Rapport de PFE-version Finale [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITE MOHAMED V DE RABAT École Nationale Supérieur des Arts et Métiers de Rabat Mémoire de Fin d’Etudes

La société 3GCOM

Présenté par :

Mr. Ali BOULGSOA Mr. Hamza YAICH Pour l’obtention du : Diplôme d’Ingénieur d’Etat en Génie Biomédical Option : Instrumentation Hospitalière Sous le thème :

Conception et Réalisation d'un bras 3D commandé par un signal EMG et une application Smartphone Soutenu le : 08/07/2021 Devant le jury composé de : Pr. KTIRI Fadwa

Professeur à l’ENSAM-UM5

Président

Pr. NAJOUI Mohamed,

Professeur à l’ENSAM-UM5

Encadrant

Pr. BOUROUHOU Abdennacer, Professeur à l’ENSAM-UM5 Mr. MAHASSINE Abdellah,

Rapporteur

Directeur Technique à 3GCOM Co-encadrant

Année Universitaire : 2020/2021

Dédicace Je dédie ce travail À ma chère mère Fatima Oulhaj pour son amour, sa veille et ses consolations, ses prières et ses sacrifices... À mon cher père Hassan Boulgsoa pour son soutient, sa patience, son orientation et son affection... Chers parents aucune dédicace ne saurait traduire la profondeur des sentiments d’amour, d’estime et de respect que je vous porte. Que dieu vous protège, et vous procure une vie pleine de bonheur et de santé. En signe de reconnaissance pour l’amour dont vous m’avez toujours comblé. Et les sacrifices que vous avez consentis pour mon instruction, mon confort et mon bien être. Aucun mot ne pourra exprimer mes sentiments envers vous. À mes frères Hamza et Abdelilah et mes sœurs Hajar et Bassma. Trouvez ici le témoignage d’une fraternité indéfectible. Merci pour votre soutient tout au long de mon parcours. Que dieu vous garde et vous procure la joie et la santé. À mes chers : Radwane chadani ,Hafid elhail ,Hamza Yaich ,Adil ait lkadi, Izri mesalame, Hamza slimani. C’est trois années passé auprès de vous resteront à jamais gravées dans ma mémoire, merci pour tous ces moments de délire et de joie. Je vous souhaite tous ce qu’il y’a de meilleur. À tous mes amis votre aide, votre générosité, votre soutien ont été pour moi une source de courage et de confiance. Qu’il me soit me permis aujourd’hui de vous assurer mon profond respect et ma grande reconnaissance. À tous mes enseignants tout au long de mon parcours, a tout personne m’ayant aidé de près ou de loin.

Ali BOULGSOA

I

Je dédie ce travail À ma chère mère Rachida OULAD ALI, celle qui m’a donné naissance, je la remercie de l’amour et l’inspiration qu’elle me prodigue... À mon cher père Ahmed YAICH, celui qui m’a indiqué la bonne voie et m’a donné la possibilité de devenir ce que je suis aujourd’hui... Vous êtes pour moi le symbole de la bonté par excellence, la source de tendresse et l’exemple de dévouement, vous n’avez pas cessé de m’encourager, de prier pour moi et de me soutenir depuis mon enfance. C’est à vous que je dois cette réussite et je suis fière de vous l’offrir. Puisse ALLAH, le tout Puissant, vous préserver et vous accorder santé, longue vie et bonheur. À mes frères Mohamed, Mohcine et Hicham et mes sœurs Bouchra et Fatima Zohra. Trouvez ici le témoignage d’une fraternité indéfectible. Je vous dédie ce travail avec tous mes voeux de bonheur, de santé et de réussite À mes chers amis : Lamghari Adnane , Hamza Mrabet, Ayoub Ghbalou, Yasser Boulaich, Hamza El Ouahabi, Achraf Echabani, Abdelillah M’hamedi Alaoui. C’est trois années passé auprès de vous resteront à jamais gravées dans ma mémoire, merci pour tous ces moments de délire et de joie. Je vous souhaite tous ce qu’il y’a de meilleur. À tous mes amis votre aide, votre générosité, votre soutien ont été pour moi une source de courage et de confiance. Qu’il me soit me permis aujourd’hui de vous assurer mon profond respect et ma grande reconnaissance. À tous mes enseignants tout au long de mon parcours, a tout personne m’ayant aidé de près ou de loin.

