Smart ArM : repousser les limites du corps humain grâce à la technologie

Home
En vue du Cybathlon 2020, compétition internationale unique pour concurrents en situation de handicap autorisés à utiliser des technologies d'assistance bionique, une équipe de chercheurs français de l'Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (ISIR) à Paris a développé le projet "Smart ArM" : une prothèse de bras conçue pour les amputés transhuméraux, c'est-à-dire au-dessus du coude. Fruit de plusieurs années de recherche, la conception de cette prothèse a représenté un véritable challenge car elle impliquait de développer un nouveau type de coude prothétique. Retour sur une prouesse technologique et une belle aventure humaine. En raison de la pandémie de Covid-19, le Cybathlon 2020 ne sera finalement pas maintenu dans son format original en septembre. Néanmoins, le comité d’organisation travaille actuellement sur un nouveau concept pour permettre aux équipes de concourir et de présenter leurs innovations à l’automne 2020.

Tags


Author

Expert maxon France

Un projet ambitieux, pour répondre aux besoins d’appareillage d’un handicap particulier

Moins courante que l'amputation d'avant-bras ou de main, l'amputation de bras est restée pendant longtemps relativement peu étudiée dans la recherche. Il est question ici d'une amputation au-dessus du coude, ou d'une agénésie totale d'avant-bras, soit une absence depuis la naissance. Alors même que ce handicap concerne principalement une population de jeunes actifs désireux d'être appareillés, il n'existe actuellement pas ou peu de solutions prothétiques adaptées.

Face à ce constat, une équipe de chercheurs de l'Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (ISIR) a lancé en 2014 des recherches en ce sens. Regroupés au sein de l'équipe AGATHE (Assistance au Geste et Applications THErapeutiques), ces chercheurs ont obtenu des résultats prometteurs quant à des prothèses de membre supérieur. "Après avoir assisté en tant que spectateurs à la première édition du Cybathlon en 2016, nous avons eu envie de monter une équipe pour promouvoir notre vision et nos innovations", explique Nathanaël Jarrassé, chargé de recherche CNRS à l'ISIR et manager du projet Smart ArM, passionné par l'optimisation du corps humain.

«Il est aussi important pour moi de participer à cet évènement qui veut faire changer le regard sur les personnes appareillées, pour faire voir le côté extraordinaire du couple ‘’utilisateur-prothèse’’»

Couplage homme-machine

Restait à trouver un pilote. Après plusieurs recherches infructueuses, c'est finalement grâce à une discussion avec un collaborateur de maxon, partenaire du Cybathlon et fournisseur de moteurs pour l'ISIR, que le candidat idéal sera trouvé. Il s'agit de Christophe Huchet, ancien gérant de restaurants parisiens, reconverti en coach pour les dirigeants de PME.

Né avec une agénésie de l’avant-bras droit, il a derrière lui une importante carrière de nageur, en tant que multiple champion de natation handisport, mais aussi valide. « Ce projet me remet dans la compétition sportive et dans la dynamique associée que j’ai bien connues dans ma carrière de nageur, mais cette fois au service d’une cause forte : aider les autres et faire progresser la technologie et avancer la société. Il est aussi important pour moi de participer à cet évènement qui veut faire changer le regard sur les personnes appareillées, pour faire voir le côté extraordinaire du couple ‘’utilisateur-prothèse’’ et pour promouvoir cette alliance du corps et de la technologie qui rend en quelque sorte le handicap ‘’beau’’. », explique Christophe Huchet.

Pour prendre part au Cybathlon, l'équipe Smart ArM a été créée en 2018. Elle est composée d'un pilote donc, d'un manager et d'une équipe technique de 11 personnes de l'ISIR, soutenus par des chercheurs de l'ISM-Univ Aix-Marseille, et une équipe médicale (IRR Nancy UGECAM Nord Est). Un tel projet regroupe en effet des domaines de recherche très différents, de la mécatronique à l'informatique, en passant par les neurosciences et la physiologie, pour interfacer correctement la prothèse avec le corps.

"Notre participation au Cybathlon était motivée par plusieurs objectifs, dont la promotion des innovations technologiques de l'ISIR, testées dans le contexte intense d'une compétition. Nous souhaitions aussi attirer l'attention du grand public sur ces handicaps particuliers, tout en communiquant sur les possibilités et les limites réelles des technologies robotiques d'assistance", détaille Nathanaël Jarrassé. Le projet Smart ArM souligne en effet le rôle majeur que joue l'humain dans le couplage "homme-machine", pour lequel on a trop souvent tendance à croire que le succès relève du seul fait de la technologie.

