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Projet TPE :L’EXOSQUELETTE

ANNEE SCOLAIRE 2012 - 2013

Romuald LEBON et Adrian ROBERT

2013 EXOSQUELETTE ECRIT

Introduction Il faut savoir qu’environ 1% de la population mondiale dépend de fauteuils roulants pour se déplacer. Avec le vieillissement de la population, ce nombre est en train d’exploser!

Cela signifie qu'environ 3 millions d’américains, 5 millions d’européens, un total d’environ 10 millions de citoyens dans les pays développés, et de 60 millions de personnes dans le monde entier dépendent de fauteuils roulants.

Bien que la qualité des fauteuils roulants se soit considérablement améliorée au court des dernières décennies, les options pour les personnes avec des handicaps moteurs sont limitées.

Mais, Tout ceci est sur le point de changer.


ProblématiqueComment l’exosquelette pourrait-il

intervenir dans notre futur ?


Tout d’abord, Que veut dire Exosquelette ?

Exo est un mot grec qui signifie «à l’extérieur». Contrairement au squelette humain qui soutient le corps de l’intérieur, un exosquelette soutient le corps de l’extérieur.


Et à quoi les Exosquelette pourraient-ils donc bien servir ?

Ils sont généralement conçus pour permettre aux personnes qui souffrent d'handicaps liés à la mobilité, de marcher ou d’augmenter leur force et leur endurance.

-Sommaire-


-Partie 1): Un exosquelette français ?.....................................................1

-1-Présentation du model d’exosquelette français “Hercule”.............................1-2-objectif de l’exosquelette “Hercule”...........................................................2

-Partie 2):Comment ca marche ? ...........................................................3

-1-Les composants de l’exosquelette Hercule..................................................3-2-Le Fonctionnement de l’exosquelette “Hercule”...........................................4-3-Le mouvement.........................................................................................5-4-Les Capteurs...........................................................................................7-5-L’alimentation.........................................................................................8-6-Le contrôle robotique autonome................................................................10

-Partie 3): De quoi est il donc capable? .................................................12

-1-capacité de l’exosquelette “Hercule”..........................................................12

-Partie 4): et après ? ...............................................................................13

-1-”Hercule” Collaboratif ? ...........................................................................13-2-Concurrence...........................................................................................14


-3-Prochain objectif pour “Hercule”...............................................................16-4-l’avenir pour les exosquelettes .................................................................17

-Partie 5):Etude.........................................................................................20

-1-Etude dans le domaine du travail................................................................20

-Partie 6) : Conclusion.............................................................................23

-Partie 1) : Un exosquelette français ?

-1-Présentation du model d’exosquelette

français “Hercule”

Tous d’abord, l'entreprise RB3D Spécialiste des systèmes ergonomiques, s'est vu accorder en 2008, 2 millions d'euros par la DGA (Budget de 2,7 millions) pour créer un exosquelette militaire permettant aux troupes à pied de porter 50Kg sans effort.


Ils ont aussi dans le futur autorisé à en tirer des applications civiles. Piloté par la Direction Générale de l’Armement et aussi grâce au financement via le dispositif RAPID, qui permet de soutenir les PME innovantes, le programme Hercule a donc vu le jour.

-2-Objectif de l’exosquelette

“Hercule”

L’objectif de ce prototype est

Simple : renforcer les capacités du

corps humain à transporter de

lourdes charges, allant de 50 à

100kg, sans qu’il

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d’effort : ce ne sont plus les muscles qui

portent le poids, mais la structure

-Partie 2) : Comment ça marche ?-1-

Les composants de l’exosquelette Hercule2


L’exosquelette Hercule est donc composé principalement :

-d’une détection automatique des mouvements

-d’un renforcement des capacités de charges allant jusqu’a 100kg

-d’un transport d’équipement lourd

-d’une Batterie intégrée avec une assez bonne autonomie

-2-Le Fonctionnement de

l’exosquelette “Hercule”

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Un atout de taille d'Hercule, « l’asservissement ». Le robot n’est pas commandé, il détecte de lui-même les mouvements de l’utilisateur et ne fait que les accompagner en supportant les efforts à la place de l’homme.