Hamza YAICH

II

Remerciements Ce n’est pas par tradition que cette page figure au préambule de ce rapport, mais c’est plutôt un devoir moral et une reconnaissance sincère qui nous pousse à le faire auprès de toute personne ayant contribué à la réalisation de ce projet. En particulier, nous tenons à remercier chaleureusement notre encadrant Monsieur MAHASSINE Abdellah pour nous avoir fait confiance en nous accordant la chance de travailler sur un tel projet, nous le sommes reconnaissant car il n’a pas hésité de nous guider pendant toute la durée du stage, nous tenons également à remercier chaleureusement toutes l’equipe de la sociéte 3GCOM pour son suivi permanent, son encadrement et son soutien pour pouvoir surmontés les difficultés que nous avons rencontrés au cours de ce stage. Nous voudrions également remercier Monsieur Pr. NAJOUI Mohamed, notre encadrant à I’ENSAM-Rabat, pour son encadrement et ses directives tout au long de la période de stage sa disponibilité, ses conseils judicieux et pertinents qui nous ont aidés pour la rédaction du présent rapport. Nous tenons à remercier M. Moulay Hachem El Yousfi Alaoui pour sa disponibilité et ses orientations. Nos remerciements distingués vont également à Pr.KTIRI Fadwa et Pr.BOUROUHOU Abdennacer pour nous avoir fait l’honneur d’examiner, évaluer et juger notre travail. Finalement, nôtres remerciements les plus sincères s’adressent à l’ensemble du corps professoral et administratif de I’ENSAM Rabat et à toute personne qui a contribué de près ou de loin à la réalisation de ce projet.

III

Résumé Ce projet propose un protocole de communication « intelligent » pour la commande myoélectrique d’une prothèse de main. Des contractions musculaires sont capables de déclencher des tensions permettant d’actionner la prothèse. Le fonctionnement de ce système est schématisé par un automate fini qui représente chaque contraction musculaire de l’amputé, déclenchant un signal EMG, par une action de la main artificielle. Cette étude est basé sur les recherches effectuées sur ce sujet,aussi bien que sur les besoins des handicapés. Ce travail est renforcé par des applications faites avec des signaux réels détectés des muscles de l’avant-bras. Ainsi pour le contrôle des positions spéciales ( écriture, ...), une application mobile a été concu pour contrôler la main afin de satisfaire le besoin de l’amputé pour des positions bien personnalisé. Pour l’impression 3D de la main prothétique, la conception a été faite à base du logiciel FUSION 360.

Mots clés : prothèse myoélectrique communicante, signaux électromyographiques, interaction, automate, protocole de communication, application mobile, impression 3D.

IV

Abstract This project proposes an ”intelligent” communication protocol for the electric control of a prosthetic hand. Muscle contractions are able to release tensions allowing the prosthesis to be activated. The operation of this system is schematized by a finite automaton which represents each muscle contraction of the amputee, triggering an EMG signal, by an action of the artificial hand. This study is based on research done on this topic, as well as on the needs of the disabled. This work is reinforced by applications made with real signals detected from the muscles of the forearm. Thus for the control of special positions (writing, ...), a mobile application was designed to control the hand to fill the amputee’s need for well-personalized positions. For 3D printing of the prosthetic hand, the design was made using the FUSION 360 software.

Keywords : communicating myoelectric prosthesis, electromyographic signals, interaction, automaton, communication protocol, mobile application, 3D printing.

V

‫ملخص‬ ‫يقترح هذا المشروع بروتوكول اتصال "ذكي" للتحكم الكهربائي في اليد الاصطناعية‪ .‬تقلصات العضلات قادرة‬ ‫على إطلاق التوترات مما يسمح بتنشيط الطرف الاصطناعي ‪.‬‬ ‫يتم تخطيط تشغيل هذا النظام بواسطة جهاز آلي محدود يمثل كل تقلص عضلي للمبتور ‪ ،‬مما يؤدي إلى إطلاق‬ ‫إشارة ‪ ، EMG‬من خلال عمل اليد الاصطناعية‪ .‬تستند هذه الدراسة بشكل أساسي إلى الأبحاث المعمقة التى قمنا‬ ‫بها في هذا المجال ‪ ،‬وكذلك على احتياجات المعاقين‪.‬‬

‫يتم تعزيز هذا العمل من خلال التطبيقات التي يتم إجراؤها بإشارات حقيقية يتم الكشف عنها من عضلات الذراع‬ ‫والساعد ‪ ،‬وبالتالي للتحكم في المواقف الخاصة مثل )الكتابة ‪.(... ،‬‬ ‫تم تصميم تطبيق للهاتف المتحرك للتحكم في اليد لسد حاجة مريض البتر إلى أوضاع مخصصة بشكل جيد‪.‬للطباعة‬ ‫ثلاثية الأبعاد لليد الاصطناعية ‪ ،‬تم التصميم باستخدام برنامج ‪.360 FUSION‬‬

‫كلمات مفتاحية ‪ :‬توصيل بدلة كهربائية عضلية ‪ ،‬إشارات تخطيط كهربية العضل ‪ ،‬تفاعل ‪ ،‬آلي ‪ ،‬بروتوكول‬ ‫اتصال ‪ ،‬تطبيق جوال ‪ ،‬طباعة ثلاثية الأبعاد‪.‬‬

‫‪VI‬‬

Table des matières Dédicace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I

Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III Résumé

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

V

VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ‫ملخص‬ Introduction générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1 Présentation de la société 3GCOM . . . . . . . . . 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Organigramme de la société 3GCOM . . . 1.3 Pôle Télécommunication . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Presentation de Pôle Télécommunication . . 1.3.2 Les Principaux métiers de 3GCOM Telecom 1.4 Pôle Médical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Presentation de Pôle Médical . . . . . . . . 1.4.2 Services offerts par 3GCOM Médical . . . . 1.4.3 Gamme de produits . . . . . . . . . . . . . 1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Etude du projet . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Listes des tâches . . . . . . . . . . . . . 2.3 Diagramme de GANTT : . . . . . . . . . 2.4 Les diagrammes d’analyses fonctionnelles 2.4.1 Diagramme bête a corne : . . . . 2.4.2 Diagramme pieuvre : . . . . . . . 2.4.3 Diagramme SADT : . . . . . . . 2.5 Cadrage général du projet : . . . . . . . 2.5.1 Contexte du projet . . . . . . . . 2.5.2 Objectif général . . . . . . . . . . 2.5.3 Objectifs spécifiques . . . . . . . 2.5.4 Périmètre du projet . . . . . . .

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3 4 4 5 5 5 6 7 7 7 7 9

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10 11 11 11 12 12 13 14 16 16 16 17 17 VII

Table des matières

2.6

2.5.5 Contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art . . . 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Le muscle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Anatomie de la muscle squelletique . . . . . . . . . . 3.2.3 La contraction musculaire . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Potentiels d’action musculaire . . . . . . . . . . . . . 3.2.5 L’Electromyographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Le signal EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Prothèses de main issues de la recherche scientifique 3.4.2 Prothèses de main issues de sociétés commerciales . . 3.4.3 Prothèses de main issues de la communauté DIY . . 3.5 Synthése de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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18 19 19 19 20 20 21 21 22 22 23 24 26 27 27

4 Conception et Réalisation . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Programme utilisé pour la Conception . . 4.2.2 Modéle 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.1 Pièces de l’avant-bras . . . . . . 4.2.2.2 Pièces de la main . . . . . . . . 4.3 Impression 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Définition de l’impression 3D . . . . . . . 4.3.2 L’Impression 3D comment ça marche ? . . 4.3.3 L’Impression 3D utilisé . . . . . . . . . . 4.4 Matériel utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Servo moteur MG996R . . . . . . . . . . . 4.4.1.1 Présentation . . . . . . . . . . . 4.4.1.2 Critères de choix . . . . . . . . 4.4.1.3 Schema de montage avec arduino 4.4.2 Micro servo SG90 9G . . . . . . . . . . . . 4.4.2.1 Présentation . . . . . . . . . . . 4.4.2.2 Critères de choix . . . . . . . . 4.4.3 Capteur du signal EMG . . . . . . . . . . 4.4.3.1 Présentation . . . . . . . . . . . 4.4.3.2 Critères de choix . . . . . . . . 4.4.3.3 Schema de montage avec arduino 4.4.4 Module Bluetooth HC-06 . . . . . . . . . 4.4.4.1 Présentation . . . . . . . . . . . 4.4.4.2 Critères de choix . . . . . . . . 4.4.4.3 Schema de montage avec arduino

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28 29 29 29 29 29 31 32 32 33 34 35 35 35 35 35 36 36 37 37 37 38 38 39 39 39 39

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VIII

Table des matières 4.4.5

4.5

4.6

4.7

4.8

Arduino Nano . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5.2 Critères de choix . . . . . . . . . . . Traitement EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Amplificateur de signal . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Echantillonnage de signal . . . . . . . . . . . . 4.5.3 CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 Filtre numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5 Squaring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6 Détecter l’enveloppe . . . . . . . . . . . . . . . Application Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Technologies utilisées . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 les interfaces développées . . . . . . . . . . . . Etude technico-economique : . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Calcule du coût d’achat des matières premières 4.7.2 Calculée du coût de production . . . . . . . . . 4.7.3 Le coût de revient . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Résultat analytique . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Test et validation du prototype 5.1 Introduction . . . . . . . . . . 5.2 Description de la solution . . 5.3 Test des modes et positions . 5.4 Conclusion . . . . . . . . . . .

proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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40 40 41 41 41 43 44 44 45 46 46 46 48 50 50 51 52 53 54

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Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 A Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

IX

Table des figures 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

Fiche technique de la société 3GCOM . . . . . . . . . . . . Organigramme de la société 3Gcom . . . . . . . . . . . . . Carte présentant la distribution des clients et des partenaires Principaux métiers de 3Gcom Telecom . . . . . . . . . . . . Services offerts par 3GCOM Médical . . . . . . . . . . . . . Gamme de produits service de Radiologie . . . . . . . . . . Gamme de produits du Bloc Opératoire . . . . . . . . . . . Gamme de produits service de Stérilisation . . . . . . . . . . Gamme de produits de Service néonatale . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . de 3Gcom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Liste des taches de notre projet. . . . . . . . . Diagramme de GANTT de notre projet. . . . Diagramme de Bête à Cornes de notre projet. Diagramme Pieuvre de notre projet. . . . . . Le diagramme SADT de notre projet. . . . . .

