Exosquelette motorisé

Le but de la réadaptation est de restaurer les fonctions motrices d'origine d'un être humain, ou tout du moins d'atteindre le maximum de celles-ci après le traumatisme du corps. Couplé au système nerveux de l'utilisateur par des capteurs d'influx nerveux, l'exosquelette peut également suppléer aux fonctions motrices d'un patient paraplégique, et donner la possibilité de se mouvoir à des personnes paralysées ou handicapées dès la naissance. En tant qu'orthèse, l'exosquelette se différencie de la prothèse par le fait qu'il ne remplace pas les membres puisqu'il les recouvre : il est donc peu invasif, peut-être installé facilement par le patient et s'adapter à son domicile, sans conditions sanitaires spécifiques à respecter. En revanche les réglages de l'exosquelette ainsi que la mise au point, la validation et la surveillance des programmes de rééducation et d'apprentissage de la mobilité se feront généralement avec l'aide des médecins et des kinésithérapeutes, qui pourront alors diagnostiquer et télé-opérer l'évolution de la rééducation de leur patient à distance.

Ces améliorations concernent le recouvrement des capacités motrices d'un patient par un apprentissage robotisé progressif et continu, le diagnostic en temps réel et à distance d'états médicaux grâce aux bio-senseurs embarqués et la connexion sécurisée au dossier médical du patient, et enfin la réduction de la pénibilité du travail physique.

En juillet 2012, Philippe Pozzo di Borgo, tétraplégique à la suite d'un accident et inspirateur du film Intouchables, vient visiter le centre Clinatec situé sur le polygone scientifique de Grenoble, et donne à cette occasion son sentiment de confiance et d'admiration dans un programme de recherche lors d'un reportage sur France 3 Alpes[1]. Le programme en question, baptisé EMY pour Enhancing MobilitY, vise à implanter un dispositif à l'échelle nanométrique dans le cerveau afin de commander un exosquelette motorisé doté de 14 moteurs à l'horizon 2016[2]^,[3].

Le but de l'amplification est de faire d'un être humain aux caractéristiques physiques et perceptives moyennes, un individu disposant de capacités qu'il ne pourrait avoir sans l'exosquelette et ses équipements embarqués. Dans cette optique, l'individu est considéré par les ingénieurs comme s'il était victime d'un handicap. Contrairement donc à la voie réparatrice, il ne s'agit pas là de « mettre à niveau » mais clairement d'amplifier.

Ces améliorations concernent :

• La force musculaire, la vitesse des mouvements et des réactions.
• La perception dite « classique » : acoustique, optique, haptique, gustative, olfactive.
• La perception dite « spécialisée » : Doppler, infrarouge, ultraviolet, ultrason, vision (lointaine, microscopique, périphérique, etc.).
• La précision des gestes et le guidage d'outils de travail : pour l'assemblage, la découpe, le soudage, la perforation, etc.
• La détection et la résistance à des risques nucléaires, biologiques, chimiques, etc.
• La résistance aux effets mécaniques (chocs, vibrations).
• La protection face aux environnements spéciaux : vide spatial, très haute pression, hautes températures, basses températures, fort niveau d'acidité ou environnement alcalin, chocs électriques, champs magnétiques, etc.

Il existe évidemment d'autres améliorations possibles ; celles-ci sont néanmoins les plus représentatives des objectifs à court, moyen et long terme dans le cadre de l'amplification et de la protection. Enfin, dans un domaine plus prospectif, les inventeurs (dont Léonard de Vinci fut le précurseur) envisagent l'intégration d'un dispositif permettant au couple homme/robot de voler à la manière du Suisse Yves Rossi avec son JET Man (réalité) ou de Tony Stark avec son Iron Man (fiction).

