets `a saisir [112]. De plus, dans les solutions propos´ees, le blocage d’une phalange ´elimine le degr´e de mobilit´e du doigt, empˆechant la seconde phalange d’envelopper l’objet. Cette approche ne garantit pas la stabilit´e de la pr´ehension.
Figure 3.2: Doigts des proth`eses commercialis´ees (haut) et mod`ele cin´ematique des syst`emes de couplage (bas). (a) Vincent evolution, (b) i-Limb , (c) Bebionic, et (d) Michelangelo. θ1 = angle de la liaison m´etacarpophalangienne, θ2 = angle de la liaison inter-phalangienne proximale [110]
Actionnement des doigts
La motorisation de la flexion des doigts contient ´egalement des similarit´es. Les mains Vincent et i-Limb disposent d’un moteur ´electrique dans chaque phalange proximale (figure 3.3). Les doigts sont individuellement command´es par un moteur `a courant continu de 10 millim`etres de diam`etre et d’une puissance de 1.5W. Si le couple fourni par le moteur ne permet pas de r´ealiser de saisie puissante, un engrenage roue et vis sans fin procure une irr´eversibilit´e de la chaˆıne de transmission qui r´esiste `a un effort ext´erieur sans solliciter les moteurs. La main Be-bionic utilise des actionneurs lin´eaires sur-mesure pour chaque doigt. Leurs caract´eristiques ne sont pas disponibles, mais leur efficacit´e a ´et´e quantifi´ee par des essais. La main Michelangelo exploite un moteur synchrone `a aimants permanents Maxon EC45 de 70W pour contrˆoler la flexion simultan´ee des 5 doigts. Comme cette proth`ese est constitu´ee d’une partie de l’avant-bras, l’´electronique et la batterie ont ´et´e d´eport´ees hors de la paume. Le centre de la main comporte le moteur et un excentrique pour d´eplacer une plaque `a la base des doigts et provo-quer la flexion. Une liaison flexible lie le majeur et l’index au moteur, tandis que l’annulaire et l’auriculaire sont actionn´es via des ressorts pour mieux se conformer aux objets `a saisir. La main Michelangelo poss`ede un second moteur bien plus petit pour positionner le pouce en opposition. `A l’instar de la main Michelangelo, la Vincent a ´egalement un moteur d´edi´e `a l’opposition du pouce, alors que la Bebionic et la i-Limb n´ecessitent un effort ext´erieur pour repositionner manuellement la base du pouce.
Figure 3.3: M´ecanisme d’actionnement des doigts. (a) Michelangelo, (c) Vincent, (c) i-Limb [110]
Performances des doigts
Les vitesses de rotation des articulations sont tr`es proches pour toutes ces mains : elles se trouvent autour de 90 degr´es/s (tableau 3.2). Le geste d’ouverture/fermeture est ainsi r´ealis´e
3.1. ´ETAT DE L’ART
Masse (en g) Nombre d’ar-ticulations Nombre de phalanges par doigt Nombre d’actionneurs Puissance des actionneurs (en W) i-Limb 539 11 2 5 1.5 Vincent nc* 11 2 6 0.75 Bebionic 527 11 2 5 nc* Michelangelo 746 6 1 2 70(1)
Table 3.1: Caract´eristiques des principales proth`eses commercialis´ees. *Non communiqu´e.
(1)pour le moteur principal. en environ une seconde.
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A l’inverse, l’effort de saisie est particuli`erement d´ependant du choix de l’actionnement. Pour chaque main, le tableau 3.2 compare l’effort moyen que peut d´evelopper un doigt, ainsi que l’effort de pr´ehension pour une saisie lat´erale et une saisie palmaire. Les mains i-Limb et Vincent® ont des efforts comparables, autour de 4N, justifi´es par l’utilisation de la mˆeme technologie de moteur et de transmission de puissance. Elles compensent cette faible valeur avec un mode ”pulse” qui commande le moteur avec des pics de courant successifs pour accroˆıtre le couple et ainsi augmenter l’effort au bout du doigt. La force en flexion est alors l´eg`erement inf´erieure `a 10N. La main Bebionic tire profit de ses actionneurs lin´eaires pour atteindre environ 15N d’effort maximal. La main Vincent n’´etait pas munie de pouce pendant les essais, les efforts de pr´ehensions n’ont donc pas ´et´e ´evalu´es.
