Les exosquelettes

1.3.2.5.1 Définition Les exosquelettes sont des cobots avec une interaction homme-machine de type orthétiques (cf. section 1.3.1). Comme son nom l’indique l’exosquelette présente une géométrie et une cinématique bio-inspirée, pour suivre au mieux les mouve-ments de l’utilisateur. Les exosquelettes peuvent être classés selon leur utilisateur cible. Il peut s’agir d’individus sans ou avec déficit neuro-musculo-squelettique. Le second cas concerne essentiellement le monde médical, on parle alors d’exosquelettes dits de compen-sation.

1.3.2.5.2 Exosquelettes de compensation Ces exosquelettes sont généralement pi-lotés en position et génèrent des trajectoires pré-établies. L’utilisateur est alors suiveur. Les applications sont, en général, la rééducation ou la compensation de mouvements qui ne sont plus possibles pour l’utilisateur. Pour la rééducation, les exosquelettes développés peuvent être très variés, pour cibler différentes parties du corps (bras, mains [Fleischer et al., 2006], jambes [Rupal et al., 2017], Fig. 1.13). Les applications les plus courantes concernent la reprise de mobilité après un Accident Vasculaire Cérébral (AVC) ou une pathologie dégénérative ou traumatique de la moelle épinière [Louie and Eng, 2016] [ Gu-nasekara et al., 2012]. Cette utilisation est sensée permettre plus d’autonomie au cours de la rééducation et ainsi soulager la charge du personnel médical tout en assurant des

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mouvements contrôlés et sûrs.

Pour la compensation de mouvement, il s’agit de pallier à une incapacité de réaliser certains mouvements sur le long terme. Par exemple, il existe de nombreux travaux dont le but est de refaire marcher des personnes qui n’en sont plus capables par elles-mêmes [Rupal et al., 2017]. Une part importante des solutions existantes aujourd’hui est destinée aux personnes atteintes de paraplégie. Ces solutions nécessitent d’avoir l’usage de ses membres supérieurs : pour équilibrer le système avec des béquilles, Phoenix (suitX), ou déclencher le signal de la marche, Atalante (Wandercraft), par exemple. Cependant, des travaux récents destinés aux personnes atteintes de tétraplégie s’appuient sur l’utilisation d’interfaces Cerveau-Machines (Brain-Computer Interfaces, BCI) pour déclencher la marche et même réaliser des tâches de pointage en trois dimensions avec le bras [Benabid et al.,2019] (Fig. 1.14a).

Les exosquelettes de compensation ont notamment pour objectifs de surpasser les limites des systèmes existants, à savoir les chaises roulantes :

— Une posture assise prolongée, qui entraine des risques sanitaires (ostéoporose, es-carres, problèmes de tension, . . . )

— Une limitation de mobilité, l’utilisateur ne peut pas monter les marches et il a une portée de manipulation réduite par rapport à une posture debout

1.3.2.5.3 Exosquelettes d’assistance Pour les utilisateurs ayant une mobilité com-plète on parle d’exosquelettes d’assistance. Ce type d’exosquelette permet d’apporter une aide à l’utilisateur lors de tâches nécessitant des efforts sollicitants (efforts importants, postures non ergonomiques, voire les deux). Ces derniers exosquelettes sont généralement plutôt commandés en effort. C’est l’utilisateur qui génère la trajectoire et l’exosquelette doit le suivre en le gênant le moins possible, tout en apportant une assistance lorsque cela est nécessaire. Cette catégorie peut aussi se décomposer en deux grandes classes. La pre-mière correspond aux exosquelettes passifs, c’est-à-dire ne comportant pas d’actionneurs. Et la seconde comprend les exosquelettes actifs.

Exosquelettes passifs Il y a deux grands moyens de faire de l’équilibrage passif, soit en utilisant des ressorts, soit en utilisant des contrepoids. L’inconvénient du contrepoids réside principalement dans le fait de devoir transporter ce contrepoids, ce qui ajoute une contrainte au niveau des points d’appui du système. A notre connaissance il n’existe

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Figure 1.13 – Exemples d’exosquelettes conçus pour la rééducation (Atalante, Wander-craft et ABLE7D, CEA et [Fleischer et al., 2006] et [Zimmermann et al., 2019]

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(a) Exosquelette complet à destination des personnes at-teintes de tétraplégie [Benabid

et al.,2019]

(b) "XO Guardian" de la so-ciété Sarcos

(c) "HV2" des sociétés CEA et RB3D

Figure 1.14 – Exosquelettes actifs complets (membres supérieurs et inférieurs)

pas d’exosquelette utilisant cette approche, nous pouvons trouver de l’équilibrage par contrepoids plutôt dans la conception de bras-maître de téléopération.

