Systèmes d'assistance technique : High-tech et sport réunis

Le Cybathlon 2024 est à nos portes et la nouvelle équipe RISE de l'Université technique de Berlin travaille d'arrache-pied à la finalisation de son exosquelette pour paraplégiques : un regard actuel sur les progrès, les défis et la collaboration avec les partenaires.

En temps normal, les joueurs de hockey chassent le palet sur la glace de la Swiss Arena de Kloten, dans le canton de Zurich, en Suisse. Mais du 25 au 27 octobre, elle se transformera à nouveau en centre d'innovation technologique : le Cybathlon 2024 est prévu.

Lors de cette compétition internationale organisée par l'ETH Zurich, des personnes souffrant de handicaps physiques se mesureront dans des disciplines liées à la vie quotidienne, soutenues par des systèmes d'assistance high-tech. 77 équipes du monde entier se sont inscrites cette année. L'équipe RISE (Research and Innovation in Student Exoskeleton Development) de l'Université technique (TU) de Berlin concourt pour la première fois avec son exosquelette.

140 étudiants impliqués dans l'exosquelette

"Le Cybathlon a toujours été un rêve ! Puis, en octobre 2022, nous avons lancé RISE en tant que module pratique à l'université technique de Berlin, en collaboration avec l'initiative étudiante 'Ingénieurs socialement engagés*', afin de permettre aux personnes paraplégiques de se lever et de marcher", raconte Lukas Schneidewind. Il est chef d'équipe et collaborateur scientifique au département de technique médicale de l'Institut de construction mécanique et de technique des systèmes de l'Université technique de Berlin.

Au total, 140 étudiants ont travaillé avec enthousiasme pendant quatre semestres sur le développement et la construction d'un exosquelette robotique. La majorité d'entre eux sont issus des sciences de l'ingénieur telles que le génie mécanique, l'électrotechnique et l'électronique ainsi que la technique de régulation et la simulation. Mais des connaissances non techniques sont également requises : de la biomécanique aux relations publiques en passant par l'interface utilisateur et l'expérience utilisateur, le design, les aspects psychologiques et l'acquisition de sponsoring.

"Le travail transdisciplinaire est enrichissant"

"L'atelier de projet nous permet de sortir de l'enseignement très focalisé de l'université et de travailler de manière transdisciplinaire - exactement comme plus tard dans la vie professionnelle", explique Magnus Meyer, codirecteur de l'équipe RISE et étudiant en master Human Factors à l'université technique de Berlin.

La pensée interdisciplinaire est pertinente dans le cas de l'exosquelette pour une autre raison, car l'homme est finalement directement relié à la machine. Meyer qualifie l'interaction avec les pilotes paraplégiques de moment fort, car l'équipe reçoit un feedback direct sur la convivialité et la praticabilité de son développement.

Interaction directe homme-machine

En discutant avec des entreprises et des partenaires potentiels de l'industrie, les étudiants ont rapidement constaté la diversité du champ d'application d'un exosquelette. "Beaucoup associent souvent les exosquelettes à l'allègement du travail, par exemple pour soulager le dos des collaborateurs sur les chaînes de production, qui suivent les mouvements des utilisateurs", explique Magnus Meyer.

Meyer poursuit : "Mais dans notre cas, il ne fait pas que soulager, il remplace entièrement la force musculaire des jambes (hanche, genou et muscles de la cheville) en tant qu'orthèse entraînée et guide les membres en conséquence dans un mouvement ergonomique" Lukas Schneidewind ajoute : "Le fait que les exigences techniques d'un tel système, qui permet de mobiliser les paraplégiques*, soient très différentes de celles d'autres systèmes, a été et est encore aujourd'hui un grand défi de communication".

Un autre défi pour l'équipe RISE est de toujours mettre à jour les exigences techniques appropriées pour le système avec les connaissances acquises lors des formations. Pour reproduire de manière optimale le mouvement naturel de la marche avec un exosquelette et pouvoir contrôler le centre de gravité pendant la marche, il faut des engrenages et des moteurs plats en conséquence, qui s'appuient sur le corps.

Exigences spéciales en matière de technique

Les étudiants ont donc installé dans les articulations de la hanche et du genou des entraînements à couple dynamiques EC frameless sans balais de maxon dans les tailles 65 et 85 mm. Les kits de moteurs BLDC avec technologie de rotor interne ont été spécialement développés pour ce que l'on appelle les joints robotiques, c'est-à-dire les articulations dans l'environnement robotique.

Ils sont particulièrement puissants, robustes et compacts. "Nous livrons ces nouveaux entraînements sans roulements à billes, l'utilisateur stocke lui-même l'unité rotor et stator", explique Falko Simon, Area Sales Manager chez maxon. Et d'ajouter : "L'entraînement atteint en outre des couples élevés allant jusqu'à 300 Nm, ce qui est nécessaire pendant une courte période lorsque la personne est à genoux ou monte des marches élevées. Il est donc parfaitement adapté aux applications du Cybathlon"

Une autre particularité est que les moteurs maxon et les réducteurs du fabricant Ovalo, une filiale de Nabtesco Europe, forment une unité. Falko Simon : "Les réducteurs ont ce qu'on appelle une forme de pancake et nous avons intégré nos entraînements DT dans les réducteurs. L'ensemble est quasiment un produit, ce qui nous a permis de créer une unité extrêmement plate" Grâce à l'atmosphère ouverte et partenariale, il a été possible de trouver des solutions pragmatiques en l'espace de quelques semaines, explique Lukas Schneidewind. Falko Simon ajoute : "Les étudiants étaient en outre très curieux de connaître notre savoir-faire en tant que partenaire industriel, c'était amusant"

Perspective d'avenir : un exosquelette sans béquilles

Actuellement, les étudiants en sont aux dernières étapes de l'implémentation du logiciel et des adaptations des différents modèles de mouvements, avant de commencer les entraînements finaux avec les deux pilotes pour le Cybathlon. En ce qui concerne l'avenir, le chef d'équipe Schneidewind a déjà des objectifs concrets : "Nous avons maintenant une première base, mais à long terme, nous pouvons encore définitivement downsizer. Actuellement, l'exosquelette est un système très lourd d'environ 80 kilos, mais il permet par exemple de monter sans effort sur une marche élevée. Les systèmes existants ne peuvent pas le faire sans s'accrocher en plus. Travailler sans béquilles est le grand objectif"

Mais pour l'instant, l'équipe se réjouit du Cybathlon. "Si nous pouvons participer à une partie des épreuves, nous aurons déjà remporté un énorme succès - et ce en l'espace de deux ans, alors que d'autres équipes participent déjà depuis plus de dix ans"

Droits d'auteur de l'image : Christian Kielmann