Fabriquer un exosquelette ? C’est possible ? La réponse est oui, il est tout à fait concevable de fabriquer un exosquelette fait maison. À condition toutefois d’avoir quelques notions de bricolage et d’informatique. Bien que cela relève totalement de la robotique, l’exosquelette DIY n’est pas issu de la science-fiction, mais est bien réel.
Si vous êtes arrivé sur cet article, c’est soit par curiosité, soit pour vous mettre au travail. Dans les deux cas, restez avec nous, car nous allons vous montrer comment construire un exosquelette.
Connaître les composants essentiels pour la conception d’un exosquelette
Fabriquer un exosquelette demande un minimum de connaissances. Or, connaître les composants essentiels d’un exosquelette est la base avant de vous mettre à la tâche.
Les capteurs
Concrètement, les capteurs servent à détecter les mouvements faits par votre corps pour que l’exosquelette puisse répondre assez vite. On cite deux types de capteurs qui entrent dans la composition de l’exosquelette : les capteurs de puissance et les capteurs de position. Sans ces deux-là, votre exosquelette robotisé risque de ne pas fonctionner comme souhaité.
Les actionneurs
Les actionneurs sont un autre composant de l’exosquelette. Leur rôle est de convertir l’énergie en mouvement. Les actionneurs sont représentés par les moteurs électriques lorsque l’exosquelette est actif ou par des vérins hydrauliques et pneumatiques si l’exosquelette est passif.
La structure
Pas d’exosquelette sans structure, puisque c’est elle qui sera directement enfilée. La structure doit être robuste et légère pour que sa charge ne soit pas trop lourde pour votre corps. Les meilleurs matériaux pour la structure restent l’aluminium et, bien évidemment, les composites en fibre de carbone, qui sont les plus utilisés de nos jours.
Le contrôleur central
Il permet d’assurer le traitement des informations qui proviennent directement des capteurs. Ils servent, par ailleurs, à activer les actionneurs. Le meilleur microcontrôleur utilisé est l’Arduino.
Les étapes de développement du prototype d’exosquelette et de l’exosquelette en impression 3D
Les étapes du prototype d’exosquelette ainsi que de l’impression 3D de l’exosquelette reposent sur la modélisation 3D, l’impression 3D, l’assemblage et enfin les ajustements.
La modélisation 3D
Pour la modélisation, il est salutaire de se tourner vers des logiciels spécifiques qui vont fournir une modélisation du prototype de l’exosquelette parfaite. Les logiciels Fusion 360 ou bien CATIA sont les mieux notés. Toutefois, vous pourrez également vous tourner vers Cinema 4D si vous souhaitez élaborer des structures plus évoluées. C’est le cas d’ajouts de nœuds articulés avec des rotules et des encastrements.
Le choix d’un de ces logiciels dépendra du type de prototype d’exosquelette que vous voulez fabriquer. Sachez que cette étape inclut l’optimisation des proportions afin d’ajuster le dispositif à votre morphologie. Par exemple, vous pourrez ajouter l’emplacement des articulations de manière virtuelle, de même que la longueur des différents segments.
L’impression 3D
Ici, les choses seront plus compliquées pour les néophytes, puisque l’ensemble des pièces difficiles telles que les supports articulaires et les charnières sera conçu à l’aide de technologies FDM (PLA et TPU flexible), mais aussi SLS (Nylon PA12). Cette étape va vous aider à concevoir des composants fabriqués sur mesure comme les cellules de charge pour actionneurs et les structures en treillis.
Pour les plus avertis, vous pourrez faire appel à des imprimantes haut de gamme comme la Volumic 3D. En effet, cette dernière est précise au micron près, l’idéal, donc, pour les pièces mécaniques.
Assemblage et ajustement de l’exosquelette fait-maison
La phase d’assemblage doit suivre un protocole bien précis, notamment en ce qui concerne l’intégration des actionneurs (tels que les moteurs plats EC de Maxon ou les vérins linéaires) et des capteurs (on parle ici des gyroscopes et des cellules de force).
Tout d’abord, il faudra veiller à ce que les contrôleurs compacts ESCON soient bien connectés au microprocesseur principal de type Arduino ou Raspberry PI. Ensuite, c’est au tour des sangles et des ceintures ajustables qui viendront apporter un bon maintien ergonomique.
Pensez à effectuer des tests en amont pour vérifier l’absence de frottement ou encore d’un bon alignement des axes articulaires avec vos membres.
L’ajustement de votre exosquelette
Au besoin, vous pourrez toujours ajuster ou régler progressivement votre exosquelette pour réduire le poids. Vous pourrez ainsi remplacer certaines pièces par de la fibre de carbone, qui est bien plus légère et résistante par rapport aux autres matériaux utilisés.
N’hésitez pas à vous aider des outils présents dans le logiciel Cinema 4D comme l’Atom-Array qui peuvent vous assister à visualiser les secteurs où la pression est la plus forte sur votre structure. Aussi, prenez en considération que les capteurs sont des aides parfaites qui vont vous fournir des données en temps réel, notamment sur le fonctionnement mécanique de votre exosquelette.
Matériaux et techniques de fabrication
Le DIY d’exosquelette nécessite des matériaux qui vont entrer dans sa conception. Un choix adéquat de matériaux vous assurera une légèreté, certes. Mais aussi de la robustesse et un excellent confort lors du port de votre dispositif.
