Brevet FR3036280A1 — publié le 20161125

PROCEDE DE COMMANDE D'UNE PROTHESE CONTROLEE PAR UN MICROCONTRÔLEUR, ET PROTHESE EQUIPEE D'UN MICROCONTRÔLEUR POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE DE COMMANDE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de commande d'une prothèse comprenant une ou plusieurs articulation(s) contrôlée(s) par un microcontrôleur, telle qu'une prothèse de genou, de cheville, ou de genou-cheville destinée à des personnes amputées du membre inférieur par exemple. L'invention concerne également une prothèse équipée d'un microcontrôleur pour la mise en oeuvre dudit procédé de commande. ART ANTERIEUR Il est connu de l'état de la technique des prothèses comprenant une articulation contrôlée par un actionneur dont le degré de freinage en flexion est piloté par un microcontrôleur à partir de données par exemple issues d'un gyroscope et d'un accéléromètre aptes à mesurer respectivement la vitesse angulaire et l'accélération d'au moins une partie de la prothèse. Un tel type de prothèse connu, telle que par exemple une prothèse fémorale genou-cheville notamment décrite dans la demande internationale de brevet n° WO 2014/016424, au nom du Demandeur, comprend un système actionneur hydraulique agencé pour contrôler l'articulation du genou et de la cheville et dont le degré de freinage en flexion est piloté par au moins une vanne, elle-même pilotée par un moteur. Le moteur est quant à lui piloté par le microcontrôleur à partir de données issues par exemple de capteurs, tels qu'un gyroscope détectant la vitesse angulaire du tibia par rapport à l'axe médio-latéral, un accéléromètre mesurant l'accélération du tibia selon l'axe antéro-postérieur, un capteur indiquant l'angle du genou, et une bielle instrumentée par une jauge de déformation permettant d'évaluer le moment de la cheville par rapport à un axe médio-latéral. Le traitement des données issues des capteurs permet la détection des différentes phases de la marche et l'adaptation du genou et de la cheville aux différentes situations parmi la marche à plat, en pente, en escalier, les transitions assis-debout, etc... 3036280 2 Cependant, l'autonomie énergétique de ce type de prothèse, qui est un facteur primordial pour l'utilisateur, dépend de la capacité de la batterie embarquée, de la consommation en tant que telle, et peut être largement augmentée. 5 EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de commande d'une prothèse permettant d'augmenter l'autonomie de fonctionnement 10 de ladite prothèse. A cet effet, il est proposé un procédé de commande d'une prothèse comprenant au moins une articulation contrôlée par un actionneur piloté par un microcontrôleur à partir de données issues d'un gyroscope et d'un accéléromètre aptes à mesurer respectivement la 15 vitesse angulaire et l'accélération d'au moins une partie de la prothèse. Conformément à l'invention, le procédé consiste en ce que, pendant une période de temps déterminée, le microcontrôleur surveille la mesure donnée par le gyroscope de sorte que ledit microcontrôleur passe dans un état de veille en réduisant l'alimentation électrique 20 d'au moins un organe électronique de la prothèse, et de préférence de tous les organes électroniques, à l'exception de celle de l'accéléromètre, lorsque ledit microcontrôleur détecte que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée. 25 Ainsi, lorsque le gyroscope de la prothèse est stable, c'est-à-dire qu'il évalue une absence de mouvement de la prothèse, le microcontrôleur passe à l'état de veille et les organes électroniques de la prothèse sont mis en veille. La mise en veille permet ainsi de réduire la consommation électrique en réduisant l'alimentation des organes électroniques lorsqu'ils ne sont pas utilisés. 30 Avantageusement, pendant la période de temps déterminée durant laquelle le microcontrôleur surveille la mesure donnée par le gyroscope, l'accéléromètre calcule et enregistre la moyenne de l'accélération, de sorte que lorsque l'accéléromètre détecte un écart déterminé entre la valeur de l'accélération mesurée pendant l'état de veille et la valeur de la 3036280 3 moyenne de l'accélération enregistrée avant le passage à l'état de veille du microcontrôleur, l'accéléromètre génère un signal apte à faire passer le microcontrôleur à nouveau dans un état de fonctionnement normal en rétablissant l'alimentation électrique normale du ou des organes électroniques de la prothèse. 