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11 12 13 14 15

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Types de muscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Composition de la muscle squelletique . . . . . . . . . . . . . MIT/Utah Hand de l’université de l’Utah . . . . . . . . . . . Modular Prosthetic Limb de JHU Applied Physics Laboratory Vincent evolution 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I-limb Ultra ”Touch Bionics” . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEKA Arm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ottobock bebionic Hand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prosthetic Arm ”Max Sheperd” . . . . . . . . . . . . . . . . . TACT de l’Université d’Illinois . . . . . . . . . . . . . . . . .

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19 20 23 24 24 25 25 26 26 27

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12

Pièces principal de l’avant-bras. . . . . . . . Le support pour les servomoteurs. . . . . . . La piece qui relie l’avant-bras avec la main. Les poulies pour contracter les doigts. . . . Les pièces constituent les doigts. . . . . . . . La paume de la main. . . . . . . . . . . . . Le filament pour les imprimantes 3D. . . . . L’imprimante 3D. . . . . . . . . . . . . . . . Lancement de l’impression 3D. . . . . . . . Servo moteur MG996. . . . . . . . . . . . . Montage de Servo avec arduino. . . . . . . . Micro servo SG90 9G . . . . . . . . . . . . .

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30 30 31 31 32 32 33 34 34 35 36 36

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4 5 6 6 7 8 8 8 9

X

Table des figures 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31

Capteur EMG analogique par ”OYMotion”. . . . . . . . . Montage de capteur EMG avec arduino. . . . . . . . . . . Module Bluetooth HC-06. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage de bluetooth avec arduino. . . . . . . . . . . . . . Arduino Nano brochage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuit d’amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les étages d’un bio amplificateur . . . . . . . . . . . . . . Caractéristiques électriques des signaux . . . . . . . . . . Spectre de fréquences du signal du muscle . . . . . . . . . La réponse en amplitude H1(w) du filtre coupe-bande. . . Signal EMG avant et après Squaring. . . . . . . . . . . . . Signal EMG avant et après la Détecter l’enveloppe . . . . . Logo de Flutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Logo de Dart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Logo de MIT App Inventor. . . . . . . . . . . . . . . . . . Les interfaces développer par MIT App Inventor. . . . . . Schéma blocs de notre application sur MIT App Inventor. Interface Flutter de notre application. . . . . . . . . . . . Interface Flutter de notre application actuel. . . . . . . . .

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5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Schéma de câblage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Choix de mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Position de la relaxation contrôlée par les signaux EMG . . . . . Position de la contraction contrôlée par les signaux EMG . . . . Basculer du mode EMG vers le mode commande par application Position de la contraction Relaxation par l’application mobile . . Position de la contraction contrôlée par l’application mobile. . . Position de l’écriture contrôlée par l’application mobile . . . . .

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37 38 39 40 40 42 42 43 44 45 46 46 47 47 47 48 49 49 50

. . . . . . . . . . . . . . . . mobile . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

56 57 57 58 58 59 59 60

XI

Liste des tableaux 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Prix d’achat . . . . . . . . . . . Liste d’intervenent. . . . . . . . Liste d’intervenent avec le prix. La charge de production . . . . Calcul de cout de revient . . . . Résultat analytique. . . . . . .

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51 51 52 52 53 53

XII

Liste des sigles et acronymes EMG

Électromyographie

sEMG

L’électromyographie de surface

RMS

Moyenne quadratique

PA

Potentiel d’action

UM

Unité motrice

DIY

Do It Yourself

MIT

Massachusetts Institute of Technology

Fe

Fréquence d’échantillonnage

Ne

Nombre d’échantillons

CAN

Convertisseur analogique-numérique

GA

Grandeurs analogique

GN

Grandeurs numérique

XIII

Introduction générale Contexte Il y a plus de 10 millions d’amputés à travers le monde dont 30% sont amputés du membre supérieur (LeBlanc, 2008). Le membre supérieur est un outil indispensable à l’humain pour évoluer dans son environnement. Il allie force et précision et possède un retour sensitif permettant de le situer dans l’espace. 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. Mécaniquement le bras possède une structure complexe. Il est composé d’actionneurs souples, les muscles, de parties structurelles rigides, les os, liés entre eux par des liaisons souples. On retrouve donc un grand nombre de mobilités que le cerveau est capable de contrôler indépendamment et simultanément. Que ce soit d’un point de vue mécanique ou fonctionnel, il n’existe actuellement pas de prothèse capable de compenser complètement la perte du membre supérieur. Les prothèses doivent donc s’adapter au mieux aux capacités technologiques actuelles pour répondre au besoin des amputés.