Le but de l'immersion est de tromper les sens et de simuler les sensations de l'être humain. Un système d'immersion totale serait alors composé d'un exosquelette motorisé complet (c'est-à-dire corrélé parfaitement à la cinématique du corps humain), d'un casque de réalité virtuelle ou augmentée, d'écouteurs, d'un vaporisateur d'odeurs, d'une combinaison interne de stimulation tactile, et d'un simulateur de modalité spatiale (tapis roulant multi-directions ou sphère). L'exosquelette, pierre angulaire du système, permettrait alors à un individu d'être présent dans un environnement complètement artificiel. Deux points critiques restent cependant :

• Les simulateurs de modalité spatiale ne parviennent pas encore à une représentation fidèle de la sensation de vide, lors d'un saut ou d'une chute. Cet aspect d'une immersion virtuelle est évoqué dans le film Inception.
• Dans la représentation visuelle, les animations des modèles 3D, notamment à nouveau en cas de chute et de ragdoll (animation) dans un moteur physique, ne permettent pas encore un photoréalisme en temps réel.

Ces améliorations concernent :

• Le réalisme des jeux vidéo et des serious games (jeux de formation professionnelle) par l'ajout du sens kinesthésique (application d'un retour d'efforts sur les membres du joueur proportionnel au calcul de l'interaction (force, position) entre les membres du joueur et des objets tridimensionnels) .
• L'aide à la décision en situation réelle ou virtuelle grâce à des capacités de calcul embarquées ou connectées, d'outils de communication, d'outils d'aide à l'analyse en temps-réel de situation ou d'aide à l'ordonnancement d'activités et d'outils logiciels et environnements informatiques divers.

Le but de la téléopération est de permettre à l'être humain d'interagir directement sur un environnement distant (généralement hostile). L'exosquelette motorisé (maître) permet alors à un individu de commander un bras robotique (esclave) et de ressentir les efforts exercés par l'effecteur esclave. Mais la téléopération exosquelettique peut également être bidirectionnelle, c'est-à-dire que l'exosquelette d'un utilisateur peut être commandé à distance.

Ces améliorations concernent :

• La téléopération d'outils à distance : systèmes robotiques, domotiques, etc.
• L'interfaçage homme/machine universel
• Télé-assistance robotique (voir rééducation)

Le développement des exosquelettes motorisés impacte directement le travail et les conditions de travail des salariés. Soumit à obligation de sécurité de résultat, (Article L 4121-1 et suivant du code du travail[4]) l'employeur doit veiller à la bonne santé de son salarié. Le port de charges lourdes a des répercussions directes sur la santé du travailleur, entraînant notamment un risque de TMS (Troubles Musculosquelettiques). La norme française X 35-109, relative à l'ergonomie dans la manutention manuelle de charges, définit des valeurs seuils applicables aux hommes et aux femmes âgées de 18 à 65 ans sans condition. Elle fixe notamment une limite de 15 kg de charge par opération et 7,5 tonnes par jour et par personne. L'article R 4541-3 du code du travail[5], fixe l'obligation pour l'employeur de mettre en place toutes les mesures nécessaires et utilise les moyens appropriés, et notamment les équipements mécaniques, afin d'éviter le recours à la manutention manuelle de charges par les travailleurs.

L'utilisation d'exosquelettes motorisés s'intègre parfaitement dans la prévention liée au port de charges lourdes et ouvre de nombreuses possibilités pour l'employeur. Les exosquelettes EXHAUSS et HERCULE connaissent d'ailleurs, en France, une hausse des commandes depuis quelques années.

« Avec ces nouvelles technologies d’assistance physique, la sollicitation peut être réduite de 10 % à 40 % pour certaines tâches, réduisant la fatigue, ou limitant les forces de compression vertébrale. Dans ces cas, l’impression d’effort est réduite de 40 % à 50 % chez ceux qui les ont utilisées pour soulager les épaules. » remarque Jean Theurel, responsable d’études au laboratoire Physiologie et mouvement au travail de l’INRS[6].

Néanmoins, le poids de ces exosquelettes motorisés (9 kg ) pose aussi la question de l'apparition nouvelle d'éventuels déséquilibres posturaux, désadaptation musculaire ou de charge mentale. Les risques mécaniques ne doivent pas non plus être occultés : collision avec un autre opérateur ou un tiers, casse d’outils ou projection, écrasement, lésions articulaires (dues au dépassement des limites physiologiques humaines), frottement ou abrasion, défaillance du système.

C'est pourquoi la mise en place, au sein d'une entreprise, de ce nouveau système doit préalablement faire l'objet d'un avis du Comité d'Hygiène, de Sécurité et des Conditions de Travail (CHSCT), conformément à l'article L 4612-8-1 du code du travail[7].

