La conception de l'interface de locomotion actuelle découle du prototype à câble à six degrés de liberté (Perreault et Gosselin,2008; Otis et al.,2008; Gosselin et al.,
2009). Cependant, lors de la phase d'appui, l'impact du talon demande une rigidité importante dont le prototype à câbles ne dispose pas. L'utilisation d'un système de courroies (Laliberté et al., 2010; Gosselin et Laliberté, 2011) pour transmettre les eorts des moteurs aux eecteurs ore la rigidité adéquate pour palier le problème d'oscillation rencontré avec le mécanisme à câbles, cependant le nombre de degrés de liberté est réduit.
La plateforme de marche est un mécanisme parallèle basé sur deux eecteurs accueillant les deux pieds de l'utilisateur. Chaque eecteur possède deux degrés de liberté en trans- lation horizontale et verticale pour développer les mouvements de la marche dans le plan sagittal. La Figure2.3donne un ordre de grandeur de la plateforme avec un mannequin de taille moyenne placé sur les eecteurs. En cas de perte d'équilibre, l'utilisateur peut attraper les barres placées le long des côtés du mécanisme. La Figure 2.4 montre une image globale du mécanisme initial de la plateforme de marche. La structure est faite en aluminium extrudé possédant des rainures a n de xer des pièces supplémentaires telles que les moteurs, les poulies et les courroies transmettant le mouvement à l'ef- fecteur. Le placement des moteurs sur l'infrastructure catégorise le mécanisme dans la famille des systèmes parallèles. À la diérence d'un mécanisme sériel, aucun moteur ne déplace un autre actionneur. La puissance délivrée est essentiellement utilisée pour dé- placer l'eecteur. L'architecture d'un robot sériel oblige les moteurs proche de la base à supporter le poids des moteurs périphériques. Les mécanismes parallèles pro tent d'un
meilleur rapport de puissance entre celle développée à l'eecteur et celle fournie par les moteurs par rapport à un mécanisme sériel.
Chaque eecteur possède deux moteurs (Parker BE343LJ) pour le mouvement en trans- lation horizontale et verticale. Le couple continu délivré par les moteurs est de 3.96 Nm. Un réducteur de ratio 4 est placé en sortie des moteurs pour multiplier le couple de sortie, soit un couple continu en sortie de réducteur d'environ 16 Nm. Chaque moteur déplace l'eecteur dans une translation de manière indépendante aux autres moteurs grâce aux routages de courroie montrés à la Figure 2.5, ce qui rend le système décou- plable. La Figure2.5aest une vue du dessus du routage responsable du mouvement dans la direction horizontale pour un eecteur. Le système transforme la rotation du moteur en une translation du pont se déplaçant sur des rails horizontaux placés sur la structure de l'interface de locomotion. Le système du mouvement horizontal est équipé de deux poulies. Une poulie dite active est attachée au moteur tandis que l'autre poulie dite "passive" est utilisée pour boucler le routage horizontal, avec les deux points d'attache sur le pont glissant. La longueur de la courroie parcourt deux fois la distance de l'espace de travail horizontal. La force horizontale transmise du moteur au pont mobile dépend du couple du moteur et de la taille de la poulie active.
L'eecteur monte et descend dans la direction verticale sur les rails placés sur le pont glissant grâce au routage vertical de la Figure 2.5b. Ce système est composé de huit poulies dont une est active. Deux poulies mobiles sont attachées à l'eecteur, quatre poulies sont attachées au pont glissant et les deux dernières sont xées à la structure de l'interface. La courroie du mouvement vertical parcourt environ trois fois l'espace de travail vertical et deux fois l'espace de travail horizontal. La con guration du routage vertical multiplie le couple du moteur à l'eecteur par un facteur deux. En d'autres termes, la force appliquée par l'utilisateur sur l'eecteur dans la direction verticale est divisé par deux du point du vue du moteur. En eet, la force d'interaction à l'eecteur est repartie dans les deux brins de courroies de la poulie mobile, d'où l'eet de réduction. En contre partie, la vitesse transmise du moteur à l'eecteur est divisée par deux. Ce compromis est néanmoins satisfaisant car les exigences verticales en position et vitesse sont moins critiques que la force de réaction verticale nécessaire pour anticiper l'impact du pied.
