Comment concevoir un exosquelette

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Un exosquelette doit être léger, compact, puissant, fiable et facile à utiliser - quoi de plus facile ? Christian Bermes, responsable de l'équipe chargée de l'amélioration de VariLeg, explique en quoi consiste cette démarche.

La mécanique

“Imiter la démarche humaine avec des systèmes mécatroniques est un énorme défi d'ingénierie. La structure qui soutient la personne doit être aussi légère que possible, mais aussi robuste, car chaque kilogramme supplémentaire a un impact sur les systèmes d'entraînement. C'est pourquoi des matériaux légers comme le carbone sont souvent utilisés. Il est également important que l'exosquelette ne soit pas trop large, car le pilote doit pouvoir franchir n'importe quelle porte sans difficulté.”

Les entraînements

“Les systèmes d'entraînement, composés d'un moteur et d'un réducteur, doivent fournir un couple élevé. Des forces énormes sont à l'œuvre, surtout lorsqu'on monte et descend les escaliers. En même temps, un niveau élevé de dynamique est nécessaire, car les moteurs doivent constamment changer le sens de rotation en raison du mouvement de marche. Le dernier point sur la liste de souhaits est une conception compacte qui prend le moins de place possible.”

L'interface utilisateur

“Les pilotes doivent avoir un contrôle total sur leur locomotion, les commandes de mouvement doivent donc être facilement accessibles et conçues de manière intuitive. En outre, pour garantir que l'interface transmet de manière fiable les grandes forces en jeu tout en protégeant la peau sensible du pilote, elle doit être adaptée individuellement aux jambes et au torse du pilote.”

 

Le pilote et l'expérience

“C'est sans doute le point le plus important. Le bon fonctionnement d'un exosquelette dans la pratique dépend principalement du pilote, qui doit s'habituer à l'assistance robotique et apprendre à l'utiliser au mieux. Certaines personnes comptent davantage sur la force, d'autres sur la technique. Dans tous les cas, cela nécessite une formation très poussée.”

Les degrés de liberté

“Combien de degrés de liberté devrait-il y avoir ? C'est une question délicate. Les concepteurs d'exosquelettes optent souvent pour deux degrés de liberté par jambe, donc seuls la hanche et le genou bougent. Les avantages sont les suivants : moins de poids, un système de contrôle plus simple, et donc moins de sources d'erreur. Cependant, il est possible d'avoir trois ou quatre degrés de liberté. Cela signifie que vous pouvez avoir un mouvement latéral, par exemple, ou actionner en plus la cheville. Cela donne au pilote une plus grande liberté de mouvement et une plus grande stabilité sur un terrain accidenté. D'autre part, cela rend l'ensemble du système plus lourd et plus complexe, et diminue également la durée de vie de la batterie”

Les logiciels

"A première vue, contrôler moins de degrés de liberté semble simple. Cependant, lorsque l'on entre dans les détails, la mise en œuvre est un peu plus complexe. En effet, de nombreux mouvements différents doivent être contrôlés et les accidents doivent être évités grâce à des dispositifs de sécurité. En outre, l'ensemble de l'exosquelette doit être développé plus avant en coopération avec le pilote. Cela ne peut être réalisé qu'avec une architecture logicielle viable".

 

Christian Bermes est chef d'équipe chez VariLeg enhanced et professeur d'automatisation et de mécatronique à la HSR University of Applied Sciences, Rapperswil.

Nouvel exosquelette VariLeg avec des moteurs deux fois plus puissants

L'équipe VariLeg enhanced développe et construit un exosquelette pour le Cybathlon 2020. Cependant, le projet en cours n'a pas grand chose à voir avec l'équipe VariLeg de l'ETH Zurich qui a participé en 2016. L'exosquelette actuel a été développé comme un projet d'étudiant. Une équipe mixte de l'ETH Zurich et de la Haute école spécialisée de la HSR à Rapperswil travaille actuellement à l'achèvement du système robotique. Le système possède deux degrés de liberté. Il y a deux moteurs plats sans balais de maxon de chaque côté pour déplacer les hanches et les genoux. Ceux-ci délivrent une puissance allant jusqu'à 600 W.

«On estime que 185 millions de personnes dans le monde utilisent un fauteuil roulant. Pour beaucoup d'entre elles, les exosquelettes peuvent être un complément utile.»

Otto Ineichen, développement des affaires médicales à maxon : “Par-dessus tout, les disques pour les exosquelettes doivent être légers. Et une faible hauteur totale est également importante. Cependant, une densité de puissance et une dynamique élevées sont également nécessaires, car les moteurs doivent changer de sens de rotation fréquemment et très rapidement. Chez maxon, nous développons actuellement une nouvelle plate-forme de produits composée de moteurs spécialement conçus pour répondre aux besoins du marché de la robotique. Ces nouveaux moteurs sont basés sur le concept EC-i sans cadre. Ils peuvent ensuite être combinés avec des réducteurs appropriés, en fonction de l'application et des besoins.”

 

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