5 De cette manière, le procédé permet de passer automatiquement le microcontrôleur de l'état veille à l'état de fonctionnement normal uniquement grâce à l'accéléromètre qui a une consommation d'énergie relativement faible. Le procédé permet donc de réduire ou de couper l'alimentation uniquement lorsque la prothèse ne nécessite aucune alimentation électrique et 10 de passer à nouveau à l'état de fonctionnement normal au moindre besoin en alimentation électrique. L'alimentation de la prothèse est donc gérée en temps réel, et sur mesure en fonction du besoin réel en électricité des organes électroniques. La consommation électrique est optimisée et l'autonomie est augmentée en conséquence. 15 Selon une forme de réalisation particulière du procédé de contrôle selon l'invention, le gyroscope est agencé de sorte à mesurer la vitesse angulaire d'un segment lié à l'articulation prothétique par rapport à un axe médio-latéral, et l'accéléromètre est agencé de sorte à mesurer l'accélération d'un segment lié à l'articulation prothétique selon un axe antéropostérieur. 20 Dans cette configuration, le microcontrôleur contrôle, via différents actionneurs, les propriétés physiques d'une ou de plusieurs articulations de la prothèse lors de la déambulation dans différentes situations que ce soit lors de la marche ou le franchissement de pentes ou d'escaliers. Ce contrôle des articulations peut être réalisé à partir d'une machine d'états. Cette 25 machine d'états contient différents états liés aux phases ou aux instants du cycle de marche (premier double appui, milieu d'appui, fin d'appui unipodal, phase de pré-oscillation, milieu de phase oscillante, fin de phase oscillante, etc...). Le contrôle des articulations de la prothèse est réalisé via des moteurs pour contrôler une propriété de la prothèse dans chacun de ces états (amortissement, position d'une butée hydraulique, etc...). Différents capteurs peuvent être 30 utilisés pour définir les transitions entre ces différents états comme par exemple un capteur indiquant l'angle du genou ou des moyens permettant d'évaluer le moment de la cheville par rapport à un axe médio-latéral, telle qu'une pièce instrumentée par une jauge de déformation par exemple. 3036280 4 Ainsi, le microcontrôleur passe à l'état de veille lorsqu'il détecte, d'une part, que la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant une période de temps minimum, et d'autre part, que la prothèse est dans un état permettant d'assurer la sécurité de l'utilisateur pendant l'état de veille, par exemple un état où la résistance de l'articulation est 5 élevée ou que l'articulation est bloquée. Ainsi, si la machine d'états contient différents états, le passage dans un état de veille n'est possible qu'à partir des états où la prothèse assure la sécurité de l'utilisateur. 10 En d'autres termes, dans cette configuration, lorsque ledit microcontrôleur détecte que la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant une période de temps minimum, cela signifie que le segment prothétique auquel le gyroscope est lié n'a pas de mouvements de rotation. Ainsi, soit le segment prothétique est en translation pure, soit il est immobile. Dans ces deux cas, il n'est plus utile de vouloir détecter de transition entre les 15 états de la machine d'états, ni de vouloir modifier le comportement des articulations prothétiques. Il est alors possible de passer une partie du système dans un état de veille pour économiser de l'énergie et augmenter l'autonomie de fonctionnement de la prothèse. De préférence, lorsque le microcontrôleur passe à l'état de veille, celui-ci coupe 20 l'alimentation électrique d'au moins un organe électronique, et de préférence de tous les organes électroniques de la prothèse, à l'exception de celle de l'accéléromètre. De préférence, le signal généré par l'accéléromètre permet au microcontrôleur de passer à nouveau à l'état de fonctionnement normal et le système retourne dans l'état de la machine 