Brevet FR2509603A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne un procédé pour la commande d'orthèses et de prothèses à partir de signaux myoélectriques. L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. Il est connu de prélever des signaux de tension sur des muscles peauciers, notamment des muscles faciaux tels que nasalis et frontal s, pour asservir des moteurs qui animent des prothèses remplaçant un membre manquant ou des orthèses qui sont des armatures destinées à animer un membre dont les muscles sont défaillants. Chaque muscle, excité volontairement par le sujet, actionne sélectivement les moteurs correspondants aux diverses articulations du membre intéressé. Il est ainsi possible de réaliser des mouvements élémentaires successifs et des mouvements complexes. Toutefois, les signaux myoélectriques recueillis se présentent sous la forme d'une succession d'oscillations aléatoires (souvent appelées "spikes") ayant une valeur moyenne nulle , de sorte qu'il est impossible, à partir d'un muscle donné, d'obtenir une information supplémentaire relative au sens du mouvement. Le nombre de muscles dont on dispose étant limité, il est pratiquement exclu de faire intervenir deux muscles pour chaque mouvement. Une solution connue consiste à coder le sens du mouvement par la durée du signal myoélectrique, mais elle n'est pas satisfaisante car, outre le fait qu'elle impose une certaine fatigue au sujet, elle n'est pas naturelle et est donc d'un apprentissage difficile. Par ailleurs, une solution de ce genre ne résout pas un autre problème, qui est celui de la reconstitution de ltesthiétique du mouvement naturel. En effet, les procédés connus réalisent des mouvements saccadés, rappelant les automates, qu'il s'agisse de mouvements élémentaires ou d'un mouvement complexe résultant de la succession ou de la superposition de tels mouvements. Or, dans le mouvement naturel, le mouvement lent, ou ralenti en fin de course, bénéficie d'un freinage faisant intervenir un muscle agoniste et des forces de viscosité intra-musculaire qui ne sont plus présents chez le sujet paralysé ou amputé. La présente invention vise à réaliser un procédé et un dispositif de commande utilisant un codage du sens des mouvements d'un apprentissage facile et qui reproduise de façon relativement satisfaisante l'es- thétique des mouvements naturels. Suivant un premier aspect de l'invention, le procédé pour la commande d'orthèses et de prothèses par signaux myoélectriques consiste à asservir des moteurs électriques animant ces appareillages à des signaux myoélectriques prélevés sur des muscles peauciers. Il est caractérisé en ce qu'on élabore des signaux représentant les enveloppes respectives de signaux myoélectriques redressés provenant de muscles distincts, en ce quton compare ces enveloppes entre elles et à un seuil prédéterminé, et en ce qu'on interprète le résultat de ces comparaisons suivant un code prédéterminé pour actionner les moteurs de l'appareillage en vue de réaliser un mouvement souhaité. L'appel à deux muscles permet de codifier un mouvement donné suivant ses deux sens possibles, au prix d'un apprentissage simple et d'une pratique peu fatigante. Si en outre on fait intervenir la comparaison avec un seuil donné, la codification s'en trouve encore enrichie. Suivant une réalisation préférée de l'invention, on ralentit la descente des signaux d'enveloppe par filtrage. Grâce à ce ralentissement, on ménage un amortissement du mouvement en fin de course, qui permet de retrouver l'harmonie du mouvement naturel. Suivant un second aspect de l'invention, le dispositif pour la commande d'orthèses et de prothèses par signaux myoélectriques, comprend un certain nombre de détecteurs de tension à appliquer sur des muscles peauciers et un certain nombre de moteurs pour actionner l'appareillage, commandés à partir des signaux émis par les détecteurs. Il est caractérisé en ce qu'il comprend un premier filtre actif passe- bas pour élaborer un signal représentant ltenveJoppe des signaux myoélectriques redressés, et un discriminateur pour comparer entre eux et à un seuil prédéterminé les signaux enveloppes précités en fonction d'un code prédéterminé, ce discriminateur étant relié à des entrées d'asservissement des moteurs de l'appareillage. De préférence, le dispositif comprend un second filtre actif linéaire à grande constante de temps pour ralentir la descente du signal enveloppe. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma des impulsions myoélectriques telles que fournies par le muscle, - la figure 3 est le schéma d'une impulsion traitée par le dispositif, - la figure 4 montre un certain nombre de configurations d'impulsions. En référence à la figure 1, le dispositif de commande comprend deux détecteurs 1 et 2 d'un type connu agencés pour être appliqués sur la peau et prélever des tensions myoelectriques produites, dans l'exemple décrit, respectivement par les muscles nasalis et frontalis. Chacun de ces détecteurs est relié en série par l'intermédiaire d'un amplificateur 3, à un filtre 4 prévu pour éliminer les parasites du secteur, à un étage 5 de redressement et de filtrage actif passe-bas, et à un étage 6 de filtrage linéaire à grande constante de temps. Les étages 6 sont reliés, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique 7, à un discriminateur 8 dont la structur#e est facilement accessible à -l'homme de l'art sur le vu des fonctions qu'il doit exécuter et qui seront décrites plus loin. Les-signaux de sortie du discriminateur 8 sont acheminés sélectivement, par l'intermédiaire de convertisseurs numériqu#-analogique 9 et de filtres linéaires 11 à grande constante de temps vers des bornes HB, PL, GD et OFP qui sont reliées à des commandes d'asservissements de moteurs d'une orthèse, à savoir E (épaule), C (coude) et P (pince). On notera que le -circuit aboutissant à la borne OFP ne comporte pas de filtre. Les signaux myoélectriques élémentaires se présentent-sous la forme de brèves impulsions 12 (figure 2) approximativ-ement -sy-netr-iques. dans le cas d'un travail notable du muscle, -on obt-ient le signal myoélectrique utilisable 13, à valeur moyenne nulle. Le passage dans l'étage 5 de redressement et de filtrage actif passe-bas a pour effet de redresser le signal et de le lisser suivant 14 (figure 3). Le mouvement est ainsi lancé balistiquement avec une vitesse proportionnelle à l'amplitude du signal musculaire. En outre, le passage dans le filtre linéaire 6 à grande constante de temps a pour effet de ralentir la descente du signal suivant 1#a. il en résulte que la commande des moteurs de l'orthèse décroît de façon progressive et restitue l'esthétique des mouvements naturels, par opposition aux mouvements saccadés des automates classiques. Pour décrire le fonctionnement du discriminateur 7, on va supposer que, pour faire mouvoir son bras (épaule, coude, pince), le sujet utilise les muscles nasalis (N) et frontalis (F), de manière à appliquer à l'entrée du discriminateur des impulsions telles que représentées sur la figure 4. On supposera d'autre part que le discriminateur 8 est codé de la façon suivante relativement aux bornes de sortie: 1. Le muscle nasalis est seul activé (figure 4-a); alors les bornes PL (près-loin), GD (gauche-droite) et OFP (ouverture-fermeture de la pince) sont activées respectivement sur les valeurs "loin", "gauche" et "ouverture de la pince". La tâche pratique correspondante demandée par le sujet consiste, à partir du bras replié à droite, à saisir un objet situé devant, dans le plan de travail. La pince se referme automatiquement en fin de mouvement. 2. Le muscle frontalis est seul activé (figure 4-b); alors les bornes PL et GD sont activés en sens contraire, et l'on obtient le mouvement de retour du mouvement précédent, la pince P demeurant fermée. 3. Les deux muscles sont activés, mais le niveau nasalis est supérieur au niveau frontalis (figure 4-c); alors les bornes HB (haut-bas) et PL sont activées suivant "haut" et "près". La tâche pratique correspondante consiste à porter un objet à la bouche, la pince étant fermée. 4. Les niveaux respectifs du cas précédent sont intervertis (figure 4-d); on obtiént alors "bas" et "loin" sur les sorties HB et PL, et la tâche correspondante est l'inverse de la précédente. 