Dans le cadre policier, il servirait à réduire le risque couru par les agents des forces de l'ordre (blindage, vitesse, force, précision, perceptions accrues), voire en limitant les risques de dommages collatéraux (supervision et téléopération à distance des agents munis de leurs exosquelettes par leurs supérieurs ou par de simples citoyens par exemple). Un agent d'intervention équipé d'un tel dispositif serait en mesure d'obtenir les résultats d'un collègue non équipé avec une fatigue moindre, une plus grande rapidité, mais aussi de parvenir à résister à la plupart des assauts des personnes ne possédant pas d'exosquelette ou ayant des exosquelettes moins puissants.

Enfin, les capacités de perception embarquées sur l'exosquelette motorisé, couplées à des capacités d'analyse d'images et de données issus de capteurs divers radar, sonar, détecteur de mouvement, etc.), peuvent permettre la détection et la gestion de menaces comme la reconnaissance locale et en temps réel de personnes recherchées ou à risques se dissimulant dans une foule ou la détection d'explosifs, d'armes ou produits dangereux (nucléaire, biologique et chimique), ainsi que la plupart des dangers auxquels sont habituellement confrontées les forces de l'ordre dans le cadre de leurs opérations.

Les pompiers courent au moins autant de risques lors de leurs interventions que les services de maintien de l'ordre ; néanmoins, leurs demandes ne sont pas les mêmes. Dans un cadre opérationnel, l'exosquelette pour pompiers leur permettrait de porter plus facilement des charges lourdes (victimes ou matériel de secours), de passer plus facilement les obstacles (portes, murs) et d'augmenter leurs capacités de réactions et de coordination tout en fournissant une protection accrue contre les hautes températures et les environnements toxiques et enfumés.

Quelques avantages d'un exosquelette pour les pompiers :

• L'augmentation de la force facilite l'élimination et le franchissement des obstacles, l'excavation en cas d'effondrement mais aussi la récupération des victimes inconscientes, ou le transport d'oxygène ou d'eau en plus grande quantité.
• Un exosquelette peut être conçu spécifiquement pour transporter des lances à incendie d'une puissance et d'une efficacité sans communes mesures avec les capacités d'intervention actuelles.
• Il peut être aussi équipé de tout élément simplifiant la recherche et la détection de victimes, et équipé de capteurs spécifiques capables de détecter des fuites de gaz mêmes infimes, mais aussi des contaminations biologiques et chimiques.
• La protection fournie par l'exosquelette peut enfin être adaptée aux types d'environnements (feux de forêt, fuite d'une centrale nucléaire, grisou dans une mine, avalanche en montagne, etc.).

Le domaine du bâtiment est sérieusement envisagé dans les applications possible de l'exosquelette robotisé, principalement grâce à l'augmentation de la force et de la précision, indispensable sur un chantier, et souvent dans des conditions rendant complexe l'emploi d'une machine plus volumineuse. Ainsi, le travail sur gros œuvre, en tunnel, la réparation de sites contaminés, mais aussi l'usage d'outils complexes en situation inconfortable (espace réduit, faible luminosité, basse ou haute pression, environnement à risque) sont des champs d'applications dans lesquelles l'exosquelette pourrait devenir une aide appréciable. En outre, l'exosquelette peut faciliter la prise de mesure, grâce à son positionnement GPS et à ses appareillages de mesures embarqués (instrumentation laser) ou ses modules d'aide à la décision et de suivi de la construction (superposition des plans de conception tridimensionnels de l'édifice à la réalité du terrain). Enfin un exosquelette de chantier pourrait permettre la téléopération des machines telles que : pelles hydrauliques, foreuses, grues et autres systèmes fréquemment utilisés sur les chantiers.

Un exosquelette motorisé peut permettre le monitoring et l'assistance robotisée de l'entraînement sportif (atteindre le geste parfait avec la force, la vitesse et la précision adéquate). Les blessures et le temps d'apprentissage de l'activité physique peuvent être réduits. Par exemple, les torsions importantes des genoux peuvent être contrôlées et évitées et la position du centre de gravité du sportif peut être stimulée (et commandée).