Lorsque le pont d'un des eecteurs bouge horizontalement, seul le moteur horizontal est sollicité sans actionnement du moteur vertical. Les poulies passives du routage ver- tical de courroie tournent lors du mouvement horizontal et laissent la poulie active du
x
y
z
Poulie actionn´ee
Point d’attache
Effecteur
Pont
Courroie
Poulie libre
Rail horizontal
(Support - pied)
(a) Système de courroie horizontal en vue de dessus.
x
y
z
Poulie
Effecteur
Pont
(Support
Rail Vertical
actionn´ee
pied)
(b) Système de courroie vertical en vue de côté.
moteur vertical au repos. De même, lors du mouvement de l'eecteur dans la direction verticale, la poulie active horizontale est à l'arrêt et les poulies passives du routage ver- tical tournent en fonction du mouvement du moteur vertical. Le mouvement des deux degrés de liberté sont indépendants et le système est découplable. Le système est éga- lement isotrope car il garde la même précision du mouvement en tout point de l'espace de travail et il n'existe pas de lieu de singularité. Un mécanisme parallèle découplable béné cie d'un meilleur rapport de puissance entre celle développée à l'eecteur et celle développée aux moteurs qu'avec un mécanisme dont les degrés de liberté sont couplés (Laliberté et al., 2010). Ces caractéristiques (découplable, isotrope, sans singularité) se retrouvent dans d'autres mécanismes parallèles tels que le triptéron et le quadru- ptéron (Quennouelle et Gosselin, 2011). La Figure 2.6 montre un plan de coupe de la plateforme réalisé sous ProEngineer avec la disposition des routages vertical et horizontal. La Figure 2.7 montre l'architecture réelle du mécanisme avec les systèmes de courroie.
Les dimensions de la plateforme sont données dans le tableau 2.1. Une installation dans une clinique en réadaptation est possible mais une pratique à domicile n'est pas envisageable dû à la taille assez importante de la plateforme, surtout dans la direc- tion horizontale. L'espace de travail des eecteurs est donné dans le même tableau. La distance moyenne parcourue durant un pas est de 70 cm, la longueur de l'espace de travail de la plateforme est donc conforme pour traiter un pas et demi sans stratégie d'annulation de mouvement. Les eecteurs disposent d'un débattement de 30 cm ver- ticalement, su sant pour prendre en charge deux marches d'escalier légèrement plus réduites qu'une taille de contremarche standard (18 cm). L'écartement entre les deux eecteurs est de 1 cm. Comme les deux eecteurs sont indépendants et non-actionnés latéralement, le risque de collision est nul.
L'inertie horizontale de l'eecteur est égale à la masse du pont et de l'eecteur lui-même et vaut 33 kg. L'inertie verticale correspond à la masse de l'eecteur seul et vaut 15 kg. Le frottement statique est important dû au contact des éléments glissants sur les rails ainsi qu'à la tension des courroies. Lorsque l'eecteur bouge horizontalement, les poulies du routage horizontal tournent pour donner le mouvement du pont, mais les quatre poulies passives du routage vertical attaché au pont glissant tournent également et génèrent des frottements supplémentaires liées à la tension du routage vertical. Dans la direction verticale, les huit poulies du routage agissent pour déplacer l'eecteur mais la tension de la courroie génère également du frottement. Le frottement statique horizontal est estimé expérimentalement en poussant l'eecteur lentement dans cette direction.
Routage Horizontal
Routage Vertical
x
y
z
Figure 2.6: Coupe de la plateforme de marche.
Pont coulissant horizontal
Courroie horizontale
vertical
Courroie verticale
Ainsi, les forces inertielles ne sont pas prises en compte lors de la lecture de la force par le capteur d'eort.
La lecture des forces d'interaction entre l'utilisateur et l'eecteur est eectuée grâce à un capteur d'eort (ATI Omega 160) situé en dessous de l'eecteur. Les eorts maximaux pouvant être lus par le capteur sont de 6250 N verticalement et de 2500 N horizon- talement, avec une résolution respective de 0,75 N et 0,5 N, ce qui est supérieur aux forces impliquées dans le mouvement de marche. La lecture de cette donnée participe à l'évaluation de la démarche de la personne sur l'interface de locomotion, mais participe également à la commande de la plateforme. En utilisant la force lue à l'eecteur, la plateforme peut être déplacée plus ou moins rapidement selon l'intensité de la force d'interaction. Cette commande, dite en admittance, est décrite dans le chapitre 3 dé- taillant la gestion de la phase d'élancement. La force d'interaction participe également à la commande de la plateforme dans la direction verticale pour la gestion de la phase d'appui (chapitre 4) a n d'accélérer le rendu du sol virtuel.
Finalement, un câble d'arrêt d'urgence entoure la plateforme au dessus des barres de stabilisation (cf. Figure 2.8). À tout moment, l'utilisateur peut saisir le dispositif pour arrêter le mouvement des eecteurs. Des limiteurs mécaniques sont mis en bout de course des rails horizontaux et verticaux et coupent les moteurs en cas de contact pour empêcher la butée brusque du mécanisme actionné sur la structure. Les rails possèdent des butoirs en caoutchouc amortissant le choc entre les éléments.