De nombreuses difficultés de conception

Pour appareiller son pilote, l'équipe Smart ArM a fait face à plusieurs difficultés. La plus grande a consisté à développer une articulation prothétique de coude dite "exo-squelettique", compatible avec l'anatomie de Christophe Huchet. "Contrairement à un membre résiduel d'amputé de bras, - généralement raccourci par l'acte d'amputation -, son bras fait la longueur d'un bras normal et de ce fait laisse très peu de place à l'installation d'une articulation prothétique endo-squelettique classique de coude", précise Nathanaël Jarrassé. Ainsi, les chercheurs ont fait le choix de déporter l'actionnement de façon latérale, afin de pouvoir placer l'axe de l'articulation de coude prothétique de façon optimale.

Mais c'était loin d'être le seul challenge posé par la prothèse Smart ArM. Etant donné qu'il a été conçu pour participer au Cybathlon, le prototype devait être capable de résister à une utilisation poussée et intense, hors du laboratoire. Il était donc nécessaire de concevoir un dispositif robuste et complètement embarqué.

«L'avantage des produits maxon est de proposer une très large gamme d'actionneurs de faible diamètre, et de commercialiser des moteurs aux caractéristiques parfaitement identifiées»

De fortes contraintes de motorisation

Le choix de la motorisation du prototype était crucial et plusieurs paramètres ont dû être pris en compte. Les motoréducteurs utilisés sur le prototype sont confrontés à une utilisation intermittente très intense, avec, pour l'articulation de coude, une transmission roue-vis sans fin à un faible rendement et frottement sec élevé, rendant les démarrages difficiles. Il fallait également tenir compte de la fluctuation importante des tensions d'alimentation, et du nombre de vibrations et de chocs, puisque le prototype serait porté par un sujet qui marche et court en permanence.

maxon, partenaire de projets innovants

Six mois de travail ont ainsi été nécessaires pour développer l'articulation de coude exo-squelettique de la prothèse SAM. Pour l'actionner, l'équipe a choisi d'utiliser un moteur maxon. "Un coude humain génère approximativement 15N/m de couple avec des vitesses supérieures à 150°/s. Pour reproduire de telles caractéristiques avec une articulation de faible encombrement et un fonctionnement sur batterie, nous étions à la recherche d'un motoréducteur de faible diamètre extrêmement performant. C'est pour cela que nous nous sommes tournés vers la gamme des motoréducteurs DCX-GPX de maxon", explique Nathanaël Jarrassé. Au sein de l'ISIR, il n'est d'ailleurs par rare que des moteurs maxon soient utilisés pour équiper des prototypes robotisés, développés dans le cadre de différentes recherches. "L'avantage des produits maxon est de proposer une très large gamme d'actionneurs de faible diamètre, et de commercialiser des moteurs aux caractéristiques parfaitement identifiées, ce qui permet un dimensionnement optimal de nos dispositifs durant les phases préliminaires de conception", ajoute le manager du projet Smart ArM, convaincu de la performance et de la qualité des moteurs maxon. Les équipes de chercheurs de l'ISIR-Sorbonne Université apprécient tout particulièrement la possibilité de construire et de personnaliser en ligne son actionneur. Véritable partenaire du projet, maxon a également apporté son support technique via l'expertise de ses ingénieurs.

«Développer de la technologie pour aider des personnes en situation de handicap, malgré les multiples challenges, est extrêmement stimulant et excitant»

L'équipe Smart ArM espère que la démonstration de son savoir-faire lors du Cybathlon 2020 permettra de transférer les innovations développées vers des produits commerciaux. Elle mise sur son approche innovante de contrôle de prothèse, basé sur les mouvements du corps, pour convaincre les industriels de conclure des partenariats qui permettraient de faire bénéficier le plus grand nombre de cette innovation. "Développer de la technologie pour aider des personnes en situation de handicap, malgré les multiples challenges, est extrêmement stimulant et excitant", estime Nathanaël Jarrassé. Tout au long du projet, l'équipe Smart ArM a eu à coeur de développer un outil réellement utile, acceptable et appropriable pour les personnes souhaitant être appareillées. Une belle ambition à laquelle maxon est fier d'avoir pris part.

Plus d'informations sur le site officiel Smart ArM.

 

Approfondir cette thématique

Découvrez notre Livre blanc #1 DM motorisés implants et prothèses actives.

Téléchargeable ici.