À l'inverse de réduire la fatigue de l'opérateur par amplification d'effort, l'exosquelette peut entraîner une résistance au mouvement et ainsi muscler le sportif au cours de son activité physique. Le but est de permettre à l'utilisateur d'évoluer sur Terre avec des contraintes de résistances physiques variables et paramétrables. Un cas concret d'un tel exosquelette est illustré par la modification du poids du sportif : le poids peut être amplifié de plusieurs fois la gravité terrestre.

L'application d'une amplification d'effort peut aussi être exploitée afin de réaliser les temps d'étirements après l'échauffement et après l'effort. D'autre part, des indications sur l'état cardiaque d'un sportif peuvent lui être perçu pour qu'il puisse anticiper ses temps de repos.

• Dans l'agriculture : Soumis au port de charges lourdes en continu, les exosquelettes intéressent le monde agricole. Récemment le laboratoire de robotique CEA List a proposé l'exosquelette HERCULE au SIMA (Salon mondial des fournisseurs de l'agriculture et de l'élevage) Les travaux sur la forme la plus ergonomique du dispositif robotique sont encore en cours. Notamment sur la forme des pieds pour quelle soit au maximum adaptée au terrain agricole, lequel n'est pas lisse et sans obstacle.
• Dans les métiers médicaux : Le développement des exosquelettes concerne aussi les métiers médicaux. Les infirmières sont des cibles potentielles pour les aider dans leurs tâches quotidiennes et dans la manipulation des patients.
• Dans l'industrie : Un projet européen, regroupement 12 partenaires de 7 pays européens, a permis l'élaboration d'un exosquelette adapter à l'industrie : Robo Mate[8]. Robo Mate permet de diviser par dix l’effort requis pour soulever une charge et préserve la colonne vertébrale des mouvements brusques et des efforts extrêmes. L'objectif est d'étendre le dispositif à d'autres secteurs tel que le secteur des transports.
• Pour les personnes handicapées : Les exosquelettes constituent une véritable chance pour les travailleurs handicapés. Certaines personnes à capacité réduite pourrait exercer un métier sans restriction grâce aux exosquelettes robotisés. Lors de la dernière Coupe du Monde de football au Brésil, le coup d'envoi du match d'ouverture a été donné par une personne paraplégique équipée d'un exosquelette. L'entreprise Toyota a récemment lancé un exosquelette motorisé, appelé Welwalk WW-1000, orienté vers la rééducation des personnes à mobilités réduite dans le but de les aider à remarcher. Ces avancées technologiques permettrait aux employeurs de satisfaire à leurs obligations légales en matière d'emploi des personnes handicapées. En effet, dans les entreprises de plus de 20 salariés, l'employeur est tenu d'employer à plein temps ou à temps partiel des travailleurs handicapés dans une proportion de 6 % de l'effectif total de l'entreprise. (L 5212-1 à 5212-17 du code du travail[9]).

L'exosquelette est un outil dont la vocation est d'être utilisé par un large public et est donc de plus en plus étudié par les laboratoires universitaires et centres de recherche mondiaux. Sans forcément avoir la puissance des modèles militaires et professionnels mais en intégrant des fonctionnalités électroniques ou informatiques développées par ailleurs, ils serviraient alors à :

• Faciliter l'activité physique et la manipulation de charges ou d'objets encombrants par l'augmentation des facultés psychomotrices (force, endurance, vitesse, précision) tout en réduisant les risques des travaux domestiques (bricolage, jardinage, déménagement).
• Faciliter l'apprentissage d'une activité (transfert d'un savoir-faire manuel enregistré par un expert et rejoué par un néophyte, ou simulation de l'activité dans un environnement immersif calqué sur la réalité).
• Faciliter l'évaluation et le suivi de la santé en embarquant des dispositifs médicaux capables de diagnostiquer en temps réel l'état physiologique ou neurologique ou intervenant directement (premiers secours) en cas d'hypertension, d'hypotension, de défibrillation, etc.
• Faciliter l'aide à la décision en augmentant les facultés perceptives d'un utilisateur (haptique : kinesthésique et tactile, vision, ouïe)
• Faciliter l'interfaçage homme-machine pour commander des systèmes robotisés (aspirateur, tondeuses, humanoïdes, systèmes domotiques).
• Faciliter l'utilisation du web (navigation via des métaphores sensorielles), d'environnements virtuels ou de la réalité augmentée en augmentant les sensations d'immersion et les capacités d'interactions.

