Les exosquelettes ont envahi le quotidien de milliers de personnes dans le monde. Conçus pour nous faciliter la vie, ces dispositifs reposent sur de nombreux composants qui ont évolué au fil du temps. De plus, les éléments des exosquelettes passifs diffèrent de ceux des exosquelettes actifs. La technologie des exosquelettes étant plus complexe qu’on pourrait bien le croire.
Intelligence artificielle, capteurs, matériaux robustes et légers, tout est pris en compte pour améliorer le travail, réduire la fatigue et redonner de la mobilité aux personnes dans le besoin. Dans cet article, nous allons nous pencher sur ce qui le constitue pour comprendre en profondeur le fonctionnement de l’exosquelette du point de vue de la conception.
Rétrospective des énergies utilisées au cours des années pour l’exosquelette
Depuis 130 ans, les ingénieurs s’attellent à aider les personnes qui ont perdu une partie ou la totalité de leur motricité à augmenter leurs performances physiques et à réduire la fatigue en créant les exosquelettes. Cependant, les travaux n’ont pas toujours été fructueux concernant le poids de ces dispositifs et les sources d’énergie utilisées. Petit retour en arrière.
En 1890, un des exosquelettes utilisait pour fonctionner de l’énergie stockée dans des sacs de gaz comprimé afin de faciliter le mouvement. Toutefois, ce modèle reposait toujours sur la force humaine, ce qui n’était pas adapté aux personnes ayant perdu l’usage de leurs jambes.
Plus tard, en 1917, le nouveau modèle d’exosquelette nommé le podomètre a utilisé la vapeur pour déplacer les ligaments artificiels en parallèle des mouvements de l’utilisateur. Le problème résida cependant dans la difficulté de produire la vapeur. En 1965, l’Hardiman, conçu par General Electric en collaboration avec les forces armées américaines, a tenté d’alimenter son exosquelette avec une combinaison d’hydraulique et d’électricité, provoquant des violents et incontrôlables mouvements de cet exosquelette.
Pour ce qui est de l’exosquelette actif, celui-est composé de :
- D’une batterie ;
- De capteurs ;
- De l’intelligence artificielle ;
- De moteurs et d’actionneurs ;
- De matériaux.
Un exosquelette motorisé ne peut pas fonctionner, du reste, pour le moment, sans tous ces composants essentiels.
L’innovation des exosquelettes et l’apparition des batteries
Avec le temps et avec l’innovation des exosquelettes, les batteries ont pu remplacer les anciennes méthodes d’énergies utilisées. Les batteries sont notamment utilisées dans les exosquelettes actifs ou robotisés, employés en conséquence dans le secteur médical, logistique et militaire. Cependant, lors des prémices des essais des batteries, l’autonomie était insuffisante puisqu’elle était uniquement de 40 minutes d’affilée. Ce fut le cas pour le premier exosquelette alimenté par une batterie, le Raytheon XOS.
La batterie lithium-ion
Le fonctionnement des exosquelettes motorisés reposant sur la batterie lithium-ion a chamboulé ce dispositif. En effet, le premier modèle performant, le ReWalk, est un système d’aide à la marche bionique. Léger et portable, il est surtout utilisé dans la rééducation des patients atteints de lésion de la moelle épinière. La batterie lithium-ion rechargeable est embarquée dans un sac à dos et offre 8 h d’autonomie avec une seule charge. Un exploit dans le domaine !
Guardian XO (SARCOS) avec autonomie de 8 h via batteries interchangeables
Un exosquelette militaire, destiné au Commandement des opérations spéciales américaines, le Guardian XO, produit par SARCOS, est, lui aussi, alimenté par des batteries rechargeables et remplaçables à chaud avec une autonomie de huit heures.
Batterie rechargeable Indego (Parker Hannifin) pour usage médical
L’Indego de Parker Hannifin est un exosquelette qui a fait ses preuves dans le monde de la rééducation. Son autonomie repose sur une batterie rechargeable de longue durée et à changement rapide.