Nous pouvons distinguer deux cas d’utilisation des ressorts dans la conception d’exos-quelettes passifs. Les exosd’exos-quelettes posturaux fournissent une assistance en fonction de leur position actuelle. Par exemple, pour des tâches avec les bras levés l’effort n’est pré-sent que lorsque les bras sont à l’horizontale et l’effort est abpré-sent lorsqu’ils sont baissés (cf Fig. 1.15b) [Maurice et al., 2019]. Les exosquelettes d’équilibrage fournissent un effort constant à l’effecteur, quelque soit la position. Par exemple, si les ressorts sont tendus pour équilibrer une charge de 10kg (i.e. 98.1N) alors, lorsque l’opérateur dépose la charge, les 98.1N restent appliqués par l’exosquelette. Cela oblige l’opérateur soit à forcer de 98.1N dans le sens opposé afin de conserver sa position et/ou pouvoir bouger, soit à laisser ses bras monter jusqu’à la butée (cf Fig. 1.15a). Un autre inconvénient réside dans le fait que l’opérateur ne doit pas s’incliner au risque de ne plus avoir une compensation verticale. C’est pourquoi, l’intérêt de ces exosquelettes passifs se limite à l’assistance posturale ou au port d’outil sans inclinaison.

Exosquelettes actifs La deuxième classe concerne donc les exosquelettes actifs, c’est-à-dire avec des actionneurs. Ces derniers solutionnent tous les problèmes des exosque-lettes passifs cités plus haut (c’est-à-dire qu’ils peuvent appliquer une multitude d’efforts

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(a) Exhauss (b) EksoVest

Figure 1.15 – Exosquelettes passifs

indépendamment de l’inclinaison et sont donc à priori la seule solution pour l’augmenta-tion d’effort). Néanmoins, cette solul’augmenta-tion présente aussi des limital’augmenta-tions, qui sont le poids, le coût, le besoin d’une source d’énergie et l’usage. En ce qui concerne le problème de poids la solution est de faire en sorte que cela ne soit pas à l’utilisateur de supporter le poids du système. Il existe différentes solutions, comme utiliser un bras manipulateur comme potence pour tenir l’exosquelette et suivre l’utilisateur sur un espace de travail défini [Yu et al.,2018]. Une autre solution répandue consiste à utiliser un exosquelette complet pour que la partie inférieure porte la partie supérieure et soulage l’opérateur (comme le modèle Fig.1.14b). Cette approche permet d’avoir un système mobile, cependant elle apporte son lot de problématiques, surtout en ce qui concerne la commande, notamment pour la trans-parence et l’équilibre du système. En ce qui concerne la partie supérieure la commande est aussi une problématique majeure. L’avantage des exosquelettes actifs par rapport à ceux passifs est leur adaptabilité, il faut cependant être à même de les contrôler correc-tement. Une des solutions consiste à interagir avec l’exosquelette au moyen de capteurs d’efforts (XO Guardian, Sarcos, Fig.1.14b [Bogue, 2018]). L’interaction de l’humain avec la charge devient alors indirecte et l’exosquelette doit être capable de faire la préhension. L’interprétation des intentions de l’utilisateur afin de commander un exosquelette est un des enjeux majeurs des travaux de recherches actuels les concernant [Gull et al., 2020], [Chen et al., 2016].

La commande est donc une problématique importante dans le développement des exosquelette, tout comme l’évaluation de leur utilisation. Cette évaluation est critique puisqu’elle permet de déterminer si l’exosquelette apporte bien une aide à l’utilisateur,

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et si l’utilisateur n’est pas exposé à de nouveaux risques. Différents travaux se sont déjà intéressés à l’impact des exosquelettes sur l’activité physique du travailleur [Rashedi et al.,

2014] [Theurel et al., 2018]. Bien qu’ils constatent une réduction de l’activité musculaire au niveau de l’épaule, les auteurs mettent en garde contre les possibles répercussions négatives. Ces travaux concernent des exosquelettes passifs et l’utilisation d’exosquelettes actifs pourrait minimiser certaines de ces répercussions, notamment concernant l’impact sur les muscles antagonistes.