25 d'états dans lequel était le système avant son passage à l'état de veille. L'invention concerne également une prothèse, telle qu'une prothèse de genou, de cheville, ou de genou-cheville, comprenant au moins une articulation contrôlée par un actionneur piloté par un microcontrôleur à partir de données issues d'un gyroscope et d'un 30 accéléromètre aptes à mesurer respectivement la vitesse angulaire et l'accélération d'au moins une partie de la prothèse. Selon l'invention, la prothèse comprend un microcontrôleur apte à surveiller, pendant une période de temps déterminée, la mesure donnée par le gyroscope et à passer dans un état 3036280 5 de veille en réduisant ou en coupant l'alimentation électrique d'au moins un organe électronique de la prothèse, à l'exception de celle de l'accéléromètre, lorsque ledit microcontrôleur détecte que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, d'un procédé de commande d'une prothèse de genou, 10 de cheville, ou de genou-cheville conforme à l'invention, en référence à l'unique figure illustrant un extrait d'une machine d'états sur laquelle est basé un logiciel embarqué dans le microcontrôleur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 L'invention concerne un procédé de commande d'une prothèse pour la mise en veille de ses organes électroniques dans le but de diminuer la consommation d'énergie de ladite prothèse et d'augmenter son autonomie de fonctionnement. 20 Le procédé selon l'invention est applicable à tout type de prothèse ou orthèse intégrant des organes électroniques, telle que par exemple une prothèse de genou, de cheville, ou de genou-cheville destinée à des personnes amputées du membre inférieur. Le procédé selon l'invention sera décrit ci-après en relation avec une prothèse fémorale 25 genou-cheville comprenant un segment fémoral apte à être fixé à une connexion fémorale, et un segment tibial articulé, d'une part, au segment fémoral autour d'une articulation reproduisant les mouvements du genou et, d'autre part, à un pied autour d'une articulation reproduisant les mouvements de la cheville. 30 La prothèse comprend par exemple un système actionneur hydraulique agencé pour contrôler l'articulation du genou et de la cheville et dont le degré de freinage en flexion est piloté par une électrovanne, elle-même pilotée par un moteur. 3036280 6 Le système actionneur hydraulique comporte par exemple un premier vérin hydraulique double effet dont les extrémités sont respectivement solidaires du segment fémoral et du segment tibial, et un second vérin hydraulique double effet dont les extrémités sont respectivement solidaires du segment tibial et du pied par l'intermédiaire d'une bielle. 5 Le moteur est, quant à lui, piloté par un microcontrôleur apte à déterminer la phase de marche, telle que la phase d'appui ou la phase oscillante, et la situation telle que la descente d'un escalier, une pente ou une station debout ou analogue à partir de données issues de capteurs placés sur l'articulation de genou et/ou l'articulation de cheville et/ou le tibia et/ou 10 les vérins. Ces capteurs sont par exemple un gyroscope détectant la vitesse angulaire du tibia par rapport à l'axe médio-latéral, un accéléromètre mesurant l'accélération du tibia selon l'axe antéro-postérieur, un capteur indiquant l'angle du genou, et une bielle instrumentée par une 15 jauge de déformation permettant d'évaluer le moment de la cheville par rapport à un axe médio-latéral. Ledit microcontrôleur pilote la ou les électrovannes de manière à faire varier les résistances à la flexion ou l'extension de l'articulation de genou et/ou de l'articulation de 20 cheville. La flexion du genou autorise par exemple une dorsiflexion de cheville proportionnelle au mouvement du genou au cours de la phase d'appui et la flexion du genou entraine une dorsiflexion de la cheville au cours de la phase oscillante. En fonction de la phase de la marche et de la situation déterminées par le 25 microcontrôleur, le procédé selon l'invention permet de passer ledit microcontrôleur dans un état de veille en réduisant ou en coupant l'alimentation électrique d'au moins un organe électronique de la prothèse, et de préférence de tous les organes électroniques, à l'exception de celle de l'accéléromètre, et laissant ainsi les actionneurs dans la position qu'ils avaient avant le passage à l'état de veille. 