En cas de panne de courant, il y a des dispositifs de sécurité directement intégrés qui vont permettre de verrouiller les articulations du genou. C’est en 2016 que la FDA (Food and Drug Administration) a approuvé l’Indego pour un usage clinique, mais aussi personnel. La batterie alimente l’ensemble du moteur, des capteurs et des systèmes électroniques pour soutenir et amplifier les mouvements.
Capteurs : interface homme-machine
Les capteurs sont des composants qui permettent d’enregistrer les données biométriques et environnementales. Il existe :
- Des capteurs cinématiques ;
- Des capteurs cinétiques ;
- Des bio-capteurs.
Les capteurs cinématiques comme les IMU (inertial measurement units) servent à mesurer les angles et les accélérations. Les capteurs de pression plantaire détectent, quant à eux, les phases de marche. Les capteurs cinétiques sont des jauges de contrainte et des capteurs piézoélectriques qui permettent de mesurer les forces.
Enfin, les bio-capteurs comme les électrodes EMG souples détectent l’intention motrice.
En réalité, les capteurs biométriques enregistrent les signaux musculaires, le rythme cardiaque ainsi que la pression artérielle. Cela contribue à ajuster les mouvements de l’exosquelette selon les besoins de celui qui le porte.
Les capteurs environnementaux regroupent tout ce qui touche aux caméras et aux capteurs infrarouges ou acoustiques pour fournir des données sur l’environnement. La navigation est ainsi sécurisée. Pour synchroniser les mouvements de l’exosquelette avec ceux de l’utilisateur, les capteurs bioélectriques, quant à eux, détectent les signaux électriques du dispositif.
Enfin, les capteurs d’angles ainsi que les autres capteurs de sécurité évitent les mouvements incontrôlés considérés comme dangereux, en ajustant les limites de mouvement de l’exosquelette.
Intelligence artificielle et traitement des données
Il est crucial de prendre en compte l’intelligence artificielle lors du développement d’exosquelettes, que ce soit pour gérer les données ou améliorer leur efficacité. Cela sert à la fois à réhabiliter les patients et à augmenter les capacités humaines, comme pour l’exosquelette pour les personnes âgées.
Contrôle robotique et adaptation dynamique
Dans le contrôle robotique (RC), l’intelligence artificielle contrôle les mouvements de nos exosquelettes en adaptant leur réponse aux intentions de celui qui le porte. Cela va inclure, entre autres, la classification de la locomotion (LC) ainsi que la détection des intentions (ID) dans l’optique de fournir une assistance personnelle.
Par ailleurs, concernant l’adaptation dynamique et les algorithmes de l’intelligence artificielle permettent aux dispositifs robotisés de s’adapter aux mouvements ainsi qu’aux besoins évolutifs de l’utilisateur. Ce qui va alors améliorer la coordination et l’efficacité des mouvements.
Analyse des mouvements et optimisation des paramètres dans le traitement des données
L’intelligence artificielle va plus loin encore, puisqu’elle analyse les données provenant des capteurs de l’exosquelette afin d’identifier les mouvements et d’améliorer son assistance. Ici, la reconnaissance des gestes et la prédiction des trajectoires articulaires sont prises en compte.
Aussi, les algorithmes de l’intelligence artificielle améliorent les paramètres de contrôle de nos dispositifs. Par exemple, les angles articulaires et les forces appliquées vont maximiser l’efficacité de ceux qui les portent et, par la même occasion, réduire la fatigue.
Applications en réhabilitation, sécurité et ergonomie
Parmi les autres rôles de l’IA dans les exosquelettes, et pas des moindres, on peut citer :
- Le suivi de la performance : en analysant les performances des usagers et en apportant des retours en temps réel qui vont permettre d’ajuster les stratégies thérapeutiques.
- La détection des risques : en prédisant et en atténuant les risques ergonomiques comme les mauvaises postures et les surcharges des articulations grâce aux alertes ;
- La mise en place des thérapies personnalisées : en adaptant les stratégies d’assistance et des protocoles de progression.
La firme German Bionic développe des exosquelettes intelligents pour améliorer la sécurité et la productivité sur les lieux de travail. L’analyse des mouvements et les alertes ergonomiques sont fournies par l’IA intégrée dans l’exosquelette de manutention.
