« Lorsque la fiction devient réalité. » Après le succès rémanent de l’exosquelette passive, la technologie a repris le dessus en transformant le modèle de base. Certes, l’ exosquelette motorisée intrigue et attise notre curiosité de par son intelligence et sa complexité. Pourtant, ce type de dispositif n’est pas une utopie.
Dorénavant, rencontrez une exosquelette robotique qui touche à tous les secteurs est devenue une commune choisie. Il est même adopté lors de missions militaires pour intensifier la performance des soldats sur le terrain. Mais alors, quel est le fonctionnement d’un exosquelette motorisé ? C’est ce que nous allons voir dans cet article.
Le fonctionnement de l’exosquelette motorisée : le cadre
Avant de nous lancer dans le fonctionnement des exosquelettes , il serait ingénieux de connaitre ses composants. Et pour cause, cela va nous permettre d’en savoir plus sur leur rôle et surtout de comprendre leur choix lors de la conception de l’exosquelette motorisée.
L’exosquelette robotisée est en réalité composée d’un cadre et d’articulations. Nous allons donc commencer par le cadre dont l’ossature est fabriquée à l’aide de l’aluminium, bien connu pour sa légèreté et sa résistance. Si ce métal a été choisi, c’est bien simple, puisqu’il réduit de 40 à 50 % le poids de l’exosquelette en comparaison avec l’acier, un chiffre qui n’est pas négligeable.
Un autre métal entre dans la composition du cadre : le magnésium, bien qu’il soit employé en liaison avec du polycarbonate renforcé.
D’autres composés plus légers sont également utilisés, les FRP, à base de fibres comme celle de carbone, pour permettre d’apporter un rapport résistance/poids pour des structures renforcées. La fibre de verre est quant à elle moins utilisée, car elle coûte beaucoup plus cher, ce qui risquerait d’augmenter le prix de l’exosquelette.
Par ailleurs, des textiles intelligents sont en phase de développement pour créer des exosquelettes plus souples. Ces tissus nouvelle génération intègrent des fibres musculaires artificielles qui vont être par la suite activées par un fluide. Cela va permettre des mouvements programmables pour une meilleure adaptation au corps, comme le montre cette étude de 2022.
Le fonctionnement de l’exosquelette motorisée, les articulations
À ce stade, les choses se corsent, car les articulations sont un composant clé de l’exosquelette motorisée, ce qui entraîne leur nombre élevé de pièces.
Les actionneurs
Les actionnés sont placés juste au niveau des articulations et pilotés par des moteurs électriques qui vont, à leur tour, générer des efforts variés. Les activations sont également appelées les muscles électriques.
Les moteurs électriques
Leur rôle est de contrôler les actionneurs pour pouvoir générer n’importe quel mouvement et d’équilibrer l’exosquelette motorisée lorsqu’il doit transporter et lever des charges lourdes. Il s’agit d’exosquelettes charge lourde et d’exosquelettes bâtiment, notamment.
Les capteurs
Pas d’ exosquelette motorisée sans les capteurs. Puisque ces petits détecteurs sont là pour recueillir toutes les données ayant trait à la vitesse, à l’accélération, à la rotation ou encore à la position de l’exosquelette robotique. Ils peuvent être placés aussi bien sur le dispositif que sur l’utilisateur.
Les matériaux
Les articulations sont composées de titane, un matériau qui épouse les formes du corps de l’utilisateur.
Les systèmes de fixation
Pour terminer, des sangles amovibles viennent compléter le tout pour attacher l’exosquelette au corps humain.
Tous ces composants s’unissent pour créer un système performant qui va venir assister les mouvements naturels du corps humain. Ils vont, de ce fait, réduire de manière indéniable la charge sur les muscles et sur les articulations de celui qui porte l’exosquelette.
Les principes de fonctionnement de l’exosquelette robotique
Alors, comment fonctionne l’exosquelette motorisé ? Pour assurer une assistance pérenne et efficace, la détection des mouvements est importante. Pour cela, les systèmes intègrent plusieurs capteurs qui vont venir examiner en temps réel l’ensemble des signaux physiologiques de même que les mouvements du corps.
Les EMG, qui sont des capteurs électromyographiques, jouent un rôle clé. En effet, puisque ce sont eux qui mesurent l’activité électrique directement reproduite par les muscles lorsqu’ils vont se contracter.
Par la suite, l’analyse de ces signaux va permettre à l’exosquelette robotisé de prévoir le mouvement que l’utilisateur voudra réaliser. Ainsi, il existe une intervention précise et claire entre la machine et l’être humain.
D’autre part, les IMU, des unités de mesure inertielle, qui sont composées de gyroscopes et d’accéléromètres, vont venir à leur tour capturer toutes les données en relation avec l’orientation et la position du corps humain. Cela permet d’accorder en temps réel l’appui fourni par le dispositif d’après les mouvements décelés.
Aussi, et il est important de le souligner, en cas d’anomalie, telle qu’un déséquilibre ou un mouvement, le système va automatiquement corriger la commande des actionneurs afin d’éviter la chute du patient. Comme mentionné dansle brevet EP3568266, le procédé de mouvement de l’exosquelette.
Le traitement des données
Le fonctionnement de l’exosquelette robotisé demande un ordinateur embarqué que l’utilisateur porte en guise de sac à dos. C’est cet ordinateur qui va analyser en temps réel les données des capteurs afin d’adapter l’aide mécanique.
Le système de Rewalk Robotics par exemple, utilise des algorithmes adaptatifs pour adapter la puissance de l’ensemble des actionneurs selon le type de terrain ou selon la fatigue ressentie.