Autrement dit, si vous commencez à esquisser le début d’un pas, la jambe mécatronique (L'intérêt de ce domaine est de concevoir des systèmes automatiques puissants et de permettre le contrôle de systèmes complexes.) suit immédiatement le mouvement (ainsi que lorsque vous réduisez l’allure, ou décidez de vous arrêter, bien entendu).

L’équilibre de l’exosquelette est supervisé par une centrale inertielle, pour une sécurité maximum. Avant d’être à l’aise avec cet équipement, il y a bien sûr une petite phase d’adaptation et de prise en main.

-3- Le mouvement volontaire

Les exosquelettes d'aujourd'hui doivent servir à assister, voir à remplacer le corps humain, comme les fonctions du squelette et des muscles. Pour cela il paraît logique qu’ils reproduisent plus ou moins la

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forme et les fonctions du squelette et des muscles. Ils doivent, comme le corps humain, réagir presque instantanément aux ordres du cerveau.

Lorsqu'une personne veut effectuer une action simple, comme se lever, marcher etc. le cerveau envoie des impulsions électriques jusqu'aux muscles (ce sont les informations sensitives efférentes). De légers signaux bioélectriques, sont transmis par les cellules qui font usage de la bioélectricité pour stocker de l'énergie issue du métabolisme, pour produire un travail ou pour transmettre des signaux à d'autres

cellules. Ils apparaissent alors à la surface de la peau.

En effet, la transmission de l'information se fait par l'intermédiaire des nerfs et des neurones. Les nerfs sont des organes du système nerveux périphérique, et sont composés de neurones. Ce sont des cellules dont la fonction est de transmettre l'information.

C'est par un déplacement d'ions que l'information ici appelée le « potentiel d'action » se transmet. Arrivé au bout du neurone, le signal est envoyé au neurone suivant par des synapses par un procédé biochimie.Les ions déplacés sont des ions sodium Na+ et potassium K+. Ils génèrent un courant faible, d'un ordre de grandeur de 100mV.

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Le système de l'exosquelette les détecte et les interprète par l'intermédiaire de capteurs bioélectriques liés à la peau pour assister le mouvement que l'utilisateur effectue.

Un ordinateur embarqué analyse immédiatement la puissance musculaire que l'utilisateur entend utiliser. L’ordinateur calcule ensuite en fonction de ces données

la puissance nécessaire à générer pour assister l'utilisateur.

Il commande ainsi les générateurs, qui actionnent les articulations et mettent le corps en mouvement à l'aide d'un système hydraulique.

-4-Les capteurs:

Les nerfs du robot

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À coté de cela, d'autres capteurs permettent de mieux appréhender et réaliser les mouvements, comme les capteurs d'angles entre les membres, ou des capteurs de réaction avec le sol. Si l'homme est tout à fait capable de se maintenir debout tout seul, il paraît logique qu'un sac de 50kg qui lui semble n'en peser que 10 modifie son sens de l'équilibre.

Les capteurs de position doivent donc, en fonction des résultats des capteurs bio-électriques, adapter la position afin de garder l'équilibre autour du centre de gravité de l'ensemble exosquelette et de l'individu.

-5- Alimentation

Alors que les squelettes externes ont longtemps été « filo-alimentés », de plus en plus de prototypes embarquent une ou plusieurs batteries électriques. L'autonomie opérationnelle dépasse cependant rarement

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les 3h pour un exosquelette complet (membres inférieurs et supérieurs), et 20h pour un exosquelette assistant uniquement les membres inférieurs, et l'énergie nécessaire est considérable.

Des sources d'énergies renouvelables comme le solaire ne seraient donc, dans l'optique d'une autonomie illimitée, d'aucune utilité tant l'avantage en matière d'apport énergétique serait faible par rapport à l'encombrement. Toutefois, il est envisageable d'embarquer un petit panneau solaire pliant pour recharger les batteries, lors d'une pause par exemple.

Pour palier en partie ce problème, des chercheurs sont partis du fait que l'homme dépense presque autant d'énergie pour freiner ses mouvements que pour les amorcer. En effet, lorsque l'homme effectue un mouvement, même simple, comme par exemple « lancer » sa jambe en avant pour marcher, il utilise une certaine énergie pour actionner le muscle « utile », et presque autant d'énergie pour alimenter le muscle antagoniste et permettre au mouvement de s'effectuer sans à-coups.

