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Avis d'expert : tout savoir sur le fonctionnement des exosquelettes

Avis d'expert : tout savoir sur le fonctionnement des exosquelettes

Depuis une dizaine d’années, ces dispositifs robotisés destinés à soulager le travail des ouvriers ont fait l’objet d’intenses recherches. Malgré la persistance de verrous technologiques liés notamment à la lourdeur de tels équipements, ils devraient se généraliser dans l’industrie. Sege Grygorowicz, président et directeur R&D de RB3D, détaille le fonctionnement de ces équipements et les axes de R&D du secteur.

Utiliser un dispositif placé au contact du corps pour le soulager et faciliter ainsi les tâches physiquement difficiles ? L’idée ne date pas d’hier. Un brevet de 1890 décrivait déjà un mécanisme d’aide à la course pour les fantassins. Il s’agissait d’un appareil passif dont les deux grandes lames de métal courbes, qui joignaient les pieds, encaissaient le choc de l’appui au sol et restituaient l’énergie au moment de l’impulsion. Une bonne part des exosquelettes actuels fonctionnent encore sur ce principe.

1. TYPOLOGIE
Actif, passif ou intégral

La majorité des exosquelettes disponibles sur le marché sont passifs. Ces harnais équipés de mécanismes de récupération et de restitution d’énergie mécanique facilitent le maintien d’une posture donnée, en respectant les limites ergonomiques liées aux gestes à accomplir ou à la position à adopter. Ils aident par exemple à garder les bras en l’air ou à rester penché en avant. Certains sont conçus pour soulever des charges sans se briser le dos ou se tenir debout pendant de longues périodes sans trop souffrir des jambes. Un grand nombre d’acteurs ont investi ce marché qui vise essentiellement à soulager les tâches pénibles ou, dans certains cas, à apporter un soutien à la marche. On peut citer le français Exhauss, le néerlandais Laevo, les américains Ekso Bionics ou StrongArm Technologies. Ces exosquelettes passifs, déjà opérationnels, sont commercialisés pour la plupart, même si leur utilité en termes d’ergonomie et de gain de productivité reste discutable.

D’autres appareils vont encore plus loin, en tentant de décupler la force et l’endurance. Un vrai défi ! Car dans cette structure qui doit être la plus légère et la plus transparente possible, il faut intégrer de multiples moteurs, des articulations, une source d’énergie, du contrôle électronique, du calcul informatique, des sécurités… Si bien qu’il y a quelques décennies à peine, réaliser un tel dispositif était hors de portée. Depuis, plusieurs évolutions technologiques décisives ont fait disparaître les principaux points de blocage. L’essor des matériaux composites, des batteries Li-Ion et les progrès réalisés dans le domaine de la microélectronique ont en effet permis de concevoir une génération d’exosquelettes actifs prometteurs. Ces machines pèsent généralement entre 15 et 20 kg (contre 40, voire 150 kg pour certains prototypes précédents), sont dotées de deux à six moteurs, disposent d’une autonomie de quatre heures, et sont pilotées par une plate-forme de contrôle commande ARM ou par une structure PC. Elles aident à manier ou transporter sans effort et en toute sécurité des charges de 40 kg maximum. à l’instar de l’exosquelette développé, en 2015, par RB3D avec le Commissariat à l’énergie atomique (CEA) et la Direction générale de l’armement (DGA), afin de permettre aux soldats de porter un paquetage dorsal plus lourd.

Cet exosquelette partiel n’équipe que le bas du corps. Malgré les progrès accomplis, les industriels du secteur sont encore loin de pouvoir proposer un mécanisme intégral, comme celui sur lequel ont pourtant travaillé, au cours des quinze dernières années, de grands noms tels que Raytheon, Lockheed Martin et Panasonic. Un exosquelette que l’on pourrait enfiler et avec lequel on pourrait tout faire nécessiterait en effet trop de moteurs et d’énergie. Il pèserait trop lourd et serait impossible à piloter. D’où le repli vers des appareils limités à une assistance du torse, des bras, du dos ou des jambes, et dédiés à des tâches très précises. Les premières machines à avoir émergé sont des modèles d’aide à la marche, fixés sur les jambes et conçus pour la rééducation ou la mobilité des personnes handicapées, qui s’utilisent entre deux barres parallèles ou avec des béquilles pour garantir l’équilibre. Les entreprises Cyberdyne, ReWalk, Ekso Bionics, Indego sont toutes sur les rangs. Au milieu de cette effervescence, la start-up francilienne Wandercraft essaie de tirer son épingle du jeu. Elle a présenté un exosquelette de marche destiné aux personnes paralysées qui ne nécessite plus d’utiliser des béquilles. La machine gère l’équilibre par son électronique embarquée et est pilotée par les mouvements du buste.

2. MOTORISATION
Un compromis entre masse, force, énergie et autonomie

L’organe clé de l’exosquelette, c’est le moteur. C’est lui qui donne la liberté de mouvement et la force. C’est lui aussi qui va déterminer la source d’énergie nécessaire et le poids final de la machine. Trois principes ont été étudiés pour le faire fonctionner. Tout d’abord, l’énergie hydraulique, qui fait intervenir de l’huile hydraulique mise sous pression par un compresseur, et un réseau de tuyaux pour acheminer cette pression jusqu’aux articulations. Ce système permet de développer des forces énormes. Deux variétés de compresseurs ont été testées. L’un, à l’essence, présente une bonne autonomie, de l’ordre de vingt-quatre heures. Il est toutefois bruyant, inutilisable en intérieur, et non dénué de danger. L’autre, électrique, a un rendement faible. L’exemple emblématique est l’exosquelette XOS de Sarcos, filiale de Raytheon, développé pour l’armée américaine. Grâce à lui, il est possible de porter des charges de 100 kg sans fatigue. En revanche, son poids à lui seul atteignait 150 kg, et le compresseur était déporté au bout d’un ombilic de quelques mètres. Résultat, ces exosquelettes hydrauliques seront donc probablement limités à des tâches de manutention militaire ou à des opérations de sécurité civile.

Plus légère, l’énergie pneumatique est le terrain de chasse du japonais Innophys. Avantage : les actionneurs sont environ cinq fois plus légers. Mais le contrôle commande se révèle complexe, du fait de la compressibilité de l’air et de la variabilité de la température et de l’hygrométrie. Cela rend difficile le maintien des performances attendues sans recalibrage régulier. De plus, le porteur de l’exosquelette doit rester à proximité d’un compresseur d’air. Et même chargé d’une bouteille d’air comprimé, il ne pourrait pas effectuer plus de quelques centaines de mouvements avant de devoir changer de bouteille. Le pneumatique a ainsi été pressenti pour équiper des postes fixes, mais, à ce jour, son fonctionnement n’est pas validé.

3. ACTIONNEURS
Trois stratégies de[…]

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