maxon Story

Un exosquelette médical de rééducation

Cet exosquelette a été développé pour permettre une thérapie intelligente, s'appuyant sur des données, destinée au traitement des déficiences musculosquelettiques ou neurologiques du mouvement.

L´objectif principal d´Harmonic Bionics est d'améliorer le pouvoir des patients et des soignants en élaborant une technologie intelligente qui facilite l´application d´un protocole de traitement basé sur des données pour le traitement des déficiences neurologiques et musculosquelettiques du mouvement. L´entreprise a été chargée pour cela de concevoir entièrement et d'assembler de l'exosquelette bilatéral de membre supérieur Harmony SHR™.

En permettant une intervention précoce, une répétition fonctionnelle et une thérapie basée sur l´intention, l´Harmony SHR permet aux utilisateurs d´améliorer l´efficacité de la rééducation du haut du corps. Produit phare de la société, l´Harmony SHR ajoute une valeur unique à trois domaines de pratique: la recherche en neurosciences et en sciences du mouvement, l´évaluation des troubles moteurs et la rééducation. Harmonic Bionics a sélectionné des composants commerciaux prêts à l´emploi (COTS) à intégrer dans ses différents actionneurs robotiques en fonction des exigences de chacun d´entre eux, afin de simplifier la phase de conception. La société a parfois dû faire des compromis mineurs lors de cette phase de conception, par exemple entre la taille de l´actionneur et la capacité de charge/le poids, et entre le couple maximum et la sensibilité au couple. Le produit final est suffisamment puissant pour faciliter les exercices physiques, mais sans être trop lourd ou trop encombrant.

Dans les applications typiques de bras robotisés, les personnes souhaitant se déplacer doivent quitter leur bras robotisé pour éviter au robot de les blesser. La majorité des bras robotisés du marché ne sont pas conçus pour interagir avec les humains en toute sécurité: ils ne détectent pas les personnes sur leur trajectoire et ne peuvent les éviter lorsqu'ils exécutent la tâche programmée. C´est pourquoi les robots traditionnels peuvent représenter un danger pour les personnes avec lesquelles ils interagissent, notamment dans le cadre d´une application de physiothérapie. Ce problème n'existe pas avec l´Harmony SHR, qui a été conçu pour être réactif à la force et contrôlé par l'entrée de la force de l'utilisateur au lieu des points de consigne de position typiques de la plupart des bras robotisés.

Photo 1: La précision ne joue pas un grand rôle dans la rééducation, et encore moins pendant les exercices.

Pour accompagner les patients dans leurs exercices, il est primordial que le robot applique des forces précises au patient et non qu'elles soient localisées avec précision (voir photo 1). Le robot a été conçu pour imiter les mouvements réels, et donc même de faibles forces appliquées au robot peuvent le faire bouger, ralentir ou s´arrêter complètement. Ceci garantit l´extrême sécurité de l´exosquelette robotique, pour l´utilisateur comme pour le personnel.

Photo 1: Le contrôleur ESCON de maxon est un complément compact et puissant à l´exosquelette Harmony SHR.

Une telle sensibilité à la force impliquait une nouvelle conception des actionneurs robotiques classiques. Harmonic Bionics a mis au point un actionneur robotique breveté, qui utilise une cellule de charge isolée mécaniquement de toute charge exogène. Ainsi, chaque cellule de charge détecte la force exercée par la seule articulation du robot sur laquelle elle est montée, tout en étant isolée des forces appliquées aux autres cellules, ce qui maximise la précision de détection de la cellule de charge. Les contrôleurs ESCON, fabriqués par maxon, étaient de taille compacte et facilement intégrables électriquement et physiquement (voir la photo 2). Nous avons trouvé le logiciel simple à utiliser. Les moteurs étaient accompagnés de fiches techniques informatives qui facilitaient leur intégration. Il a rarement fallu revoir notre sélection de moteurs, car les fiches techniques nous ont aidés à choisir les bons produits dès le départ.