De l'énergie est encore perdue lorsque le mouvement se termine en se bloquant sur les limites de l'articulation. En plaçant des capteurs d'énergie au niveau des articulations, il est ainsi possible de


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récupérer une partie de cette énergie. Ainsi, lors du départ de l'action, aucune résistance n'est opposée au mouvement.

Par contre, lorsque le mouvement est lancé et qu'il faut le freiner, le système oppose une légère résistance au mouvement, permettant ainsi de récupérer l'énergie. L'emploi de matériaux piézo-électriques, c'est à dire produisant de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique, est une autre piste explorée.

-6-Le contrôle robotique autonome

Afin d'être efficace et utile, le cycle dont il a été question précédemment doit se dérouler en une fraction de seconde. Pour cela, les différents mouvements que l'homme peut accomplir sont liés à des actions précises, pré-enregistrées dans l'ordinateur de bord.

Voici un exemple d'un de ces cycles :

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se lever d'une chaise : position assise

- détection d'un mouvement du buste vers l'avant,

- l'ordinateur anticipe que l'utilisateur prévoit de se lever de sa chaise pour passer en position debout

- le cerveau de l'utilisateur envoie la commande de contraction à ses quadriceps pour continuerl'action

- l'ordinateur ayant anticipé cette action, réagit presque instantanément et envoie l'information aux générateurs.

La plupart des actions courantes (marcher, sauter, monter des escaliers...) sont le plus souvent pré-rentrées dans l'ordinateur de bord. Mais certains systèmes peuvent également apprendre(se corriger).

Ainsi, lorsque l'utilisateur répète plusieurs fois une action inconnue (par exemple soulever des charges d'une certaine manière), l'ordinateur garde la suite de mouvements en mémoire afin d'assister plus efficacement l'utilisateur la prochaine fois.

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C'est un mode de fonctionnement particulièrement adapté pour les personnes handicapées dont les capacités physiques, notamment au niveau du système nerveux, ne permettent pas toujours d'envoyer ce signal bioélectrique permettant d'effectuer le mouvement désiré.

-Partie 3) : De quoi est il donc capable? Et pour qui?

-1-Capacité de l’exosquelette

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“Hercule”Il a déjà fait sensation au salon Milipol, qui

expose les dernières nouveautés en matière de matériels destinés à la police et aux militaires.

Hercule, en effet, est un projet de la DGA, Direction générale de l’armement, et est d’abord destiné aux fantassins pour leur permettre de porter de grosses charges : « de 80 à 100kg à 4km/h durant 20km » d’après le cahier des charges.

L’engin existe désormais et le projet en est au démonstrateur, conçu par le List (Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies, CEA), par RB3D » d’après le cahier des charges.

-Partie 4) : et après ?

-1-Pourquoi Hercule est-il


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Qualifié de «collaboratif»?

Parce qu’il n’y a pas de capteur d’intention, comme sur d’autres exosquelettes, c’est-à-dire des systèmes détectant la volonté d'un mouvement pour le déclencher. Ce peut être une pastille collée sur un muscle et mesurant la myoélectricité.

Hercule, lui, n'a besoin d'aucun capteur sur le corps. Il détecte le mouvement et l’assiste. C’est vraiment fluide. Vous bougez et c’est tout. Vous ne sentez pas la jambe mécatronique…

-2-De la concurrence: Comparaison Sarcos-

HerculeDeux technologies qui s'affrontent.

A la différence d’un robot, l’exosquelette n’a pour objectif que d’accroître les capacités physiquesdu porteur. Hercule, dans sa version actuelle, peut marcher sur une vingtaine de kilomètres en portant un sac à dos de 40 kilos.


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L’Hercule pèse 32 kilos avec ses batteries, 26 sans les batteries. « Chez les Américains, au bout de sept versions, le robot pèse 24 kilos sans les batteries, on a fait les choix technologiques qui nous permettront d’être encore plus légers. » constate Serge Grygorowicz, PDG de Rb3d.