30 En effet, tel qu'illustré à la figure 1, pendant une période de temps déterminée, le microcontrôleur surveille la mesure donnée par le gyroscope de sorte que ledit microcontrôleur passe à l'état de veille lorsqu'il détecte que le gyroscope est stable, c'est-à- 3036280 7 dire que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée. La sortie de l'état de veille s'effectue par l'intermédiaire de l'accéléromètre qui détecte 5 une variation de l'accélération mesurée par l'accéléromètre du, soit à un choc sur le tibia, soit à un changement de l'angle du tibia par rapport à la verticale. Avantageusement, et en référence à la figure 1, lorsque le microcontrôleur détecte d'une part, un état permettant d'assurer la sécurité de l'utilisateur pendant l'état de veille, tel qu'un 10 état dans lequel la résistance à la flexion de genou est à une valeur élevée permettant de freiner ou de bloquer le genou sous charge et, d'autre part, que le gyroscope est stable, c'est à dire que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée, ledit microcontrôleur passe à l'état de veille afin d'économiser de l'énergie et d'augmenter l'autonomie de fonctionnement de ladite 15 prothèse en laissant la résistance à la flexion du genou à une valeur élevée. Ainsi si l'utilisateur change brutalement de position ou trébuche, la flexion du genou est contrôlée par une résistance élevée avant même que le microcontrôleur sorte de l'état de veille. Lors de la marche sur sol plat, en pente ou dans les escaliers, les états qui présentent une 20 résistance élevée au mouvement d'une articulation correspondent généralement à la phase d'appui, à l'exception de la fin de cette phase qui correspond notamment à la phase d'initiation de la phase pendulaire. Une autre situation pour une personne appareillée correspond à une phase en appui dans 25 laquelle le genou n'est pas en extension et la personne est en appui sur sa prothèse. Dans cette situation, si une partie de sa prothèse est maintenue immobile pendant la période de temps déterminée, cela signifie que l'utilisateur cherche volontairement à immobiliser son articulation. Il est alors intéressant d'augmenter la résistance à la flexion jusqu'à bloquer le mouvement de l'articulation par exemple dans le sens de la flexion pour le genou, avant que 30 le microcontrôleur ne passe à l'état de veille. L'accéléromètre peut être le seul organe électronique à rester alimenté dans le but de permettre le retour à l'état de fonctionnement normal du microcontrôleur. Pendant la période de temps déterminée durant laquelle le microcontrôleur surveille le gyroscope, en parallèle 3036280 8 l'accéléromètre calcule et enregistre la moyenne de l'accélération sur cette même période de temps, de sorte que lorsque l'accéléromètre détecte un écart déterminé entre la valeur de l'accélération mesurée pendant l'état de veille et la valeur de la moyenne de l'accélération enregistrée avant le passage à l'état de veille du microcontrôleur, l'accéléromètre génère un 5 signal apte à faire passer le microcontrôleur à l'état de fonctionnement normal, dans des conditions correspondant à l'état dans lequel était le microcontrôleur avant de passer à l'état de veille, en rétablissant l'alimentation électrique normale du ou des organes électroniques de la prothèse. L'accéléromètre possède une faible consommation d'énergie par rapport aux autres organes électroniques. Par exemple l'accéléromètre utilisé peut être celui 10 commercialisé sous la référence « LIS3DH » par la société STMicroelectronics, qui intègre une logique de contrôle permettant la réalisation des étapes décrites ci-dessus. Sa consommation typique est de lluA. Le procédé selon l'invention permet donc de commander la mise en veille ou la sortie 15 de la veille par l'utilisation conjointe d'un gyroscope et d'un accéléromètre. Le gyroscope permet la mise en veille en évaluant l'absence de mouvement de la prothèse et l'accéléromètre permet la sortie de la veille en évaluant la variation d'accélération par rapport à celle au moment de la mise en veille. 