Ces dits algorithmes, qui sont basés surl’apprentissage profond nommé également deep learning, vont, à leur tour, perfectionner l’assistance apportée en s’adaptant au profil biomécanique du patient. C’est ce qu’a démontré l’exosquelette de cheville de Stanford.
L’exécution du mouvement
Les actionneurs de l’exosquelette motorisé, qu’ils soient électriques ou pneumatiques (muscles artificiels), vont venir transformer l’énergie en force mécanique.
Pour mieux comprendre, on va donner l’exemple du moteur électrique intégré d’un exosquelette genou à des fins médicales. Ici, le moteur électrique génère un couple précis qui va permettre de soulever la jambe lors de la marche.
Dans l’application industrielle, des vérins pneumatiques vont venir amplifier la force des bras lors du port de charges lourdes. Ces deux systèmes sont activés pour répondre aux signaux des capteurs, qui, à leur tour, détectent l’intention du mouvement à travers des impulsions musculaires ou à l’aide de variations de pression.
La synchronisation avec l’utilisateur doit particulièrement être précise. Puisque cette dernière repose sur des boucles de contrôle en temps réel. Les données analysées par l’ordinateur embarqué ajustent la puissance et la vitesse des actionneurs.
Un autre exemple, avec, cette fois, le système Walkbot qui ajuste la longueur des pas et la flexion des chevilles avec une précision de 1 mm, ce qui est, comme vous pouvez le voir, très précis.
Les algorithmes prédictifs, quant à eux, devancent les changements de terrain et les obstacles, comme c’est le cas pour l’exosquelette MOGO qui adapte son assistance lors des montées. En cas d’erreurs, les mécanismes de sécurité vont immédiatement corriger les mouvements trop brusques en réduisant la puissance et en verrouillant les articulations.
L’exosquelette motorisé devient alors une seconde peau pour l’utilisateur.
Il existe divers types d’exosquelettes motorisés. Ces derniers sont conçus selon la zone du corps qui demande le plus d’attention :
- Levitate Airframe est un exosquelette motorisé des membres supérieurs pour le secteur industriel ;
- L’Ekso GT est destiné à un usage pour la rééducation des membres inférieurs ;
- Les applications militaires et spatiales font appel, quant à elles, à des exosquelettes motorisés intégraux.
Rôle de l’exosquelette motorisé dans le secteur médical et industriel
Que ce soit dans le milieu médical, militaire ou autre, l’exosquelette motorisé ne finit pas de nous étonner.
L’exosquelette motorisé est très utilisé dans la rééducation et la mobilité tant pour le personnel soignant que pour les patients. Deux modèles se distinguent pour le monde médical, l’Ekso GT et l’ATLAS 2030.
L’Ekso GT a été autorisé par la FDA en 2016 et intervient dans l’aide aux patients post-AVC et paraplégiques pour retrouver leur mobilité. L’Ekso GT améliore, par ailleurs, la rééducation et module l’assistance selon les besoins du patient.
L’Atlas 2030 concerne plus particulièrement les enfants. Conçu par Marsi Bionics, c’est le premier exosquelette pédiatrique sur le marché européen. Le fonctionnement de cet exosquelette utilise l’intelligence artificielle et couvre un large panel d’atteintes neurologiques. L’avantage est qu’il comprend les intentions de mouvement des petits et améliore ainsi leur mobilité et leur qualité de vie.
Les ouvriers du secteur industriel sont constamment soumis à la fatigue et à des tâches répétitives qui demandent beaucoup d’efforts. C’est là que les exosquelettes entrent en jeu, puisqu’ils permettent de réduire la fatigue.
Du côté de la logistique, les exosquelettes motorisées présentent au port des charges lourdes et des mouvements répétitifs. Les modèles les plus convoités sont Levitate AIRFRAME qui diminue la fatigue musculaire des épaules et le Laevo TM , qui, lui, soutient le dos lors des flexions répétées. Les exosquelettes destinées aux applications industrielles améliorent le confort des travailleurs, mais améliorent significativement les TMS tout en améliorant la productivité au sein de l’entreprise.
L’exosquelette dans le secteur militaire, spatial et sportif
Un autre rôle de l’exosquelette robotisée, l’augmentation de la force et de l’endurance. Ainsi, le modèle DNYX peut aider à porter jusqu’à 50 kg d’équipement sans que les soldats ressentent la fatigue. Ils permettent également de réduire les risques de TMS dont pèsent 85 % des soldats de l’armée de terre.
L’ exosquelette motorisée Superlimbs est, quant à lui, conçue pour soutenir les futurs explorateurs lors de leur mission sur la Lune. Il permet d’alléger les efforts physiques et de faciliter leur mobilité sur la Lune.
L’exosquelette motorisée décuple les performances des sportifs en améliorant leur vitesse et en les aidant à s’entraîner le plus longtemps possible. Ils sont également utilisés dans les jeux paralympiques pour améliorer la mobilité des sportifs.
Toutefois, l’exosquelette sportive s’étend aux randonneurs et aux skieurs pour améliorer la marche et la glisse. Ce sont le plus souvent des exosquelettes de membres inférieurs. Le modèle le plus connu est Hypershell.
Conclusion
L’ exosquelette motorisée est un véritable chamboulement dans tous les secteurs. La technologie utilisée pour concevoir ces modèles montre à quel point le progrès ne se termine pas. À ce jour, des études sont en cours pour avancer et moderniser la conception de ces dispositifs essentiels dans la vie de nombreuses personnes.
La mobilité est améliorée et la fatigue est nettement réduite dans tous les secteurs confondus.
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