Le grand rival d’Hercule, c’est le Sarcos de l'Américain Raytheon. L’un comme l’autre visent une commercialisation de leur exosquelette en 2015. Parti plus tôt, Raytheon est en avance sur le Français, car son Sarcos XOS 2, dernière version en date, dispose déjà de bras mécanisés, un élément sur lequel travaille Rb3d, et porte plus de 80 kilos de charge.

En revanche, avantage au Français sur le plan de la consommation d’énergie : Hercule annonce une autonomie record de cinq heures, alors le XOS 2 fait encore ses démonstrations, relié à un câble d’alimentation.

Serge Grygorowicz explique l’avantage d’un système de récupération d’énergie intégré: « La technologie est de type tout électrique, alors que les Américainsfonctionnent avec l'énergie hydraulique. On a un meilleur rendement énergétique. »

De plus, l’exosquelette français intègre déjà un système de récupération d’énergie : « Le gros atout c’est que l’équipement est relativement simple, et la durée de vie des batteries de cinq heures, parce que la chaîne énergétique a été optimisée. Quand on est en


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mode descente, ou en récupération de mouvement, on réinjecte l’énergie sur les batteries pour les charger. »

-3- Objectif 2015

HERCULESARCOS


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Si un second prototype de l’Hercule semble déjà fonctionner correctement, les partenaires ont encore beaucoup de chemin à parcourir avant de songer à commercialiser leur réalisation.

L’exosquelette doit être doté de ses bras. Il doit aussi monter en puissance et porter une charge de 100 kilos sans aucune difficulté d’ici à la fin de l’année.

Il pourra être commercialisé à partir de 2015 avec des bras. On pourra donc le retrouver dans des applications civiles, à un prix d’environ 20 000 euros pour les premiers exemplaires.

-4-Quel avenir pour

Les exosquelettes ?Les exosquelettes, sous leurs formes motorisées,

sont issus d’une technologie assez jeune puisqu'elle ne date que des années 80. Le développement s'est fait en parallèle avec la robotique, domaine extrêmement proche.


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Les progrès en matière de production et de consommation d'énergie, liés au réchauffement climatique intéressent tout particulièrement les exosquelettes.

Nul doute en effet qu'un mini générateur hydrogène, ou un panneau solaire léger et performant trouverait parfaitement sa place accroché à la ceinture d'un HAL 5 ou d'un BLEEX.

Les progrès sur les matériaux, notamment les

nanotubes, permettraient de réduire considérablement les quelques dizaines de kilos en trop des modèles existants, prolongeant du même coup l'autonomie des batteries et l'énergie nécessaire.

Les progrès informatiques, mécaniques, biotechnologiques etc. profitent (et profiteront) évidemment au domaine des exosquelettes. La recherche sur des fibres de myomères artificielles (reproduisant le muscle humain), pourrait également révolutionner le domaine.

HAL 5BLEEX


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Étant donné les intérêts en jeu, il ne fait aucun doute que la recherche continuera de bénéficier de subventions conséquentes, permettant ainsi d'explorer des voies encore obscures, comme celle d'exosquelettes à la forme détachée de l'anatomie humaine, permettant un nombre infini d'actions, mais dont le contrôle, surtout en temps réel, est plus difficile.

Aujourd'hui, les exosquelettes sont presque au point, c'est à dire presque prêts à être commercialisés. HAL, le système de Cyberdyne, est lui déjà commercialisé au Japon, et coûte l'équivalent de 10 000 euros.

Très loin encore d'être un produit grand public, les exosquelettes visent tout d'abord le marché des professionnels de l'industrie, de la médecine, de la défense, de l'aérospatiale...

Une fois les coûts de recherche exorbitants amortis, on peut rêver d'un exosquelette « modèle familial », permettant d'alléger les travaux du quotidien. Même si ce n'est pas pour demain, les chercheurs y travaillent évidemment.

Pour réussir à faire de cette technologie une révolution envisageable, nul doute que les


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scientifiques et les industriels devront être capables d'innover continuellement, et de s'adapter rapidement à toutes les avancées techniques.

Partie 5) : -1-

Etude

L’exosquelette pourrait donc être très utile pour soulever des charges, car n’est-ce pas son objectif principal ? Nous avons donc réalisé une étude pour montrer l’utilité d’un exosquelette :

Dans cette étude nous cherchons donc à trouver le « Moment » (caractérise la capacité d'une force à faire tourner un objet autour d'un point) qui se réalise au niveau de l’articulation du genou, avec une force de 25kg (charges maximum autoriser par les droits du travaille) qui s’exerce aux niveaux des épaules.