Les actionneurs utilisés dans l´exosquelette Harmony SHR sont soit des actionneurs rotatifs avec une sortie de détection de couple et d´angle servant à assister le mouvement du patient, soit des actionneurs linéaires avec une rétroaction de position servant à redimensionner le robot pour l´adapter à un patient. L´exosquelette doit fournir une évaluation objective des capacités de mouvement du patient. Le système comprend plus de 80 capteurs qui enregistrent des mesures 2 000 fois par seconde, ce qui lui permet de mesurer de multiples paramètres avec précision, notamment l´amplitude du mouvement, la génération de force et le nombre de répétitions.

Le système de mouvement utilise plusieurs moteurs conçus et fabriqués par maxon, dont les moteurs répondent à une grande variété de besoins spécifiques à ce système. Les moteurs plats EC fournissaient par exemple le couple élevé de sortie nécessaire dans un boîtier compact adapté à la taille compacte de l´exosquelette (voir photo 3). Les moteurs plats pouvaient aussi être fournis avec des capteurs d´angle.

Photo 3: Petit mais costaud: le moteur maxon EC 60 flat fournit un couple élevé.

Le choix s´est porté sur un moteur plat EC 60 pour son diamètre extérieur proche de celui de l´entraînement harmonique et ses dimensions axiales compactes. L´arbre d´un moteur DC maxon EC 60 flat est fixé à un générateur d´ondes d´un entraînement harmonique de taille 17, choisi pour sa compacité axiale et sa capacité de couple élevée. Les réducteurs de l´entraînement harmonique donnaient les réductions élevées, le faible jeu et la capacité de couple élevée indispensables à l´entreprise pour le design.

Le stator du moteur maxon est monté sur la cannelure circulaire de l´entraînement harmonique. La cannelure flexible de l´entraînement harmonique est fixée à un arbre de sortie soutenu par un roulement à rouleaux croisés, qui supporte toutes les charges autres que le couple de sortie de l´actionneur. Étant donné que le roulement à rouleaux croisés supporte les autres charges, la seule charge agissant sur le capteur de charge est la sortie de couple du capteur de charge.

Le moteur maxon, l´arbre de sortie et l´ensemble d´entraînement harmonique peuvent tourner librement dans le roulement à rouleaux croisés. Un support est fixé à la cannelure circulaire de l´entraînement harmonique et au stator du moteur maxon. Un capteur de charge est fixé au support afin que le couple de sortie de l´ensemble global puisse être mesuré à travers le capteur de charge.

L´alignement de l´entraînement harmonique sur l´arbre du moteur maxon joue un rôle majeur dans la durée de vie de l´actionneur. Même réduit, un mauvais alignement peut causer une usure prématurée ou une défaillance du mécanisme. Par conséquent, les composants usinés sont fabriqués pour être parallèles à environ 20 microns près, pendant que la concentricité est maintenue à 30 microns pour aligner la cannelure circulaire sur le moteur maxon. L´empreinte globale des actionneurs dans le robot est d´environ 80 mm de diamètre et 90 mm de longueur. Les composants usinés contenus dans chaque actionneur sont fabriqués à partir de divers alliages d´aluminium résistant à la fatigue, et de titane de grade 5 si les contraintes sont élevées.

Le couple de sortie de l´actionneur global est d´environ 30 Nm, et l´actionneur peut produire plus de 100 Nm de crête. L´actionneur est fixé à une cellule de mesure extrêmement sensible, dont la résolution est inférieure à 10 mNm. Chaque actionneur est conçu pour avoir une durée de vie supérieure à 3 millions de tours.

Conclusion

Le design des actionneurs utilisés dans l´Harmony SHR est très abouti et ne devrait exiger que peu d´améliorations à l´avenir. Selon l´entreprise, il est peu probable qu´elle modifie l´un ou l´autre des composants COTS lors de révisions futures, en particulier les composants maxon. Les moteurs DC maxon étaient très faciles à adapter aux besoins de l´application, et maxon proposait des versions à faible jeu des réducteurs de vitesse pour les actionneurs rotatifs, ainsi que des combinaisons moteur DC à balais de petit diamètre + réducteur planétaire, pour créer des actionneurs rotatifs compacts. Les réducteurs de la vis à tête rétractable maxon ont également pu être utilisés dans les actionneurs linéaires. maxon a été en mesure de fournir tous les moteurs et le contrôleur nécessaires à l´application, s´affirmant auprès de l'entreprise Harmonic Bionics comme un partenaire fiable et compétent.