20 Bien entendu, pour un bon fonctionnement du procédé selon l'invention et de la machine d'états sur laquelle se base le logiciel embarqué dans le microcontrôleur, il convient de choisir des composants électroniques pour la prothèse ayant un temps de réveil relativement faible pour ne pas compromettre la sécurité de l'utilisateur. 25 Enfin, il est bien évident que les exemples qui viennent d'être donnés ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention. L'invention peut bien entendu être adaptée à d'autres domaines, telle que la robotique par exemple. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'une prothèse, telle qu'une prothèse de genou, de cheville ou de genou-cheville, comprenant au moins une articulation contrôlée par un actionneur piloté par un microcontrôleur à partir de données issues d'au moins un gyroscope et un accéléromètre aptes à mesurer respectivement la vitesse angulaire et l'accélération d'au moins une partie de la prothèse, caractérisé en ce que, pendant une période de temps déterminée, le microcontrôleur surveille la mesure donnée par le gyroscope de sorte que ledit microcontrôleur passe dans un état de veille en réduisant ou en coupant l'alimentation électrique d'au moins un organe électronique de la prothèse, à l'exception de celle de l'accéléromètre, lorsque ledit microcontrôleur détecte que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée. 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque le microcontrôleur passe à l'état de veille celui-ci réduit ou coupe l'alimentation électrique de tous les organes électroniques de la prothèse, à l'exception de l'accéléromètre. 3. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le gyroscope est agencé de sorte à mesurer la vitesse angulaire d'un segment lié à l'articulation prothétique par rapport à un axe médio-latéral, l'accéléromètre est agencé de sorte à mesurer l'accélération d'un segment lié à l'articulation prothétique selon un axe antéro-postérieur, et le microcontrôleur passe à l'état de veille lorsque la prothèse est dans un état permettant d'assurer la sécurité de l'utilisateur pendant l'état de veille. 4. Procédé de commande selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'état permettant d'assurer la sécurité de l'utilisateur pendant la veille est un état dans lequel la résistance de l'articulation est élevée ou dans lequel l'articulation est bloquée. 5. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pendant la période de temps déterminée, l'accéléromètre calcule et enregistre la moyenne de l'accélération, de sorte que lorsque l'accéléromètre détecte un écart déterminé entre la valeur de l'accélération mesurée pendant l'état de veille et la valeur de la 3036280 10 moyenne de l'accélération enregistrée avant le passage à l'état de veille du microcontrôleur, l'accéléromètre génère un signal apte à faire passer le microcontrôleur à nouveau dans un état de fonctionnement normal en rétablissant l'alimentation électrique normale du ou des organes électroniques de la prothèse. 5 6. Procédé de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal généré par l'accéléromètre permet au microcontrôleur de passer à nouveau à l'état de fonctionnement normal et dans des conditions correspondant à l'état dans lequel était le microcontrôleur avant de passer à l'état de veille. 10 7. Prothèse, telle qu'une prothèse de genou, de cheville ou de genou-cheville, comprenant au moins une articulation contrôlée par un actionneur piloté par un microcontrôleur à partir de données issues d'au moins un gyroscope et un accéléromètre aptes à mesurer respectivement la vitesse angulaire et l'accélération d'au moins une partie de la 15 prothèse, caractérisée en ce qu'elle comprend un microcontrôleur apte à surveiller, pendant une période de temps déterminée, la mesure donnée par le gyroscope et à passer dans un état de veille en réduisant ou en coupant l'alimentation électrique d'au moins un organe électronique de la prothèse, à l'exception de celle de l'accéléromètre, lorsque ledit microcontrôleur détecte que la valeur absolue de la mesure donnée par le gyroscope est 20 inférieure à un seuil donné pendant la période de temps déterminée.