Problématique Actuellement, trop de personnes amputées n’ont pas accès à une prothèse. Pourtant, les solutions ne manquent pas, mais elles sont souvent trop onéreuses, notamment pour les personnes vivant dans les pays en développement. Pour changer la donne et permettre à ces personnes de retrouver leur intégrité sociale et professionnelle. Selon l’OMS, seulement 1 personne sur 10 a accès à une solution prothétique. Les raisons de cet échec sociétal s’expliquent en partie à cause de l’inefficacité ou de l’absence de système de santé et des prix excessifs pratiqués. 1

Introduction générale

Objectifs L’objectif de notre projet est la conception et la réalisation d’une prothèse myoélectrique utilisant la différence de potentiel que génère par la contraction musculaire du moignon (signaux électromyogramme ou EMG de l’ordre du microvolt). Cette différence de potentiel est recueillie par une voire deux électrodes disposées sur la peau du patient. Elle est ensuite amplifiée et traitée pour alimenter les moteurs situant dans l’avant-bras qui permet la contraction et la relaxation de la main en fonction du muscle contracté et de l’amplitude de sa contraction. Ainsi une application smartphone a été réalisé afin de permettre un contrôle souple et efficace des doigts.

Organisation du mémoire Ce mémoire est organisé en cinq chapitres : Le premier chapitre “Présentation de la société 3GCOM”-Dans ce chapitre, nous allons présenter l’entreprise d’accueil. Par la suite, nous allons discuter le cadre général de notre projet tout en décrivant la problématique de notre projet avec une étude détaillée sur le projet, l’objectif et la méthodologie suivie tout au long de la période du projet. Le deuxième chapitre “Etude du projet”-Dans ce chapitre, nous allons planifier les objectifs à atteindre fixés par le cahier des charges. aussi identifier les tâches, estimer leurs charges, les ordonnancer ou d’organiser des ressources humaines et matérielles qui permettront d’atteindre avec succès les buts et les objectifs dans les délais. Le troisième chapitre “Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art”Dans ce chapitre, nous allons presenter dans un premier lieu la partie d’anatomie musculaire et le mécanisme de contraction musculaire. Aux deuxièmes lieues nous allons faire un tour sur l’historique des prothèses pour remarque que l’histoire des prothèses est évidemment étroitement liée à celle de l’humanité. Le quatrième chapitre “Conception et Réalisation”-Dans ce chapitre, nous allons présenter la conception des différentes pièces qui constituent notre prothèse, les étapes de l’impression 3D et on va présenter tous le matériel utilisé dans la réalisation de notre projet. Le cinquième chapitre “Test et validation du prototype proposé”-Dans ce chapitre, nous allons presenter le principe de fonctionnement de notre prothèse, en plus on va presenter et tester les positions de la prothèse en fonctionne de la commande soit par le signal EMG soit par l’application smartphone .

2

Chapitre 1 Présentation de la société 3GCOM

3

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM

1.1

Introduction

Dans ce chapitre, nous allons présenter l’entreprise d’acceuil,3GCOM [1] l’un des sociétés leader dans l’échelle nationale. Par la suite, nous allons discuter le cadre général de notre projet tout en décrivant la problématique avec une étude détailler sur le projet, l’objectif et la méthodologie suivie tout au long de la période du projet.

1.2

Historique

3Gcom est l’une des sociétés de services de premier plan en Afrique du Nord qui fournit des services sans fil de voix et de réseaux de données pour les télécommunications et l’industrie des TI. En 2014, la société 3Gcom a connu une diversification en intégrant le secteur médical tout en assurant l’installation et la maintenance des dispositifs médicaux.

Fig. 1.1 : Fiche technique de la société 3GCOM

4

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM

1.2.1

Organigramme de la société 3GCOM

L’organisation de 3Gcom est fondée sur le principe de la décentralisation avec des responsabilités claires et des moyens de gestion et d’autocontrôle. L’entreprise s’organise selon la suivante hiérarchie :

Fig. 1.2 : Organigramme de la société 3Gcom

1.3 1.3.1

Pôle Télécommunication Presentation de Pôle Télécommunication

Fondée en 2003, 3Gcom a commencé son activité au Maroc au service des opérateurs et des fournisseurs locaux moyennant la sous-traitance des prestations d’installation et d’optimisation réseau. Au cours de ces dernières années, la société a servi les principaux opérateurs nord africains et a su tisser des relations d’affaires avec les meilleurs fabricants et fournisseurs d’infrastructure Télécom pour mieux servir leurs clients.

5

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM

Fig. 1.3 : Carte présentant la distribution des clients et des partenaires de 3Gcom

1.3.2

Les Principaux métiers de 3GCOM Telecom

La sociéte présente plusieurs services : - Services Télécom : Déploiement réseau, Support, Optimisation réseau… - Conseil Télécom : Planification Stratégique, Gestion projet, Opérations assistées, Conception et Intégration réseau, Formations … - Outsourcing Telecom : Operations Core Business, Business Process Outsourcing … - Solutions de mobilité : SolutionsData Le figure suivant présente les principaux services de pole telécomunication

Fig. 1.4 : Principaux métiers de 3Gcom Telecom

6

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM

1.4

Pôle Médical

1.4.1

Presentation de Pôle Médical

La société 3Gcom a intégré le domaine médical en 2014, elle est en mesure de répondre à la qualité correcte à des prix compétitifs à l’échelle internationale. Tout, qui est soutenu par une équipe formée d’ingénieurs et de techniciens professionnels avec des années d’expériences, ce qui a permis à la société de bien prendre sa place au sein du marché dans un temps réduit.

