TPE EXOSQUELETTE 

 

INTRODUCTION : 

PROBLEMATIQUE : En quoi les exosquelettes peuvent il apporté des améliorations physique tout en nous assurant une meilleur santé ? 

En quoi les os humains peuvent s’user (arthrose etc) ?                                       

Et en quoi ça évite l’usure et améliore donc notre santé ?

I – Les articulations humaines                                              

   A) Fonctionnement d’une articulation 

Nous allons prendre comme exemple pour expliquer le fonctionnement d'une articulation, celle du genou et du bras. Une articulation est une jonction permettant de relié nos os qui s’emboitent parfaitement les uns dans les autres. Les os reliés possèdent obligatoirement une tête bien arrondie qui est complémentaire avec un os possèdant une cavité correspondante (le condyle et la glène). 

B)                                   Impacte des tâches physiques sur celles-ci 

 

II – L’exosquelette 

A)                             Fonctionnement d’un exosquelette 
 

De quels manières l'exosquelette fonctionne avec un organisme ?
 Il y a une interaction entre l’exosquelette et l'organisme qui se développe en plusieurs étapes
- le message part du cerveau de l'homme qui envoie une information a ses muscles  
- Les capteurs de l'exosquelette récupèrent l'information du muscle qu'il remplace
- Ce message électrique va faire bouger l'exosquelette qui va accompagner les articulations dans leur mouvement et dupliquer la puissance musculaire
- Pour que les mouvements soient fluides, l'exosquelette est constamment connecté au système nerveux de l'utilisateur
 1) Partie logicielle:
- Un logiciel est installé sur l'ordinateur de bord qui va récupérer toutes les informations envoyées par les capteurs
- Ensuite l'ordinateur va transformer les informations en commandes et les envoyer aux déclencheurs 
 L'information est toujours différente en fonction du type de capteurs.
Si il s'agit d'un capteur mécanique, alors le mouvement de l'exosquelette sera dirigé avec une durée précise. Si il s'agit d'un capteur bioélectrique, l'information sera pour des  courts mouvements plus précis, car ces capteurs déchiffrent les mouvements avec une plus grande précision.
2) Partie Mécanique
 
La partie mécanique permet de réaliser le mouvement que la partie logicielle lui transmet. La partie mécanique est composé de plusieurs éléments : 

 

Le Cadre 

Le cadre est le socle sur lequel tous les composants sont rattachés. Il doit nécessairement être fabriqué à partir d’un matériau léger pour que l’exosquelette ne soit pas trop lourd, ce qui pourrait handicaper l’utilisateur. 

Cependant, il doit aussi être assez solide pour pouvoir lier tous les composants en place sans risque pour l’utilisateur. Ce cadre aura des jonctions au niveau des différentes articulations du corps humain (chevilles, genoux, épaule...) pour permettre un déplacement fluide et facile. 

 

L'ordinateur 

Il joue le rôle de contrôleur, il recueille les informations envoyées par les capteurs et commande les déclencheurs en fonction de ces informations. C’est lui qui permet de se mouvoir. 

Le tout est contrôlé grâce à des programmes spécifiques installés sur l’ordinateur. 

 

Les déclencheurs 

Les déclencheurs sont les éléments permettant de déplacer l’utilisateur et l’exosquelette. Ils fonctionnent à l’aide de moteur et reçoivent leurs « ordres » de l’ordinateur. 

 

Les batteries 

Les batteries doivent être légères pour ne pas trop encombrer l’exosquelette mais surtout l'utilisateur. Elles doivent avoir une autonomie permettant un fonctionnement de l’exosquelette durant la majorité de la journée. Ces batteries doivent également être rapidement rechargeables pour permettre un usage régulier. 

 

Les capteurs 

Pour fonctionner, l’exosquelette a besoin de se repérer, de récupérer des données sur sa position dans l'espace. Cette information sur sa position est fournie par les capteurs. Cela implique la présence d'un nombre important de capteurs pour permettre au système de répondre à l'ensemble des besoins de l'utilisateur. Un capteur transforme les informations qu’il reçoit de son environnement en signal électrique. Ces signaux vont être traduits sous la  forme de données numériques. 

Sans se procéder l'exosquelette ne pourrait pas reconnaitre l'environnement qui l'entoure car l'unité de commande (un microcontrôleur par exemple) ne peut traiter que des nombres numériques sous forme binaire (des bits). 

Un exosquelette peut être constitué de différents capteurs tels que des accéléromètres, des manomètres, des capteurs bioélectriques ou des capteurs d'angle. Les capteurs diffèrent par leur position sur le corps de l’utilisateur et leurs fonctions. 

 

Le moteur 

Le moteur transforme l'énergie nécessaire aux déclencheurs, pour pouvoir amplifier ou créer un mouvement. Pour cela, il en existe deux types : hydraulique et électrique. 

, 

Comment ce fonctionnement agit sur l’organisme et par quels moyens l’exosquelette peut-il se mouvoir ? 

 

Les exosquelettes représentent pour notre corps une aide musculaire car leur objectif est d’aider les muscles défaillants, voire de les remplacer. Ils vont chercher à recréer les mouvements des articulations pour pouvoir suivre le bio-mécanisme de l’utilisateur. 

 

Le corps humain peut être comparé à une machine. Les muscles et les articulations qui lui permettent d’avoir une mobilité dans l’espace, représenteraient des leviers de force. Il en existe différents types caractérisés par leurs dispositions internes. 