Comme toutes les machines, un exosquelette peut être l'objet d'un tuning et être sujet à de nombreuses modifications esthétiques qui pourrait le rendre de plus en plus visible et différencié dans des manifestations sportives, culturelles et artistiques où la représentation est importante (cinéma, théâtre, etc.). Car en tant que machine et en tant que vêtement, il peut être personnalisé par son utilisateur, et donc intégrer à la fois les évolutions technologiques de ces composants internes (batteries, microprocesseurs, moteurs, etc.) mais également les évolutions de la mode pour ces composants externes (couleurs, formes et textures des coques de protection par exemple).

La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) aux États-Unis est un des premiers organismes à avoir travaillé sur les exosquelettes motorisés. Il s'agissait de pouvoir faciliter le travail des militaires sur les zones de combat. Les premiers prototypes réalisés utilisaient généralement une source d'énergie externe et un défi important consistait à pouvoir embarquer cette source d'énergie afin de rendre autonome le dispositif. En 2000, la DARPA a mis en concurrence seize sociétés afin de sélectionner un exosquelette à tester en 2008. Le projet retenu est celui mis au point par la société Sarcos qui est depuis devenue une filiale de la société Raytheon. Le premier prototype issu de ces recherches, appelé XOS est un exosquelette complet avec un système d'actionnement hydraulique haute pression (membres inférieurs et supérieurs) développé pour l'armée américaine. Il pèse plus de 70 kg, et permet de soulever des charges pouvant aller jusqu'à 90 kg à bout de bras[10]. La seconde version XOS2 a été endurcie et considérablement allégée puisqu'elle ne pèse plus qu'une dizaine de kilos.

• Masse totale sans les batteries : 24 kg
• Autonomie : 20 km à 4,3 km/h
• Vitesse maxi : 6,2 km/h
• Charge utile : jusqu’à 90 kg sur le dos
• 4 degrés de liberté / vérins bistables
• Système hydraulique haute pression
• Batteries : Lithium-Polymère
• Électronique customisée et miniaturisée

Les eLegs de Berkley Bionics sont notamment destinées aux personnes paraplégiques[11]. Contrôlées par des petits boîtiers sur les bras et destinés au grand public, ce sont les premières avec des genoux flexibles et un ordinateur de contrôle ce qui en fait des pionnières dans le domaine[12]. Les eLegs disposent de 6 heures d'autonomie et peuvent atteindre les 3 km/h Pour des personnes de 1m60 à 1m95 pesant moins de 100 kilos, la machine en pesant elle-même déjà 20[13].

Voir Talos

HAL-5

Le fondateur, le professeur Yoshiyuki Sankai, de la société japonaise Cyberdyne (référence au film Terminator), une spin-off de l’université de Tsukuba au Japon, a développé un exosquelette motorisé destiné exclusivement à aider les personnes ayant des difficultés à se mouvoir (personnes âgées ou handicapés moteurs), dénommé HAL (pour « Hybrid Assistive Limb »). Cet exosquelette est disponible à la location (1 000 €/mois) au Japon depuis 2009 et bientôt à la vente (12 000 €). (http://www.cyberdyne.jp/english/). Une succursale a été ouverte aux Pays-Bas et un centre de recherche (Cybernetics), cofinancé par Daiwa House, a été ouvert au Japon.

• Masse totale : 6,5 kg
• 4 degrés de liberté
• Moteurs DC + réducteurs
• Lithium-ion (2H d’autonomie)

• Produit finalisé destiné à la vente (≈170 000 €)
• Cible : laboratoires de recherche
• Force des membres inférieurs = + 400 N
• Moteurs DC + réducteurs, 6ddl

• Masses entre 12 et 33 kg
• 8 degrés de liberté (ddl)
• Moteurs ultrasonique
• Batteries lithium-polymère

EXHAUSS est une société française qui commercialise les premiers exosquelettes électromécaniques semi-passifs de portage et de manutention d'outils et de charges, opérationnels dès 2014 pour des applications industrielles. Les "exo-bras" se règlent automatiquement ou à volonté en fonction de la charge soulevée. Puis les exobras mécaniques redeviennent passifs et permettent de manipuler une charge de 25 kg "iso-élastiquement", sans consommation énergétique supplémentaire, comme si elle ne pesait que quelques centaines de grammes.