1.4.2

Services offerts par 3GCOM Médical

La société 3Gcom vend des produits médicaux couvrant de l’équipement des petits centres de soins de santé à mettre en œuvre des projets nationaux au Maroc et dans le reste de la région. Avec une bonne expérience dans la distribution deproduits médicaux. Parmi ses références, 3Gcom a travaillé avec Fujifilm Japon, PlanmedFinland, Medical Process Frensh, Chison China, TechnixItaly, Hersillspain, ZeroneKorea, et beaucoup d’autres entreprises de haut calibre. 3Gcom a pour objectif de satisfaire ses clients au niveau de tout le Royaume du Maroc en ce qui concerne les besoins en équipements médicaux en assurant plusieurs services :

Fig. 1.5 : Services offerts par 3GCOM Médical

1.4.3

Gamme de produits

La société 3Gcom assure plusieurs types de produits médicaux, le tableau suivant montre quelques équipements fournit par 3Gcom : 7

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM Service de radiologie :

Fig. 1.6 : Gamme de produits service de Radiologie Bloc Opératoire :

Fig. 1.7 : Gamme de produits du Bloc Opératoire Stérilisation :

Fig. 1.8 : Gamme de produits service de Stérilisation Service néonatale :

8

Chapitre 1. Présentation de la société 3GCOM

Fig. 1.9 : Gamme de produits de Service néonatale

1.5

Conclusion

Le premier chapitre est consacré a présenté la société 3GCOM, son historique et son organisme fonctionnel comme étant le leader dans le domaine biomédical au Maroc, on a ainsi présenté ses différentes modalités techniques on plus les différentes gamme de produits fournit par la sociéte. Le chapitre suivant sera consacré à une étude générale sur l’étude de notre projet .

9

Chapitre 2 Etude du projet

10

Chapitre 2. Etude du projet

2.1

Introduction

Avant de démarrer un projet, il est nécessaire de le planifier afin d’atteindre les objectifs fixés par le cahier de charges. La planification d’un projet consiste à identifier les tâches, estimer leurs charges, les ordonnancer ou d’organiser des ressources humaines et matérielles qui permettront d’atteindre avec succès les buts et les objectifs dans les délais.

2.2

Listes des tâches

. Afin de pouvoir réaliser le diagramme de GANTT, l’élaboration d’un calendrier de projet était nécessaire et recommandée. Le tableau suivant met en oeuvre le découpage temporel des tâches avec les durées réelles et estimées :

Fig. 2.1 : Liste des taches de notre projet.

2.3

Diagramme de GANTT :

L’aspect des délais est un élément important de la conduite d’un projet qu’il faut respecter. Avant de se lancer dans la réalisation du projet, il est très utile de le décortiquer en plusieurs parties afin de planifier l’exécution de chaque tâche indépendamment des autres et de définir les ressources à mobiliser La figure suivante représente le Diagramme de Gantt de notre projet :

11

Chapitre 2. Etude du projet

Fig. 2.2 : Diagramme de GANTT de notre projet.

2.4

Les diagrammes d’analyses fonctionnelles :

Comme tous les projets, un projet de réalisation nécessite une phase de conception et une phase d’analyse. Dans cette dernière nous cherchons à comprendre précisément les besoins des patients. Le besoin d’un tel projet, les fonctionnalités qu’elle contiennent et pour quel usage c’est-ce qu’on appelle « l’analyse des besoins ». Après validation de notre compréhension du besoin,nous imaginons la solution. C’est la partie ”analyse de la solution.” Dans la phase de conception, nous apportons plus de détails à la solution adoptée et on cherche à éclaircir des aspects techniques, tels que l’intégration des différentes piéces utilisés dans la solution proposée. La meilleure organisation du projet consiste à le définir clairement ainsi que ces outils. Pour établir ces deux étapes (la phase de conception et la phase d’analyse) dans notre projet. Nous utilisons des méthodes et des notations. C’est un langage visuel constitué d’un ensemble de schémas, appelé des diagrammes, qui donnent chacun une vision différente du projet à traiter. La définition du besoin général du projet ainsi que l’aspect fonctionnel du projet, exigent de faire une étude approfondie de celui-ci. Il s’agit d’expliciter l’exigence fondamentale qui justifie la conception, ou la conception d’un produit, chose qui sera justifiée et analysée de plus près par l’étude fonctionnelle ci-dessous :

2.4.1

Diagramme bête a corne :

La bête à cornes est un outil graphique d’analyse du besoin qui permet de répondre à trois questions : • A qui ou quoi le produit rend-il service ? • Sur qui ou quoi agit-il ? • Dans quel but ? Ce diagramme bête à corne présentées ci-dessous présentes l’utilité de notre projet, y compris le produit, sur quoi agi-il et son but. 12

Chapitre 2. Etude du projet

Fig. 2.3 : Diagramme de Bête à Cornes de notre projet.