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- Avec aucune inclinaison du genou, le moment au niveau de l’articulation vaut 0Nm.

- Avec une inclinaison du genou peu importante, le moment au niveau de l’articulation vaut 30Nm.


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- Avec une inclinaison du genou très importante, le moment au niveau de l’articulation vaut 75Nm.

- Plus l’inclinaison du genou par rapport au sol est important plus le Moment l’est également !

C’est là que l’exosquelette peut intervenir, le droit du travail estime qu’un homme de 18-65 ans ne peut porter plus de 25kg, mais grâce à un exosquelette cela peut changer.

Nous avons vu qu’avec une inclinaison très importante du genou le moment, au niveau de l’articulation, valait 75Nm, donc grâce à un exosquelette ce moment resterait le même. Mais la force qui serait exercée au niveau des épaules serait différente, on pourrait porter dés lors jusqu'à 100kg sans que celui-ci ne charge, l’effort serait donc le même !


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Partie 6) Conclusion

Cet « exosquelette collaboratif », qui se présente comme un harnachement motorisé, servira donc aux militaires, aux infirmières ou à d’autres… à porter sans douleur des charges pesant jusqu’à 100kg. Deux ingénieurs de l’ESME Sudria qui ont travaillé à la mise au point d’Hercule expliquent à Futura-Sciences les subtilités de commande d’un robot qui sait se faire oublier et se contente d’accompagner les gestes.

Une fois finalisé, Hercule servira aussi aux civils, par exemple les pompiers et dans les professions où


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l’on soulève de fortes charges, dans le BTP notamment. Ces engins peuvent aussi servir d'aide à la marche pour les personnes âgées, ou pour les paraplégiques.

On cite souvent les infirmières comme utilisatrices potentielles de ce genre d’exosquelette, fixé aux jambes et au dos et muni de moteurs pour aider à marcher ou à soulever.

Aux États-Unis, le célèbre Sarcos XOS, de Raytheon, est d’abord destiné aux militaires. Comme on peut le voir, l’exosquelette pourrait bien devenir indispensable dans quelques dizaines d’années.

Sources:

http://www.exosquelette.fr/exosquelette-interview.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Exosquelette

http://fr.wikipedia.org/wiki/Exosquelette_motoris%C3%A9

http://www.defense.gouv.fr/actualites/economie-et-technologie/la-dga-presente-l-exosquelette-hercule-nouvelle-version2

http://www.defense.gouv.fr/actualites/economie-et-technologie/l-exosquelette-hercule-le-futur-a-nos-portes


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http://fr.wikipedia.org/wiki/Exosquelette_motoris%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Exosquelette

http://www.20minutes.fr/high-tech/952859-video-exosquelette-hercule-brouette-futur

http://www.scriptol.fr/robotique/exosquelette.php

http://www.dailynaute.com/La-combinaison-HAL-un-exosquelette-robotique-qui-permet-de-remarcher_a900.html

http://www.minutebuzz.com/2011/11/07/hercule-lexosquelette-pour-venir-a-bout-de-tous-les-travaux/

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sarcos_(entreprise_am%C3%A9ricaine)

http://www.journaldugeek.com/tag/exosquelette/

http://www.linguee.fr/francais-anglais/traduction/exosquelette.html

-Ainsi que des magazines traitant le sujet convenu…


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http://www.linguee.fr/francais-anglais/traduction/exosquelette.html

http://www.journaldugeek.com/tag/exosquelette/

http://fr.wikipedia.org/wiki/Sarcos_(entreprise_am%C3%A9ricaine)

http://www.minutebuzz.com/2011/11/07/hercule-lexosquelette-pour-venir-a-bout-de-tous-les-travaux/



http://www.scriptol.fr/robotique/exosquelette.php

http://www.20minutes.fr/high-tech/952859-video-exosquelette-hercule-brouette-futur

exosquelette ecritlafayettetpessi.free.fr/tpe la fayette 2013/tpe... · web viewils doivent, comme...

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