Comment concevoir un exosquelette

Un exosquelette doit être léger, compact, puissant, fiable et facile à utiliser – quoi de plus simple? De nombreux développeurs du monde entier s'essaient à cette discipline avec plus ou moins de succès. Christian Bermes, responsable de l'équipe VariLeg enhanced, explique de quoi il s'agit.

Mécanique

«Imiter la démarche humaine avec des systèmes mécatroniques est un énorme défi d'ingénierie. La structure portant la personne doit être la plus légère possible mais non moins robuste, chaque kilos supplémentaire ayant un impact sur les systèmes d'entraînement. C'est la raison pour laquelle on utilise des matériaux légers, comme le carbone. L'exosquelette ne doit pas non plus être pas trop large car le pilote doit pouvoir passer les portes sans difficulté.»

Entraînements

«Les systèmes d'entraînement utilisés, qui comportent un moteur et un réducteur, doivent produire un couple élevé. D'énormes forces sont à l'œuvre, en particulier lors de la montée et de la descente de marches d'escaliers. En parallèle, le système doit être hautement dynamique car les moteurs changent sans cesse de sens de rotation à cause du mouvement de la marche. Le dernier point de la liste est un design compact occupant un espace le plus réduit possible.»

Interface utilisateur

«Les pilotes doivent avoir un contrôle parfait de leur locomotion, donc l'accès aux commandes du mouvement doit être facile et leur conception intuitive. Pour garantir que l'interface transmette les forces importantes en jeu avec fiabilité tout en protégeant la peau sensible du pilote, elle doit être configurée en fonction des jambes et du torse du porteur.»

Pilote et expérience

«Voici sans aucun doute le point le plus important. Le bon fonctionnement d'un exosquelette dépend dans la pratique surtout de son pilote, qui doit s'habituer à l'assistance robotique et apprendre comment l'utiliser pour obtenir le meilleur effet. Certaines personnes misent plus sur la force, d'autres sur la technique. Quelle que soit la technique choisie, un solide entraînement est nécessaire.

Degrés de liberté

«Combien de degrés de liberté sont nécessaires? C'est une question piège. Les concepteurs d'exosquelettes optent souvent pour deux degrés de liberté par jambe, ce qui signifie que seuls la hanche et le genou bougent. Cela présente les avantages suivants: poids inférieur, système de contrôle simplifié et donc sources d'erreur réduites. Mais il est possible de réaliser trois ou quatre degrés de liberté. Un mouvement latéral, par exemple, ou un actionnement de la cheville. Le pilote dispose ainsi d'une plus grande liberté de mouvement et d'une stabilité renforcé sur les terrains accidentés. Mais d'un autre côté, le système complet est plus lourd et complexe, ce qui réduit la durée de vie de la batterie.»

Logiciel

«À première vue, il semble simple de contrôler moins de degrés de liberté. Cependant, en y regardant de plus près, l'implémentation est plus compliquée. En effet, il est nécessaire de contrôler de nombreux mouvements différents et d'éviter des accidents en utilisant des fonctions de sécurité. Sans oublier que l'exosquelette doit être perfectionné en coopération avec son pilote. Et cela est possible uniquement avec une architecture logicielle viable.»

Christian Bermes est responsable de l'équipe VariLeg enhanced et professeur d'automatisation et de mécatronique à l'Université Technique HSR de Rapperswil.

Nouveau exosquelette VariLeg avec moteurs à double puissance

L'équipe VariLeg enhanced team développe et construit un exosquelette pour le Cybathlon 2020. Mais ce projet en cours a peu de choses à voir avec le VariLeg de l'ETH Zurich qui a participé à cette manifestation en 2016. L'exosquelette actuel a été développé dans le cadre d'un projet étudiant. Une équipe mixte de l'ETH Zurich et de l'Université Technique HSR de Rapperswil travaille actuellement à compléter le système robotisé. Le système présente deux degrés de liberté. Il dispose de chaque côté de deux moteurs plats maxon sans balais, qui bougent les hanches et les genoux. Ces moteurs sont capables de délivrer une puissance de 600 W.

Otto Ineichen, Business Development Medical chez maxon: «En tout premier lieu, les moteurs destinés aux exosquelettes doivent être ultra-légers. Il est important que leur hauteur totale soit réduite. En parallèle, le système doit être puissant et hautement dynamique car les moteurs doivent changer rapidement et souvent de sens de rotation. Chez maxon, nous développons actuellement une nouvelle plate-forme produits dédiée aux moteurs et calquée sur les besoins du marché de la robotique. Ces nouveaux entraînement sont basés sur le concept EC-i sans cadre. Ils peuvent être combinés avec des réducteurs appropriés en fonction de l'application concernée et de ses exigences.»