Contrôle biomimétique de prothèses à partir des mouvements résiduels et d’informations contextuelles

Abstract

Bien que pouvant être considérée comme une affection rare, l’absence de tout ou d’une partie du membre supérieur impacte fortement la qualité de vie des personnes en souffrant. Malgré les avancées dans le domaine des prothèses myoélectriques, dont le schéma de contrôle utilise l’activité électrique des muscles résiduels, le manque de signaux musculaires pertinents pour un niveau d’invalidité trans-huméral ne permet pas un déplacement simultané et intuitif des multiples articulations du bras, nécessaire pour transporter la main à des positions et orientations variées compatibles avec la saisie d’objets. En nous inspirant des avancées des contrôles exploitant les mouvements résiduels, nous avons récemment proposé une alternative prometteuse utilisant les prédictions d’un réseau de neurones artificiels, basées sur la position et l’orientation de la cible du mouvement ainsi que la position angulaire courante des articulations résiduelles, pour contrôler les degrés de liberté perdus à la suite d’une amputation trans-humérale. Dans la première série d’expériences présentée dans cette thèse, ce contrôle est adapté à une utilisation par une personne amputée. Pour ce faire, l’intégralité des mouvements du membre supérieur de 10 participants valides, réalisés lors d’atteintes de cibles à des positions et orientations variées, est utilisée pour entraîner un nouveau réseau de neurones, pensé pour être utilisable par une personne amputée. Dans un environnement virtuel, l’utilisation de ce réseau adapté à leur morphologie a permis à 19 participants, dont 7 amputés, d’atteindre des cibles variées sans entraînement préalable avec des taux de réussites très élevés (> 99 %) et des temps d’atteinte comparables à ceux du mouvement naturel. À l’aide de cette même approche, 15 participants, dont 2 amputés et 1 agénésique, ont contrôlé un bras robotique pour saisir des objets réels avec un pourcentage de réussite élevé et des temps d’atteinte compatibles avec un mouvement naturel dans un contexte simplifié où aucun mouvement du tronc ni de l’épaule ne peut être utilisé pour compenser les imperfections du contrôle. Cette approche permet une bonne convergence de la main sur l’objet visé, ce qui offre des perspectives d’application en environnement virtuel pour le traitement des douleurs fantômes. Cependant, elle implique une brusque modification de la configuration distale à chaque changement de cible qu’il convient de mieux prendre en compte pour une application réelle. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle approche est testée pour éliminer cette brusque modification en proposant une transition fluide, déterminée d’après la vitesse de déplacement du moignon et l’écart entre la configuration distale courante et la configuration « objectif » la plus probable. Deux méthodes sont présentées pour définir cette configuration « objectif », soit à partir de la position et de l’orientation de la cible du mouvement seulement, soit en prenant également en compte l’orientation courante du moignon. En réalité virtuelle, ces contrôles assurent une transition fluide avec, cependant, un temps de mouvement allongé, et ont permis à 12 participants valides d’atteindre des cibles à des positions et orientations variées. Les bons résultats obtenus, particulièrement quand l’orientation courante du moignon est prise en compte, permettent d’envisager un passage sur un dispositif réel dont la preuve de principe est apportée dans la dernière étude de cette thèse. Malgré des performances en deçà de celles observées en réalité virtuelle, explicables par la présence de différentes contraintes (e.g. mécatroniques, gestion de la discontinuité, vue non égocentrée, ajout de mouvements compensatoires), les 12 participants valides de cette expérience ont pu saisir la plupart des cibles proposées. Ces résultats pointent la nécessité de réaliser des travaux complémentaires visant à améliorer la gestion de la discontinuité et le dispositif expérimental de test réel.