2.4.2

Diagramme pieuvre :

Le diagramme pieuvre est la représentation graphique des interactions d’un produit avec son environnement. Le diagramme pieuvre est composé : • Du produit (au centre du diagramme), • Des Éléments du Milieu Extérieur (E.M.E.) (à la périphérie du produit), • Des relations d’interaction ou d’adaptation entre le produit et les E.M.E.,. • Des fonctions principales (FP1, FP2, ...) et des fonctions contraintes (FC1, FC2, ...).

13

Chapitre 2. Etude du projet

Fig. 2.4 : Diagramme Pieuvre de notre projet. • FP1 : Permettre aux amputés transradiales d’agir sur un objet • FC1 : Causer les signaux électriques. • FC2 : Assurer le maintien de l’objet pendant la manipulation. • FC3 : Être alimentée par énergie électrique. • FC4 : S’adapter aux amputés transradiaux. • FC5 : Résister aux agressions du milieu extérieur. • FC6 : Plaire à l’œil. • FC7 : Avoir un prix abordable pour les utilisateurs

2.4.3

Diagramme SADT :

La méthode SADT (Structured Analysis and Design Technique) est un outil graphique associé à une méthode d’analyse descendante modulaire et hiérarchisée (Design se traduit ici par conception). Il permet de représenter un modèle (image de la réalité) du système réel.

14

Chapitre 2. Etude du projet

Fig. 2.5 : Le diagramme SADT de notre projet. Les entrées de notre système : C : Données de configuration. R : Données de réglage. E : Données d’exploitation. W : Contraintes liées à l’énergie.

15

Chapitre 2. Etude du projet

2.5

Cadrage général du projet :

Dans cette partie nous allons présenter le cadre général de notre projet, à savoir le Contexte de projet , les objectifs et les contributions, le périmètre du projet, les contraintes de notre projet.

2.5.1

Contexte du projet

Après plusieures années de développement des prothèses robotisées, il y a plusieurs problèmes restent non résolus.parmit ces problemes on trouve : coût excessive, l’apparence, la complexité d’utilisation (contrôle non intuitif) et le probléme de l’adaptabilité des bras artificiels sont autant de critères récurrents dans les études de satisfaction des amputés. Le cas des amputés transradiales est particulièrement intéressant. Ils nécessitent des prothèses avec plus de mobilités donc le contrôle et la conception sont plus complexes. Il existe aussi moins d’études dédiées à ce type particulier de prothèses et moins de modèles disponibles malgré une proportion d’amputations équivalente aux amputés transradiaux. Dans les dernière années les entreprises et les laboratoires de recherche développent des solutions technologiquement très avancées d’un côté, de l’autre côté des Start-ups avec des faible moyen développent des solutions moins avancées, mais avec un prix plus abordables. Il existe donc une fenêtre inexploitée de prothèses abordables et suffisamment avancées pour remplir au mieux possible les critères présentés, et qui offre un bon compromis entre la praticité et l’intuitivité de la manipulation et le prix.

2.5.2

Objectif général

L’objectif géneral de notre projet et de développer et fabriquer une prothèse robotique pour les amputés transradiaux qui remplissant au mieux les critères suivant : • 1 : Faible coût. • 2 : Adaptabilité. • 3 : Apparence. • 4 : La moindre complexité. • 5 : Fiabilité . • 6 : Intuitivité de la commande.

16

Chapitre 2. Etude du projet

2.5.3

Objectifs spécifiques

On peut diviser notre objectif général sur 3 grand Objectifs spécifiques : • 1 : Concevoir une prothèse qui s’adapte à tous les niveaux d’amputation humérale et en particulier aux amputations transradiales. • 2 : Réaliser une prothèse avec un bonne temps de réponse. • 3 : L’utilisation de la fabrication additive permet de réduire le coût de la prothèse et de la rendre adaptable au patient.

2.5.4

Périmètre du projet

Il est important de noter que la conception et la réalisation d’une prothèse impliquent beaucoup de parties prenantes dans l’organisation (médecine, experts techniques , experts métiers ... ). C’est un investissement très couteux qui demande beaucoup de ressources matérielles, humaines et financières et dont la durée de réalisation est longue. Le but de notre projet n’est juste la réalisation d’une prothèse, mais de faire d’une part, l’exercice de mener une étude selon les normes et bonnes pratiques du métier afin de trouver la meilleure solution pour arriver à tous les objectifs généraux et spécifiques tracées par le cahier des charges .

2.5.5

Contraintes

Les objectifs doivent être atteints en respectant les contraintes suivantes : • 1 : Le design doit être suffisamment robuste pour s’adapter aux tolérances de la fabrication additive en termes de précision de fabrication et de tenue mécanique du matériau. • 2 : Réduire au maximum possible le coût de la prothèse. • 3 : Le prototype est conçu pour un type d’amputation particulier. • 4 : Contraintes délai (3 mois).