Les textiles techniques
Optez pour des bandes élastiques et pour des ceintures de maintien. Ces deux dernières vont parfaire l’ajustement et vous apporter un excellent confort. Leur avantage réside dans leur souplesse qui va ainsi fixer l’exosquelette au corps sans que cela vienne gêner vos mouvements. De plus, les charges seront bien réparties.
Les composites
Du côté des composites, on va privilégier la fibre de carbone pour les parties porteuses de l’exosquelette. La préférence pour ce type de matériau est due à sa légèreté, mais également à sa grande résistance mécanique. Le résultat ? Une réduction du poids total de votre dispositif tout en maintenant sa robustesse et sa solidité.
Prenons l’exemple des exosquelettes industriels modernes. Ceux-ci utilisent exclusivement des cadres en fibre de carbone pour faciliter le mouvement, mais aussi pour diminuer la fatigue musculaire. Et, le tout pour un poids n’excédant pas les deux kilos.
Les ressorts et les systèmes passifs
Si vous souhaitez limiter la consommation en électricité, alors il vaut mieux intégrer des systèmes passifs tels que les ressorts. En effet, ils stockent mais restituent également l’énergie mécanique effectuée lors des mouvements. En réalité, les ressorts permettent de réduire la charge sur les moteurs tout en prolongeant l’autonomie de l’appareil. Utilisés pour assister des gestes répétitifs tels que le levage et la flexion, les ressorts vous évitent de recourir de manière continue à une autre source d’énergie externe.
Les techniques de fabrication
Afin de produire des pièces sur mesure, le meilleur moyen reste l’impression 3D. Vous pourrez en faire en PLA ou en TPU flexible. En outre, le dépôt de fil fondu, ou FDM, va permettre de combiner en même temps rigidité et souplesse. Cela facilite la fabrication des exosquelettes hybrides.
Sécurité et réglementation pour l’exosquelette DIY
Fabriquer un exosquelette est une chose, mais respecter la réglementation en vigueur pour ces dispositifs en est une autre.
Sachez que la sécurité pour fabriquer un exosquelette et son utilisation est encadrée par des normes. Ces dernières ont pour objectif de vous protéger. En France, c’est la norme NF X35-800 qui permet d’intégrer l’exosquelette dans le domaine professionnel. Et ce, tout en insistant sur le respect des seuils de pression et de force qui vont éviter l’apparition de lésions musculaires et articulaires.
Dans le cadre d’un exosquelette fait maison, les prototypes devront progressivement être validés, en commençant, par exemple, par la fabrication d’un prototype d’exosquelette modèle réduit avant de passer à des essais grandeur nature.
Aussi, il faut penser d’un point de vue éthique. En effet, la fabrication d’un exosquelette DIY fait maison ne dispose pas d’une certification officielle. Ce qui peut grandement exposer les fabricants amateurs et aux utilisateurs d’un exosquelette fait maison à des risques plus ou moins élevés. Dans ce cas, la responsabilité en cas d’une quelconque défaillance incombe automatiquement au fabricant. Il est donc essentiel de respecter ces quelques principes de base sécuritaires pour limiter les risques juridiques et garantir, par la même occasion, votre bien-être.
Cas pratiques d’exosquelette robotique maison
Les DIY d’exosquelettes et d’exosquelette robotique maison n’est pas récent. Et pour cause, de nombreux projets ont démontré qu’il était fort possible de fabriquer un exosquelette allant du prototype pour des projets étudiants aux modèles plus professionnels.
Ainsi, le projet étudiant à l’ENS Cachan était de se lancer dans la conception d’un exosquelette pour les membres inférieurs. Le prototype des étudiants modélisa sous CATIA. Le modèle réduit a vu le jour en 1/4.
Le projet a été réalisé en collaboration avec des médecins ainsi qu’avec la cellule handicap de l’ENS. En fait, cet exosquelette était destiné à réduire la sollicitation musculaire lors des déplacements des charges lourdes. D’autres créateurs ont montré comment construire un exosquelette simple grâce à une structure faite en tuyaux de PVX et des actionneurs recyclés.
Bien entendu, un exosquelette fait maison nécessite aussi un bon entretien. À ce sujet, consultez notre article : Guide d’entretien d’un exosquelette : durée de vie et maintenance.
Conclusion
Construire un exosquelette est certes un défi ambitieux qui demande des connaissances en la matière, mais c’est un défi réalisable. La conception d’un exosquelette fait maison mêle biomécanique, impression 3D et ingénierie pour les plus avertis. Il permet de concevoir des prototypes d’exosquelettes fonctionnels chez soi.
N’oubliez pas qu’un exosquelette doit s’adapter à votre morphologie, mais il est tout aussi important que vous appreniez à vous adapter à lui.
La faisabilité d’un projet de cette envergure n’est pas à la portée de tous. Généralement, ce sont des fabricants avertis et des étudiants qui se lancent à la tête de ces projets. Pour cela, il faudra connaitre les questions légales, éthiques et disposer de fortes connaissances techniques. Avec un peu de patience, vous pourrez construire un exosquelette fait maison, certes simple, qui pourra être utilisé et qui sait : vous pourrez même le faire breveter !
Pour en savoir plus, rendez-vous sur notre site dédié aux exosquelettes.
