Motricité bio-inspirée d’un bras artificiel : vers l’intégration de coordinations motrices naturelles dans le contrôle d’une prothèse de membre supérieur

Bio-inspired motion of an artificial arm : towards the integration of natural joint coordination in upper-limb prosthesis control

• Auteur / Autrice : Sébastien Mick
• Direction : Aymar Goullet de Rugy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences cognitives et Ergonomie. Option Sciences Cognitives
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sociétés, politique, santé publique (Talence, Gironde ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Neurosciences cognitives et intégratives d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Michel Guerraz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bastien Berret, Philippe Souères, Serena Ivaldi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bastien Berret, Philippe Souères

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réalité virtuelle en médecine

Activité motrice

Bras artificiels

Mots clés libres

Prothèse de bras

Bras robotique

Contrôle moteur

Coordinations motrices

Bio-Mimétisme

Réalité virtuelle

Arm prosthesis

Robotic arm

Motor control

Motor coordinations

Human-Likeness

Virtual reality

Résumé

Chez l'humain, la perte de fonctions motrices causée par l'absence d'une partie du bras affecte l'autonomie et la capacité à réaliser des tâches du quotidien. Pour rétablir certaines des fonctions perdues, la personne handicapée peut utiliser une prothèse qui remplace la partie absente du bras. Aujourd'hui, les prothèses les plus avancées mesurent l'activité des muscles du moignon pour commander leurs articulations. Cependant, plus le handicap est important, plus nombreuses sont les fonctions motrices à restaurer mais moins nombreux sont les muscles à partir desquels recueillir ces mesures. En vue de surmonter cet obstacle, cette thèse explore comment l'emploi de coordinations motrices, c'est-à-dire de régularités dans les rotations des différentes articulations, peut contribuer au pilotage d'une prothèse de bras. À cette fin, deux plateformes expérimentales intervenant comme substituts à une véritable prothèse sont élaborées~: un bras robotique anthropomorphe à taille humaine, et un bras simulé dans un dispositif de réalité virtuelle. Une première expérience met des participants valides aux commandes de ce bras robotique, piloté de façon à ce que son extrémité reproduise les déplacements de la main du participant. Dans une tâche d'atteinte de cible, elle compare la qualité du pilotage selon que le robot adopte des postures plutôt bio-mimétiques ou biologiquement invraisemblables, pour atteindre avec son extrémité le but défini par le participant. Cette expérience montre que la familiarisation au pilotage du robot est meilleure lorsque ses coordinations articulaires sont proches de celles d'un bras humain. Dans une seconde expérience, des participants valides pilotent un bras virtuel dont l'épaule imite les mouvements de leur propre bras, tandis que ses articulations distales (coude et au-delà) sont commandées artificiellement. Dans une tâche de prise et pose d'objet, elle compare la qualité du pilotage selon que ces articulations distales sont commandées uniquement à partir des rotations de l'épaule réelle, ou en intégrant également des informations contextuelles relatives à la cible à atteindre. Cette expérience révèle que l'inclusion d'informations contextuelles améliore notablement la qualité du pilotage. Dans leur ensemble, ces résultats montrent que les coordinations motrices naturelles sont une source d'informations pertinentes pour le pilotage d'une prothèse de bras et peuvent être employées en combinaison avec d'autres signaux de commande pour enrichir ses capacités motrices. En termes d'applications, ils fournissent des pistes pour la conception de techniques de pilotage exploitant les coordinations motrices naturelles pour piloter plusieurs articulations simultanément.

In humans, the loss of motor functions associated with the absence of part of the arm disrupts autonomy and reduces the ability to carry out tasks of daily life. To restore some of the lost functions, a person with the aforementioned upper limb disability can use a prosthesis which replaces the missing part of the arm. To this day, the most advanced prostheses measure the activity of muscles located in the stump to control their joints. However, a higher level of disability implies that the prosthesis must restore more motor functions with fewer available muscles from which command signals can be measured. In order to overcome this obstacle, this thesis explores how motor coordinations extit{i.e.} regularities in the way the different joints are put in motion, can be used to drive an arm prosthesis. With this aim, two experimental platforms were developed to act as substitutes for an actual prosthesis: a human-like robotic arm, and a simulated arm in a virtual reality setup. In a first experiment, this robotic arm is driven by able-bodied participants so that its endpoint reproduces the motion of their own hand. Based on a target-reaching task, this experiment compares how well participants perform with this control scheme in two distinct conditions. These conditions correspond to two different strategies to choose the robot's postures when placing its endpoint on the goal defined by the participant: rather human-like or biologically implausible. The results show that employing joint coordinations close to those of a human arm elicits better familiarization to the robot's control scheme. In a second experiment, able-bodied participants drive a virtual arm whose shoulder mimics the participant's actual shoulder motion while its distal joints (elbow and lower) are artificially controlled. Based on a pick-and-place task, this experiment compares how efficiently participants manage to drive the virtual arm with two distinct control schemes. One controls these distal joints' rotations solely from the actual shoulder's motion whereas the other uses additional information in the form of contextual, target-related data. The results reveal that including this contextual information notably improves the performance achieved during the task. Overall, these results show that natural joint coordinations provide a relevant source of information for the control of an arm prosthesis and can be combined with other types of command signals to further expand its motor functions. Regarding application to real-life prosthesis use, they provide insight for the design of control schemes employing natural motor coordinations to drive multiple joints simultaneously.