Moteurs et actionneurs des exosquelettes
C’est grâce aux moteurs et aux actionneurs que l’utilisateur peut se déplacer et manipuler des charges avec plus de facilité et surtout, avec davantage d’efficacité. Les deux technologies prépondérantes en dehors de l’IA dans l’exosquelette sont les moteurs électriques et les actionneurs pneumatiques.
Les moteurs électriques
Nous ne sommes pas face à un gros moteur de voiture, mais à un moteur électrique version miniature et à haute densité de couple. Les moteurs électriques ont pour fonction de contrôler les mouvements des articulations de notre exosquelette, mais également de générer les forces qui vont venir soutenir les mouvements humains et, par conséquent, les améliorer.
D’autre part, les moteurs électriques maintiennent l’équilibre et la stabilité de l’exosquelette lors du port de charges lourdes.
Parmi les moteurs électriques les plus connus, on retrouve l’EC Flat de Maxon pour couple élevé dans un format compact et le DC motors. Les moteurs sans balais à courant continu sont privilégiés à cause de leur longévité et surtout à cause de leurs performances énergétiques.
Les actionneurs pneumatiques
Ces générateurs de force sont situés au niveau des articulations et génèrent les efforts nécessaires pour permettre de mouvoir le dispositif. Les actionneurs sont pilotés par les moteurs et sont aussi nommés les « muscles électriques ». Grâce à eux, on a un contrôle précis des mouvements pour améliorer l’assistance de l’utilisateur, que ce soit pour une réhabilitation ou bien pour augmenter les capacités physiques.
Sachez que les actionneurs travaillent en tandem avec les capteurs pour ajuster en temps réel les mouvements de l’exosquelette en fonction des intentions de celui qui le porte.
Structure mécanique et matériaux
La structure mécanique et les matériaux sont des composants qui entrent dans la conception de l’exosquelette. Cependant, il ne faut pas oublier les éléments de la structure métallique et le choix des matériaux qui ont une incidence significative sur l’efficacité des exosquelettes, de même que sur leur confort et leur capacité d’adaptation.
Choix des matériaux : fibre de carbone et alliages métalliques
La fibre de carbone est utilisée pour sa légèreté et pour sa robustesse. Elle permet de réduire le poids des exosquelettes tout en préservant leur résistance. Par ailleurs, la fibre de carbone est souvent utilisée pour les exosquelettes, permettant ainsi d’améliorer le confort et la mobilité de celui qui le porte.
S’agissant des alliages métalliques comme l’acier ou bien l’aluminium, ils sont intégrés dans la conception des articulations à cause de leur pérennité et de leur résistance. En effet, les alliages métalliques peuvent supporter des charges lourdes tout en maintenant la stabilité des mouvements.
Design ergonomique
Selon les modèles et l’application, les exosquelettes sont conçus pour couvrir partiellement ou bien complètement le corps. Ainsi, l’Ekson Bionics couvre entièrement le corps pour une assistance généralisée, alors que le CX Soft Back va se concentrer sur le soutien lombaire.
D’ailleurs, certains exosquelettes possèdent des systèmes ajustables pour venir s’adapter à tous les morphotypes. Donc, quelle que soit la morphologie de l’utilisateur, l’exosquelette apporte un confort et un soutien optimal.
Conclusion
L’histoire et l’évolution spectaculaires des exosquelettes montrent à quel point ces dispositifs ont pu, au fur et à mesure du temps, répondre aux besoins des utilisateurs. Leur conception a certes demandé beaucoup d’efforts, d’échecs et de volonté pour obtenir les exosquelettes que nous connaissons tous aujourd’hui.
Les composants des exosquelettes ont joué un rôle majeur dans leur fonctionnement et dans leur efficacité. Pourtant, les recherches sont encore en cours pour améliorer ces prototypes intelligents qui osent braver le handicap chez de nombreuses personnes et la productivité dans le milieu industriel.
Les composants des exosquelettes pourront-ils évoluer ? Seul l’avenir nous le dira, mais il y a de fortes chances que ce soit affirmatif.
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