5. Les niveaux sont sensiblement égaux (figure 4-e); on obtient alors un ordre d'asservissement "bas" "près" sur les bornes HB et PL. On notera que ce dernier codage est d'un apprentissage un peu plus difficile que les précédents qui# sont au contraire, très simples et peu fatigants. Pratiquement, le discriminateur fait intervenir un seuil S de comparaison pour constater l'activation ou la non-activation de chaque muscle. Il est possible de définir deux positions de code supplémentaires en combinant les positions 1 et 2 précitées, par une activation alternative suivant "loin-gauche" et "haut-près" qui donne un mouvement "haut-gauche", ou en combinant 2 et 4, cette seconde combinaison donnant le mouvement " bas-droite" inverse du précédent. Pratiquement, ces combinaisons s'obtiennent en activant l'un des muscles en commande de vitesse proportionnelle au signal musculaire et en modulant l'activité de l'autre autour de la valeur de seuil S. On dispose ainsi de 7 types de tâches impliquant des mouvements complexes réalisables dans la zone d'atteinte du sujet au moyen de seulement deux muscles. Il est évident que l'invention se prête aussi bien à l'utilisation de trois muscles, ce qui enrichit considérablement le domaine des tâches possibles. En s'en tenant aux positions de code telles que les positions 1 à 4 précitées, c'est-à-dire en éliminant les cas de deux muscles actifs à des niveaux identiques et les cas de mouvements alternés, on obtient 12 possibilités de configuration, toutes relativement faciles à mettre en oeuvre et à apprendre. La valeur S du seuil de discrimination de la présence d'un signal est de 5% du niveau d'excitation du muscle. Quand deux muscles sont actifs simultanément, ils sont considérés comme donnant des signaux égauxgaux si la différence est inférieure à 10% du niveau maximum. La constante de temps importante des filtres permet d'éliminer les discriminations trop brèves de configurations musculaires et les activités électriques parasites. L'invention résout donc le problème de la définition du sens des mouvements, non seulement dans le cas de mouvements élémentaires, mais également dans le cas de mouvements complexes, et ce sans faire appel à des activations fatigantes ou difficiles à apprendre. Elle résout également le problème de l'esthé- tique du mouvement, aussi bien d'ailleurs dans le cas d'une succession de mouvements élémentaires, les transitions entre ces mouvements étant harmonieusement amorties en pa#rticulier par les filtres 11. A cet avantage se superpose celui de ne pas nécessiter de contraction soutenue pendant toute la durée du mouvement, ce dernier étant lancé balistiquement à vitesse proportionnelle, puis freiné progressivement dans les conditions précitées, ce qui n'est pas le cas dans les réalisations connues. L'approche balistique de la cible est réajustée par des actions secondaires qui vont en diminuant au cours de l'apprentissage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais peut s'assortir de réalisations pratiques technologiquement équivalenteS, telles que des réalisations analogiques. Elle peut également s'appliquer indifféremment à des orthèses ou à des prothèses. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la commande d'orthèses et de prothèses par signaux myoélectriques, consistant à asservir des moteurs électriques animant ces appareilla ges à des signaux myoélectriques prélevés sur des muscles peauciers, caractérisé en ce qu'on élabore des signaux représentant les enveloppes respectives de signaux myoélectriques redressés provenant de muscles distincts, en ce qu'on compare ces enveloppes entre elles et à un seuil prédéterminé, et en ce qu'on interprète le résultat de ces comparaisons suivant un code prédéterminé pour actionner les moteurs de l'appareillage en vue de réaliser un mouvement souhaité. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ralentit la descente des signaux d'enveloppe par filtrage. 3. Dispositif pour la commande d'orthèses et de prothèses par signaux myoélectriques, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, comprenant un certain nombre de détecteurs de tension (1, 2) à appliquer-sur des muscles peauciers et un certain nombre de moteurs (E, C, P) pour actionner l'appareillage, commandés à partir des signaux émis par les détecteurs, caractérisé en ce qu'il comprend un premier filtre actif passe-bas (5) pour élaborer un signal (14) représentant l'enveloppe des signaux myoélectriques redressés, et un discriminateur (8) pour comparer entre eux et à un seu-il prédéterminé (S) les signaux enveloppes précités en fonction d'un- code- pré-déterminé,- ce discriminateur étant relié à des entrées d'asservissement des moteurs de l'appareillage. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un second filtre actif (6,9#) linéaire à grande constante de temps pour ralentir la descente (14a) du signal enveloppe.