Dans le but d’apporter une assistance robotique aux travailleurs, aux personnes âgées et plus encore, une équipe de l’Université du Michigan développe un nouveau type d’exosquelette motorisé pour les membres inférieurs, financé par 1,7 million de dollars des National Institutes of Health.
Un Américain sur huit est confronté à un handicap moteur, avec de sérieuses difficultés à marcher ou à monter les escaliers, mais une solution robotique pourrait être beaucoup moins encombrante que les combinaisons intégrales de science-fiction. L’équipe UM prévoit de développer un système d’exosquelette modulaire et motorisé qui pourrait être utilisé sur une ou plusieurs articulations des jambes. Le projet de trois ans étudiera d’abord les travailleurs qui soulèvent et abaissent des objets et les personnes âgées qui ont perdu leur mobilité avec l’âge. Dans les travaux futurs, l’équipe aimerait inclure des personnes ayant d’autres handicaps.
« Imaginez ajouter un petit moteur à un vélo – le cycliste pédale toujours, mais il y a cette puissance supplémentaire pour gravir des collines sans trop transpirer », a déclaré le chef de projet Robert Gregg, professeur agrégé de génie électrique et informatique.
« De même, nous pouvons utiliser les attelles conventionnelles de cheville, de hanche ou de genou utilisées aujourd’hui, ajouter un système de moteur et d’engrenage spécialisé autonome et fournir de la puissance à une articulation spécifique pour augmenter la mobilité. »
Les appareils orthodontiques conventionnels, ou orthèses, ne peuvent pas aider activement les articulations humaines lors d’activités difficiles. D’autre part, les exosquelettes à la pointe de la technologie sont construits de manière à ce qu’il soit difficile pour les utilisateurs de se déplacer contre le moteur, également connu sous le nom de marche arrière du moteur. C’est en partie parce que ces exosquelettes sont généralement conçus pour remplacer la fonction complète d’un membre entier. Aider partiellement des articulations spécifiques est un défi différent.
Cependant, l’un des plus grands obstacles pour les exosquelettes est qu’ils doivent reconnaître avec précision l’intention de l’utilisateur et faire correspondre cette intention avec une action correcte. Sinon, l’exosquelette ajoute à l’effort demandé à l’utilisateur.
Il existe un continuum de possibilités de mouvement humain, des sauts d’obstacles à la marche sur une pente légèrement différente. Si l’exosquelette reconnaît la mauvaise activité, alors il gêne l’humain.
Robert Gregg, professeur agrégé de génie électrique et informatique, Université du Michigan
Il y a deux clés au système que Gregg et son équipe envisagent pour combler ces lacunes : un nouveau style de moteur et de transmission et un autre type d’algorithme de contrôle.
Le défi avec le moteur est de fournir suffisamment de couple – l’équivalent exosquelette de la force musculaire – tout en étant suffisamment petit et léger pour être porté. Habituellement, cela est réalisé en utilisant un petit moteur qui tourne rapidement et en convertissant cette vitesse en couple avec une transmission à engrenages élevés. Cette transmission rend difficile pour un utilisateur de se déplacer contre le moteur.
L’équipe de Gregg résoudra ce problème en utilisant des moteurs plats de style « pancake » qui étaient à l’origine utilisés dans les drones et ont été plus récemment utilisés dans l’Open Source Leg, un projet du membre de l’équipe Elliott Rouse, professeur adjoint de génie mécanique. Ces moteurs n’ont pas besoin d’autant d’engrenages pour fournir suffisamment de couple pour alimenter un humain, ce qui les rend faciles à rétrograder.
Pour contrôler le moteur et la transmission, l’équipe développera un algorithme de contrôle « invariant de tâche », qui ne reposera pas sur la connaissance de la tâche que l’utilisateur essaie d’accomplir afin de fournir une assistance efficace.
« Vous devez vous assurer que lorsque vous dites au moteur quoi faire, il ne combat pas l’humain, mais c’est un gros défi parce que vous ne connaissez pas toujours l’intention de l’humain », a déclaré Gregg. Au lieu de prédire où un humain se déplacera, l’équipe simplifiera le problème et travaillera à modifier la façon dont l’humain se déplace.
« Avec cette méthode, nous pouvons compenser la gravité : peu importe où vous vous déplacez, le moteur peut vous aider. Un autre exemple est l’inertie : peu importe où vous vous déplacez, le moteur peut compenser l’inertie des membres pour faciliter les mouvements », a déclaré Gregg.
En collaboration avec Chandramouli Krishnan, professeur agrégé de médecine physique et de réadaptation, et Alicia Foster, orthésiste prothésiste certifiée au Centre d’orthétique et de prothèse de l’UM, l’équipe déterminera les meilleures configurations du système modulaire pour différentes populations. L’équipe étudiera également si le poids supplémentaire du moteur est utile dans l’ensemble.
Gregg espère que le projet aboutira à un système à faible coût que tout clinicien serait en mesure de reproduire en l’ajoutant simplement aux orthèses courantes de cheville, de hanche et de genou. Et au-delà des travailleurs et des personnes âgées de ce projet, Gregg espère que le système pourrait être utile aux larges populations qui ont besoin d’une aide un peu, mais pas complète, pour se déplacer.
