Investigations on upper limb prosthesis control with an active elbow

par Manelle Mérad

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Nathanaël Jarrassé et de Agnès Roby-Brami.

Soutenue le 01-12-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique / ISIR (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Sigaud.

Le jury était composé de Jean Paysant.

Les rapporteurs étaient Raoul Bongers, Christine Azevedo-Coste.

  • Titre traduit

    Etude de la commande d'une prothèse de membre supérieur incluant un coude actif


  • Résumé

    Les progrès de la mécatronique ont permis d’améliorer les prothèses du membre supérieur en augmentant le catalogue des mouvements prothétiques. Cependant, un fossé se creuse entre les capacités technologiques de la prothèse et leur méthode de contrôle. La commande myoélectrique, qui est la méthode la plus répandue, reste complexe, notamment pour les personnes amputées au niveau trans-huméral qui peuvent avoir un coude actif en plus de la main et du poignet motorisés. Une approche intéressante consiste à utiliser la mobilité du membre résiduel, présente chez la plupart des amputés trans-huméraux, pour contrôler des articulations prothétiques distales comme le coude. Les mouvements du coude sont couplés aux mouvements du membre résiduel selon un modèle de coordination épaule/coude saine. Cette thèse étudie une stratégie de commande d’un coude prothétique utilisant les mouvements du membre résiduel, mesuré par des centrales inertielles, et nos connaissances du contrôle moteur humain. Pour cela, un modèle de la coordination épaule/coude a été construit à partir d’enregistrements de gestes sains de préhension. Ce modèle, implémenté sur un prototype de prothèse, a été testé par 10 individus sains équipés du prototype afin de valider le concept, puis par 6 personnes amputées. Ces dernières ont aussi réalisé la tâche avec une commande myoélectrique conventionnelle afin de comparer les résultats. La commande couplant automatiquement les mouvements de l’épaule et du coude s’est montrée satisfaisante en termes de facilité d’utilisation et de réduction des stratégies de compensation.


  • Résumé

    Progress in mechatronics has enabled the improvement of upper limb prosthetics increasing the grasps catalog. However, a gap has been growing between the prosthesis technological possibilities and the methods to control it. Indeed, common myoelectric control strategy remains complex, especially for transhumeral amputees who can have an active elbow in addition to a prosthetic wrist and hand. Since most transhumeral amputees have a mobile residual limb, an interesting approach aims at utilizing this mobility to control intermediate prosthetic joints, like the elbow, based on the shoulder/elbow coordination observed in healthy movements. This thesis investigates the possibility of controlling an active prosthetic elbow using the residual limb motion, measured with inertial measurement units, and knowledge of the human motor control. A primary focus has been targeting the reaching movement for which a model has been built using regression tools and kinematic data from several healthy individuals. The model, implemented on a prosthesis prototype, has been tested with 10 healthy participants wearing the prototype to validate the concept, and with 6 amputated individuals. These participants also performed the task with a conventional myoelectric control strategy for comparison purpose. The results show that the inter-joint coordination-based control strategy is satisfying in terms of intuitiveness and reduction of the compensatory strategies.


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