B)                             Utilité au quotidien et professionnelle
                                 1) Utilité au quotidien 
 Pour les personnes infirmes:
L'exosquelette est une technologie qui vise majoritairement les personnes infirmes. C'est une technologie médicale très couteuse donc qui n'est pas tout public. Elle sert surtout aux handicapés moteurs, par exemple pour les personnes incapables de marcher:  (image 1)
Dans ce cas, la personne infirme a à sa disposition 2 béquilles et des jambes robotiques motorisées pour l'aider à avancer. Ces exosquelettes permettront aux personnes infirmes de se déplacer plus facilement. Certaines personnes cependant sont dans l'incapacité totale de bouger. Pour ces personnes, des exosquelettes bien plus intelligents et innovants existent: (image 2)
Ces exosquelettes permettent aux personnes incapables de bouger de faire 
des choses simples comme prendre un verre ou ramasser des choses légères. Ces exosquelettes sont encore plus expérimentaux et donc plus chers. Ce sont donc des technologies qui ne seront pas tout de suite pour le grand publique
                2) Utilité dans la vie professionnelle 
Les exosquelettes pour les ouvriers:
Des exosquelettes sont a disposition pour certains employés afin de faciliter leur travail (image 3)
Un exosquelette développé par Panasonic permettra aux ouvriers de soulever des charges plus lourdes (+ 15kg). L'entreprise estime que d'ici 15 ans, les exosquelettes seront largement présents en général dans la vie des gens 
Les exosquelettes pour les militaires:
Certains exosquelettes servent pour les armées afin d'équiper des soldats et les transformés en militaires du futur
Par exemple, l'armée russe à des soldats équipés d'exosquelettes qui leur permet d'avoir plus de munitions, une meilleure visée et un système de communication perfectionné (image 4 et 5)
Ces exosquelettes auront surement un role très important dans les guerres modernes

C)                             Impact de celui-ci sur la santé (positif)
Les exosquelettes permettent aux hommes de contrer certains aspects d'une maladie, ou d'améliorer les capacités physiques d'un humain. Les exosquelettes sont des technologies à but médical, très expérimentales donc très couteuses. Mais on envisage déjà que les exosquelettes sont des moyens très efficaces de se soigner en quelque sorte

 

III – Les différents modèles et l’évolution de l’exosquelette 

A)                             Hercule, l’exosquelette français
L'exosquelette Hercule est un exosquelette 100 % français crée par la DGA (Direction Départementale de l’Armement)  présenté pour la première fois au salon Milipol en 2011 et développé par les société RB3D et le List (Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies, CEA) et également par une école d'ingénieurs, l' ESME Sudria (Paris).   Il existait déjà des exosquelettes dédiés a l'aide médicale mais Hercule est le premier lié à l'aide à l'effort dans le milieu industriel ou militaire mais est d'abord destiné aux soldats pour leur permettre de porter de grosses charges ( de 80 à 100 kg à 4 km/h durant 20 km ). Une fois achevé, il sera destiné aux civils, par exemple les pompiers et dans les professions où l'on soulève de fortes charges, dans le BTP notamment. On qualifie cet exosquelette de collaboratif, il n'y a pas de capteurs d'intention ( systèmes détectant la volonté d'un mouvement pour le déclencher)  comme sur d'autres exosquelettes. Hercule, lui, n'a besoin d'aucun capteur sur le corps, il détecte le mouvement et l'assiste. Cependant un exosquelette de cet ampleur est très complexe à concevoir. La difficulté est de faire cohabiter sur un système mobile des ensembles d'origine et de fonctions différentes. Plusieurs calculateurs, sont mis au point au CEA, pour les commandes robotiques. Les systèmes mécaniques sont variés et il faut qu'ils soient parfaitement optimisés et c'est RB3D qui réalise la mécanique.
L'ESME Sudria a travaillé sur la partie électronique et notamment l'électronique de puissance, ainsi que les câblages entre les calculateurs. En effet Hercule est entièrement électrique, il n'y a donc pas d'hydraulique. L'autonomie est de 5 heures soit environ 20 km. On peut se servir d’Hercule de deux façons : soit on décide de porter une charge lourde sur son dos, comme un sac à dos ; soit, ondécide d’utiliser la force des bras mécatroniques d’Hercule afin de manipuler des objets encombrants et lourds. 

B)                             Talos, le futur iron man
    Cet exosquelette se nomme TALOS, pour Tactical Assault Light Operator Suit (combinaison légère d’assaut tactique), il est crée en 2013 dans un laboratoire du MIT en partenariat avec le US Special Operations Command (SOCOM) et devrait être utilisable dans les rangs des Navy SEALS ou des Forces Spéciales américaines d’ici 2018.A la différence des nombreux exo-squelettes  qui ont vocation à alléger le fardeau que constitue l’équipement militaire, celui-ci, en plus de soulager d’un poids, est supposé apporter des modifications significatives aux capacités du soldat. Avec cet exosquelette on peut littéralement parler de super-soldat, en effet cette combinaison digne d'un jeu vidéo futuriste tiens sa force dans le fait qu'elle augmente la vitesse de déplacement de son détenteur ainsi que son endurance, mais la plus grande force de cette ensemble 
C) Wandercraft :  un espoir pour les personne handicapée.
Cet exosquelette ne nécessite pas d'effort musculaire pour activer le mouvement car il se déplace grâce à des algorithmes de robotique dynamique qui permettent d'imiter les mouvements du corps humain en interprétant l'intention de la personne via des capteurs et en fonction du degré d'inclinaison du buste. Afin de parvenir à créer un exosquelette qui puisse remplir ces fonctions, Wandercraft collabore avec des partenaires prestigieux tels que le laboratoire LAAS-CNRS, mais également avec de prestigieux établissement Américains tels que l’université du Michigan ou le California Institute of Technology (Caltech).