Spécialiste des systèmes ergonomiques l'entreprise RB3D (600 k€ de CA dans l’industrie et le médical, une dizaine de salariés) s'est vu accorder en 2008, 2 millions d'euros par la DGA (Budget de 2,7 millions) pour créer un exosquelette militaire permettant aux troupes à pied de porter 50 kg sans effort. Autorisé à en tirer des applications civiles, elle développera ce projet avec le CEA List, et l'école Sudria, aidé par CEA Investissement et la société bourguignonne d'investissement Ideb. Piloté par la Direction générale de l’armement (DGA) et financé via le dispositif RAPID, qui permet de soutenir les PME innovantes, le programme Hercule, développé par la société RB3D, a donc vu le jour. Il a été présenté à l’occasion du salon Milipol, en 2011 à Paris. L'entreprise bourguignonne, dans son effort de réduction des TMS, développe également une gamme de cobots pour la manutention industriel avec l'aide du CEA et du CETIM.

La société Wotan Systems a été précurseur en 2004 dans le développement des exosquelettes de compensation du handicap. Ses premiers projets concernaient les membres supérieurs avec un exosquelette pour le bras droit dénommé Probex et notamment Probex201 intégré à un fauteuil roulant. Cette société a cependant été liquidée en 2009 pour insuffisance d'actifs[14].

Le Lokomat s’est imposé comme un outil efficace d’amélioration fonctionnelle de la marche chez les patients atteints de troubles neurologiques. Une centaine de systèmes Lokomat ont été installés et sont utilisés avec succès dans les cliniques de rééducation et les instituts de recherche renommés du monde entier. (Masse = 1 100 kg, vitesse de marche max = 3,2 km/h). La mise en œuvre automatisée soulage les thérapeutes des contraintes physiques et permet d’effectuer des séances thérapeutiques plus longues et plus efficaces.

La société israélienne Argo Medical Technologies a développé un exosquelette motorisé léger, nommé ReWalk, dont le but est de permettre aux paraplégiques de marcher. ReWalk possède des attelles articulées qui viennent s'attacher sur les membres inférieurs de l'utilisateur et un sac dorsal qui contient le système de contrôle[15]. Un capteur est placé sur le torse de l'utilisateur, il détecte l’angle du torse et pilote les jambes vers l'avant ou l'arrière afin de maintenir l’équilibre du corps.

Le laboratoire PERCRO en Italie a développé le L-EXOS, dispositif haptique anthropomorphique à base fixe, puis plus récemment le Body Extender, exosquelette complet destiné à la manutention basé sur la technologie de transmission à câble du L-EXOS.

Rex Bionics est une entreprise fondée par Richard Little et Robert Irving en 2007 qui conçoit un exosquelette pour les membres inférieurs à destination des personnes paraplégiques mesurant entre 1,50 m et 1,95 m et pesant moins de 100 kg.

Caractéristiques du prototype : masse = 38 kg, environ deux heures d’autonomie, quatre degrés de liberté (deux par membres), contrôle par joysticks. Produit commercialisé en Nouvelle-Zélande (85 000 €) et disponible dans les autres pays à partir de 2011.

• Clinatec
• XOS
• Sarcos (entreprise américaine)
• Hybrid assistive limb
• Cybernétique
• Biomécatronique
• Haptique
• Cobotique

• Site web de la société Sarcos
• Site web de la société Cyberdyne
• http://www.fsc-sfc.org/
• http://www.rexbionics.com/
• http://www.swortec.ch/index.php?page=about
• http://www.cybernics.tsukuba.ac.jp/index.html
• http://www.ulb.ac.be/scmero/documents/Research/haptic/haptic.html
• http://www.percro.org/

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