Main Exo
Orthèse de main motorisée pour individus souffrant de lésions du system nerveux central
Contexte
Cette orthèse est un prototype conçu pour le projet de recherche CAMIN dirigé par Christine Azevedo, Directrice de Recherche INRIA du Laboratoire d’Informatique et de Microélectronique de Montpellier (LIRMM).
L’objectif était de concevoir une orthèse motorisé légère, adjustable, et doté d’un mécanisme d’entrainement irréversible afin d’assister les mouvements de préhension induits par électrostimulation fonctionnelle (FES) via des électrodes placées sur le bras chez des individus souffrant de lésions du système nerveux central.
Principe de fonctionnement:
Alors que la FES est utilisée pour déclencher les mouvements des doigts et du poignet, l’orthèse pilotée par un logiciel spécifique développé par le LIRMM assure les fonctions suivantes :
– Accompagner et assister la mobilité des doigts et du poignet
– Permettre une sécurisation de la position de l’orthèse une fois la fonction de préhension établie afin de pouvoir stopper la FES et prévenir ainsi la fatigue musculaire induite par la stimulation électrique continue des muscles
Note: Les photos et vidéos présentées ici on été prises sur une personne sans lésions et donc sans utilisation de FES. En conséquence, les câbles pilotant les doigts et le poignet étaient déconnectés des systèmes mécanismes irréversible présents dans les boitier moteurs.
Objectifs de conception
Pilotée par des moteurs électriques
Mécanisme de sortie irréversible
Ajustable sur différents individus
Permettre le placement de plusieurs electrodes de surface pour la FES
Etre confortable
Etre facile à placer
Additionnellement aux contraintes techniques imposées, il était essentiel que l’architecture de la main respect la biomécanique de la main. Je tenais également à intégrer les moteurs et le mécanisme de réduction et d’irréversibilité directement dans l’architecture de l’orthèse le tout dans un design compacte, léger et capable de transmettre une puissance d’assistance décente.
Le système devait également avoir une bonne rigidité (élasticité minimale) afin d’assurer un bon maintien en position de l’orthèse lors des phases de préhension (livre ou bouteille d’eau)
Solution technique proposée
L’architecture présentée peut être perçue comme une approche hybride entre de la “soft robotics” et des structures rigides de type exosquelette.
La transmission de puissance dans les doigts est assurée par 5 micro-câbles en acier inoxydable formant chacun une boucle fermée, insérés dans des anneaux de phalanges mobiles et rattachés à l’unité motrice des doigts. La mobilité du poignet est assurée par un câble en boucle fermée pilotant une articulation pivot et rattaché à l’unité motrice du poignet.
Les unités motrices sont connectées à des segments de positionnement et de maintien (SPM) équipés de passe-sangles en mousse placés au niveau du poignet et de l’avant-bras. La fermeture s’effectue via des sangles orthopédiques insérés dans les passes sangles.
Les anneaux de phalanges sont composés d’une partie supérieure rigide dans lesquels passent les micro-câbles pour une bonne transmission de puissance. Leur partie inférieure est composée de bandes en Velcro réglables afin de les maintenir en place sur les doigts.
La course de fermeture de chaque doigt peut être ajustée via u mécanisme spécifique intégré à l’unité motrice afin de compenser les différences de longueur entre les doigts.
La tension de chaque câble peut également être ajustée sur l’individu avant utilisation via un système de molettes de réglage en tension la encore pour s’adapter au mieux aux différentes anatomies.
Lors de l’ouverture, les doigts sont rappelés en position plane via des bandes élastiques en silicone (bandes blanches) situées sur la partie supérieure de chaque doigt et insérées dans la partie rigide des anneaux de phalanges. La tension de rappel peut être ajustée par des velcros rapportés sur le dos de la main et le gant de passage du pouce.
La paume de la main est équipée d’un film en silicone armé doublé de mousse orthopédique en contact avec la peau. Chaque micro-câble est intégré dans des mini-tubes en PTFE armés intégrés dans le silicone armé.
Le masse de l’orthèse entièrement assemblée est de 462g
Fabrication
Seulement quelques pièces mécaniques ont été produites en unisage conventionnel :
– Supports moteurs
– Engrenages spécifiques assurant l’irreversibilité de chaque unité motrice
– Le pivot assurant l’articulation du poignet
– L’axe supportant le mécanisme d’enroulement des câbles
Hormis les inserts métalliques filetés, les vis et les goupilles présents dans les unités motrices, l’ensemble des pièces a été produit en impression 3D
Matériaux d’impression 3D:
PA6 chargé 20% carbone
Fibres de carbone continues
Pour des raisons de rigidité nécessaire, un renforcement en fibre de verre composite a été utilisé dans :
– Les pièces comosant l’articulation pivot autour du poignet
– Le segment de positionnement et de maintien du poignet
L’image ci-dessous illustre les pièces imprimées en 3D
Une vidéo de l’orthèse fonctionnant avec de la FES sera ajoutée dès que possible après les premiers essais.