Pour les saisies, la main Michelangelo atteint des efforts de pr´ehension ´elev´es. L’utilisation d’un unique moteur de puissance ´elev´ee (70W contre 5 moteurs de 1.5W dans les autres cas) augmente l’effort maximal admissible. Cependant, l’effort de chaque doigt n’a pas ´et´e mesur´e, car ces doigts ne peuvent ˆetre actionn´es individuellement. De plus, une saisie cylindrique puis-sante est impossible `a r´ealiser, car les doigts ne comportent qu’une phalange. Les autres mains proposent des performances du mˆeme ordre de grandeur : entre 20N et 30N en moyenne, et autour de 60N pour une saisie cylindrique.
Contrˆole des mouvements
Ces proth`eses ne sont command´ees que par deux ´electrodes EMG. Le plus souvent, elles sont plac´ees sur des muscles antagonistes et ont un rˆole bien d´etermin´e. L’´electrode positionn´ee sur un muscle ant´erieur est d´edi´ee `a la fermeture de la main, et l’´electrode du compartiment
Vitesse moyenne des articulations (en rad/s) Effort moyen des doigts (en N) Effort de saisie lat´eral
(en N) effort saisie palmaire (en N) Effort de saisie puissante (en N) i-Limb 95.6 4.4 ou 8.1(1) 17 ou 32.1(1) 10.8 ou 17.1(1) 50 ou 71(1) Vincent 95.6 3.9 ou 8.4(1) nc* nc* nc* Bebionic 96.4 14.5 16.4 22.5 62.4 Michelangelo 86.9 nc* 50.84 78.14 Non atteignable
Table 3.2: Performances des principales proth`eses commercialis´ees. *Non communiqu´e.
(1)Effort de maintien en mode ”pulse”
post´erieur contrˆole l’ouverture. Afin de d´efinir le type de pr´ehension `a r´ealiser, le patient choi-sit parmi des mouvements pr´ed´efinis par le constructeur. Par exemple, la main Michelangelo propose une saisie lat´erale, une saisie en opposition, un pincement entre les doigts, ainsi que les positions de main ouverte et `a moiti´e ouverte [111]. Les autres mains ont un choix plus vari´e grˆace `a l’actionnement individuel des doigts. Les modes comptabilisent une saisie cylindrique puissante ou de pr´ecision, une prise en crochet (type saisie de poign´ee de porte), une saisie lat´erale, et la flexion de tous les doigts sauf l’index. Cette derni`ere position se r´ev`ele id´eale pour appuyer sur un interrupteur ou taper au clavier. La saisie de pr´ecision diff`ere de la saisie puissante par une limitation du couple articulaire. Son objectif est de conserver une cin´ematique de fermeture identique sans d´et´eriorer un objet fragile.
La liste des gestes n’est pas exhaustive et d´epend du choix des fabricants. La s´election du mode peut se faire via un bouton comme celui sur le dos de la main Bebionic, via un smartphone pour la i-Limb1, voir mˆeme par la d´etection de puces ´electroniques astucieusement plac´ees. La proth`ese i-Limb est capable de d´etecter une puce dissimul´ee dans une poign´ee de porte afin de passer en mode ”prise crochet” pour correctement l’attraper.
La commande de ces dispositifs est donc assez rudimentaire. Les lacunes de l’exploita-tion ´electromyographique poussent les constructeurs `a adopter un contrˆole tout-ou-rien en vue d’am´eliorer la r´ep´etabilit´e du d´eclenchement du mouvement. Il s’agit d’une contrainte de conception critique : la commande doit ˆetre reproductible, sinon le sentiment de fiabilit´e est
1. Une interview de Bertolt Meyer, utilisateur de la proth`ese i-Limb, est disponible en ligne https://www. youtube.com/watch?v=3Y6RmByeQkw
3.1. ´ETAT DE L’ART
compromis.
Les d´efauts de cette commande sont en partie compens´es par la conception. Des composants flexibles assurent une d´eformation de la chaˆıne d’actionnement, r´epartissant plus ´equitablement les efforts sur l’objet en contact. Les ressorts et les barres souples de la main Michelangelo ont d´ej`a ´et´e ´evoqu´es. La main Vincent utilise quant `a elle la flexion d’une barre dans la phalange proximale `a la mani`ere d’un ressort de suspension `a lames. Enfin, la i-Limb exploite un ressort qui tol`ere un d´eplacement de la phalange distale ind´ependamment de la MCP. Cette approche prouve qu’une conception adaptative facilite grandement la prise en main pour l’utilisateur. Partant de ce constat, la recherche s’est focalis´ee sur une augmentation de la capacit´e d’adap-tation des mains. La solution actuellement privil´egi´ee est le sous-actionnement.