Brevet FR2979537A1 — publié le 20130308

La présente invention concerne un dispositif de contrôle d'une prothèse de genou pour amputé transfémoral. Le contrôle d'une prothèse est traditionnellement réalisé par la synchronisation du mouvement de la marche par des capteurs d'effort disposés dans la cheville ou le talon et 5 par une mesure angulaire de l'angle fémur tibia. Ce dispositif traditionnel n'assure qu'un contrôle imparfait de la prothèse, les efforts exercés sur le talon et la valeur de l'angle étant soumis à de fortes fluctuations en fonction des variations de pente du terrain où le sujet marche. Il ne restitue pas non plus la fonction d'équilibre naturel d'un membre inférieur, et ne permet pas de monter et descendre des 10 escaliers en contrôlant l'arrêt du mouvement à chaque instant ou bien de se lever d'une chaise ou de s'asseoir en contrôlant le mouvement pour l'interrompre. Le dispositif de contrôle selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte en effet en première caractéristique un dispositif électronique de mesure de l'accélération de la pesanteur donnant à la prothèse une référence de la verticale (1) 15 invariante quelle que soit la pente du terrain, et un calculateur qui détermine la position du tibia prothèse (3) en fonction de la position du fémur (2) (moignon) donnée par l'utilisateur. En utilisant la fonction naturelle d'équilibre telle qu'elle est réalisée spontanément par le cerveau, le dispositif de contrôle restitue des fonctions du mouvement, marcher, se lever, s'asseoir, par la seule position normale du fémur (2) dans 20 les différents mouvements. Selon des modes particuliers de réalisation le dispositif de contrôle peut piloter des prothèses mécaniques, électriques, hydrauliques ou pneumatiques. Quand le sujet marche, le tibia (3) est orienté par le dispositif de contrôle selon une 25 consigne fonction de l'angle du fémur (2) par rapport à la verticale. Cette consigne peut être corrigée pour la marche rapide par une pondération de la vitesse de rotation du fémur (2) afin d'améliorer la démarche. Le dispositif de contrôle dans le mouvement de la marche s'écrit par conséquent après linéarisation 30 tetatibia = K* tetafemur + constante K > 0 sur l'arrière K proche de 0 sur l'avant où : tetatibia est l'angle consigne du tibia (3) fourni par le dispositif de contrôle par rapport à la verticale (1) tetafemur est l'angle mesuré du fémur (2) par rapport à la verticale K est un coefficient positif, variable selon que le tibia se trouve en avant ou en arrière, le mouvement vers l'avant étant limité par la butée naturelle de l'articulation du genou (5). La constante est fonction de l'équilibre statique du sujet au repos Dans un mouvement différent de la marche, pour monter une marche d'escalier (6) par exemple, la consigne d'inclinaison du tibia (3) est, pour un angle faible d'inclinaison du fémur (2) destiné à soulever le pied prothèse (4), un angle égal ou proche mais de signe inverse ( Figure 1), c'est-à-dire que le coefficient K devient ici un nombre négatif. tetatibia = K'* tetafemur + constante K' 0 sur l'arrière Dans la continuité de ce mouvement et pour un angle haut plus fort du fémur (2) correspondant à une hauteur de contremarche d'escalier, la consigne donnée au tibia (3) par le dispositif de contrôle devient un angle proche de la verticale (1), ce qui entraîne une rotation vers l'avant du tibia prothèse (3) pour la phase d'appui sur le giron (Figure 2). L'appui du pied prothèse (4) en supprimant un degré de liberté au mouvement alors que la consigne du dispositif de contrôle reste identique, permet au sujet de contrôler le mouvement par la seule recherche d'équilibre sur le giron. En effet, la montée d'escalier (6) découle naturellement de la poussée du pied valide sur le giron inférieur qui entraîne un déplacement du corps sur l'avant avec une recherche d'appui en avant du pied prothèse (4). Cet appui, en provoquant naturellement une rotation vers l'avant du tibia prothèse (Figure 3) alors que la même consigne que celle décrite précédemment dans la phase de recherche de l'appui est donnée par le dispositif de contrôle au tibia prothèse (3), a pour effet d'induire une rotation du fémur (2) commandée par la motorisation de la prothèse (Figure 3). Quand l'angle du fémur se rapproche de la verticale, et dans un effet réciproque de celui décrit au début de la séquence, l'angle fémur tibia continue de s'ouvrir pour finaliser la station jambe droite sur le giron, aussi longtemps que le sujet recherche un équilibre avant et maintient un angle fémur (2) plus faible que l'angle tibia (3) par rapport à la verticale (1), conformément au dispositif de contrôle décrit. La prothèse exerce donc une poussée identique à celui d'un membre normal sollicité dans une recherche d'appui sur l'avant du pied. L'amputé contrôle ainsi la prothèse à partir de sa propre sensation de verticalité. Par effet réciproque, le dispositif de contrôle cité permet la descente d'escalier. Le dispositif de contrôle peut être associé, sans que cette caractéristique soit indispensable, à une motorisation de la cheville et du pied (4) qui accompagne le 5 mouvement du tibia (3). Complété par une consigne de déploiement du genou (5) vers l'avant pour un angle fort du tibia (3), le dispositif de contrôle permet le franchissement d'obstacles au sol. De même il contribue à permettre soit de se lever puisque