2.6

Conclusion

Dans ce chapitre on a présenté le cahier des charges de notre projet . en plus les taches, le diagramme gante, le diagramme bêta corne, le diagramme pieuvre et le diagramme SADT de notre projet le chapiter suivant il va être consacré pour le mécanisme de contraction musculaire et état de l’art. 17

Chapitre 3 Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art

18

Chapitre 3. Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art

3.1

Introduction

Avant de discuter le bras myoéléctrique, nous parlerons sur la physiologie de la contraction musculaire chez l’homme. Premièrement, nous présenterons le fonctionnement du systéme neuromusculaire, comment le cerveau communique avec les cellules nerveuses pour controller le muscle squelletique. Ensuite, nous allons présenter les comparaisons des prothéses myoéléctriques existantes, avant de clôturer avec une synthèse de choix des outils qui seront mis en place dans la solution.

3.2 3.2.1

Le muscle Introduction

Les muscles représentent un peu près la moitié du poids du corps humaine. Le tissu musculaire se classe en trois types : squelettique, cardiaque et lisse. Dans le corps humain, chaque type de tissu musculaire possède une structure unique ainsi qu’un rôle spécifique. Le mucle squelettique déplace les os ou d’autres structures. Le muscle cardiaque contracte le cœur afin que celui-ci pompe le sang et le fait circuler dans le réseau d’artères et de veines. Le tissu musculaire lisse qui constitue des organes tels que l’estomac ou la vessie change de forme afin de faciliter les fonctions corporelles. Vous trouverez ici davantage d’informations concernant la structure et la fonction de chaque type de tissu musculaire présent dans le corps humain [2].

Fig. 3.1 : Types de muscles

19

Chapitre 3. Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art

3.2.2

Anatomie de la muscle squelletique

Les muscles squelettiques se fixent aux os et les font bouger en se contractant et en se relâchant à la suite des messages volontaires émis par le système nerveux. Le tissu musculaire squelettique est composé de longues cellules portant le nom de fibres musculaires ; elles possèdent une apparence striée. Les fibres musculaires sont organisées en faisceaux alimentés par des vaisseaux sanguins et innervés par des neurones moteurs.

Fig. 3.2 : Composition de la muscle squelletique

3.2.3

La contraction musculaire

La structure d’une unité motrice (UM) est formée par le cerveau, la moelle épinière, un motoneurone (Alpha ou Beta) et les fibres musculaires qu’il innerve. Lorsque le cerveau adresse une stimulation vers le système nerveux périphérique (moelle épinière), une excitation nerveuse est transmise le long du nerf motoneurone. Une fois l’excitation atteint les plaques motrices, des neurotransmetteurs sont libérés dans chaque fente synaptique du moto neurone et recueillis par le sarcolemme (membrane externe) de la fibre musculaire correspondant. Si la stimulation atteint ou dépasse un seuil d’excitation, un potentiel est formé dans ces fibres musculaires relié à ce motoneurone, et se propage jusqu’aux tendons. Par conséquent, une réaction biochimique s’enclenche au niveau des fibres et les deux types de filaments procèdent à la contraction musculaire en glissant les uns sur les autres. Les plaques motrices aussi appelées jonctions neuromusculaires correspondent aux liaisons entre les terminaisons axonales des motoneurones et les fibres musculaires au niveau de la membrane, l’ensemble de ces jonctions forme le point moteur. Les muscles squelettiques se contractent et se relâchent pour mouvoir mécaniquement le corps. Les messages émis par le système nerveux provoquent ces contractions musculaires. L’intégralité du processus est ce que l’on appelle, mécanisme de la contraction musculaire. Ce mécanisme peut être synthétisé en trois étapes : 20

Chapitre 3. Mécanisme de contraction musculaire et état de l’art • 1 :Un message provenant du système nerveux atteint le système musculaire, déclenchant des réactions chimiques. • 2 : Ces réactions chimiques entraînent la réorganisation des fibres musculaires d’une manière qui raccourcit le muscle : c’est la contraction. • 3 : Lorsque le signal issu du système nerveux n’est plus présent, le processus chimique s’inverse et les fibres musculaires reprennent leur emplacement d’origine : le muscle se relâche. La contraction musculaire débute lorsque le système nerveux génère un signal. Le signal, une impulsion portant le nom de potentiel d’action, s’achemine par le biais d’un type de cellule nerveuse appelée neurone moteur. Le terme « jonction neuromusculaire » désigne l’endroit où le neurone moteur atteint une cellule musculaire. Le tissu des muscles squelettiques est composé de cellules appelées fibres musculaires. Lorsque le signal émis par le système nerveux atteint la jonction neuromusculaire, un message chimique est libéré par le neurone moteur. Ce message chimique, un neurotransmetteur du nom d’acétylcholine, se lie à des récepteurs situés à l’extérieur de la fibre musculaire. Cela initie une réaction chimique au sein du muscle.

3.2.4

Potentiels d’action musculaire

Un signal bioélectrique important qui a une signification diagnostique pour de nombreuses maladies neuromusculaires est l’électromyogramme (EMG), qui peut être enregistré à partir de la surface de la peau avec des électrodes identiques à ceux utilisés pour l’électrocardiographie, bien que dans certains cas, les électrodes aient des zones plus petites que ceux utilisés pour l’ECG (