Conception et fabrication d'une prothèse myoéléctrique biofidèle pour amputés huméraux

La perte du membre supérieur affecte de manière majeure la capacité de l'amputé à réaliser ses activités, qu'elles soient professionnelles, sociales ou du quotidien. L'amputation ne se traduit pas seulement par un déficit mécanique, elle a aussi un impact psychologique important. Les 50 dernières années ont vu des progrès majeurs dans le domaine des prothèses. Ces progrès technologiques principalement dus aux avancées en robotique, miniaturisation et biomédical ont permis de concevoir des prothèses capables d'effectuer tous les mouvements humains et plus encore. Cependant ce progrès s'est fait au détriment de certaines attentes de base des amputés : porter une prothèse d'apparence naturelle dont le contrôle est intuitif à un coût raisonnable. Ce mémoire présente la conception d'une prothèse robotique pour amputés huméraux. Ce design est une alternative aux prothèses existantes et son développement est axé sur les attentes des utilisateurs. Pour faciliter la conception d'une commande intuitive, seules trois mobilités sont conservées : la flexion-extension du coude, la pronation-supination de l'avant-bras et la préhension de la main. Pour favoriser un comportement naturel du bras artificiel, une méthode de conception biofidèle est utilisée. Il en résulte une main anthropomorphique et un mécanisme d'avant-bras parallèle inspiré de la structure osseuse chez l'humain. Pour pallier la diminution du nombre de mobilités de la main, un mécanisme différentiel adaptatif sous-actionné est utilisé pour la préhension. L'assemblage a été pensé et conçu pour être démontable et réparable afin d'être utilisé pour de futurs développements. La fabrication additive a largement été utilisée, les limitations en termes de résistance mécanique et de précision de fabrication ont été prises en compte. Un prototype a été fabriqué. Il a permis de confirmer le potentiel de cette approche alternative et d'identifier ses limitations. À titre indicatif, en plus d'introduire un nouveau mécanisme de pronation supination, la prothèse développée propose une solution de bras artificiel concurrençant l'adaptabilité et l'apparence des solutions commerciales en se rapprochant de leurs mobilités tout en réduisant le coût d'un facteur 10.

Abstract

The congenital or traumatic amputation of upper limbs lead to strong mobility and sociopsychological disabilities. The field of prostheses has seen major progress during the last 50 years. Those technological advances are the results of breakthroughs in robotics, miniaturization and biomedical science. Prostheses can now reproduce all the human arm movements and even more. However, those technological advances were made without taking into account the low user acceptance resulting from the lack of natural appearance and low intuitively of the control combined to excessive pricing. This project presents the design of a myoelectric biofidelic prosthesis for humeral amputees. This design is an alternative to the existing prostheses, the development is user centered. In order to facilitate the design of an intuitive control, the artificial arm uses only three mobility: the elbow's flexion-extension, the forearm's pronation-supination and the hand grasp. A biofidelic approach is used to get a more natural behavior of the prosthesis. This results in an anthropomorphic hand and a parallel mechanism for the forearm inspired by the human one. A differential underactuated adaptive mechanism is used for the grasp to compensate the diminution of driven degrees of freedom of the hand. The assembly is designed to be easily dismounted and repaired so it can be used for further development. Additive manufacturing has largely been used, the limitations in terms of mechanical resistance and manufacturing precision were taken into account. A prototype has been produced. It has confirmed the potential of this alternative design and has also identified the drawback of this solution. It introduces a new mechanism for the artificial limb's pronation supination and while challenging adaptability and appearance of commercial prosthesis, it stays close to their mobility and reduce their cost of a factor 10.