dans ce mouvement le sujet est en recherche d'appui avant, soit de d'asseoir puisque le sujet se trouve dans la situation 10 réciproque d'appui arrière et que la suppression du degré de liberté du pied (4) dans ces deux cas, procure la poussée d'une jambe normale nécessaire au maintien de l'équilibre tel qu'il est recherché lorsqu'on se lève ou que l'on s'assoit. Le passage d'un mode de consigne K positif à un mode de consigne K' négatif nécessaire au franchissement d'escalier est réalisé par un capteur de proximité (11) qui détectant un 15 obstacle devant le pied active automatiquement la consigne appropriée. De même, un capteur de proximité situé en arrière (12) assure cette fonction pour s'asseoir et se lever. Selon des modes particuliers de réalisation, la formule du dispositif de contrôle est susceptible de variantes en ajoutant un coefficient de pondération de vitesse de rotation du fémur (2) pour rendre la démarche plus fluide, ou en l'exprimant sous différentes formes 20 non linéaires qui après linéarisation au premier ordre rejoignent la formule explicitée. Les dessins annexés illustrent le dispositif de contrôle objet de l'invention. La Figure 1 montre le soulèvement du pied (4) avec un degré de liberté, la Figure 2 montre la rotation précédent la phase d'appui sur le giron, et la Figure 3 montre l'effet de poussée obtenu 25 quand l'appui sur le pied (4) supprime un degré de liberté à l'ensemble tibia (3) fémur (2). En référence à la Figure 4, l'invention peut être réalisée au moyen d'un genou muni d'un moteur électrique(7), disposant d'un capteur de l'accélération de la pesanteur (verticale) (8) disposé dans la partie supérieure au niveau du fémur (2) et d'un capteur (9)disposé 30 dans la partie tibia (3), ce dernier capteur (9) pouvant être remplacé dans une variante par un capteur angulaire mécanique, optique ou électrique placé au niveau du genou (5) Les informations angulaires de ces deux capteurs par rapport à la verticale, sont transmises à un calculateur (10) qui génère la consigne de contrôle délivrée au moteur (7).Le moteur électrique (7) exerce une force sur l'ensemble fémur (2) tibia (3) selon la consigne objet de l'équation citée. Deux capteurs de détection de proximité, acoustiques ou optiques, disposés, l'un vers l'avant (11), l'autre vers l'arrière (12), servent à la sélection du mode de coefficient positif ou négatif décrit plus haut, négatif étant associé à la présence d'un obstacle ou d'un fauteuil détecté par l'un des deux capteurs de proximité. Le dispositif de contrôle selon l'invention est particulièrement destiné à contrôler les prothèses motorisées de type électrique. REVENDICATIONS1) Dispositif de contrôle de commande d'une prothèse de genou pour amputé transfémoral caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure de l'accélération de la pesanteur comme référence verticale (1) et un calculateur qui détermine la position de la partie tibia de la prothèse en fonction de la position du fémur ( moignon) donnée par l'utilisateur. 2) Dispositif de contrôle de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de référence de mesure de l'accélération de la pesanteur (8) placé au niveau de la partie fémur (2) et un capteur au niveau de la partie tibia. 3) Dispositif de contrôle de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de référence de mesure de l'accélération de la pesanteur (8) placé au niveau du fémur et un capteur angulaire placé au niveau de la partie tibia. 4) Dispositif de contrôle de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique intégré dans la prothèse du genou. 5) Dispositif de contrôle de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le calculateur est agencé pour recevoir les informations angulaires des deux capteurs par rapport à la verticale et pour générer une consigne de contrôle délivrée au moteur. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la consigne de contrôle est définie par la formule suivante tetatibia = K* tetafemur + constante K > 0 sur l'arrière K proche de 0 sur l'avant où : tetatibia est l'angle consigne du tibia (3) fourni par le dispositif de contrôle par rapport à la verticale (1) tetafemur est l'angle mesuré du fémur (2) par rapport à la verticaleK est un coefficient positif, variable selon que le tibia se trouve en avant ou en arrière, le mouvement vers l'avant étant limité par la butée naturelle de l'articulation du genou (5). La constante est fonction de l'équilibre statique du sujet au repos. 7) Dispositif de contrôle de commande selon la revendication précédente caractérisé en ce que les signes des coefficients de la formule du dispositif de contrôle sont inversés selon que la prothèse est utilisée pour marcher ou pour chercher un appui sur un obstacle comme une montée d'escalier et en ce qu'il comprend sur l'avant de la prothèse un détecteur de proximité acoustique ou optique (11) de l'obstacle qui commande le basculement d'un signe vers un autre. 8) Dispositif de contrôle de commande selon la revendication 6 caractérisé en ce que les signes des coefficients de la formule du dispositif de contrôle sont inversés selon que la prothèse est utilisée pour marcher ou pour chercher un appui pour se lever ou s'asseoir et en ce qu'il comprend sur l'arrière de la prothèse un détecteur de proximité acoustique ou optique (12) du fauteuil qui commande le basculement d'un signe vers un autre. 25 30