Dans le domaine en constante évolution de la robotique et des objets personnels connectés, les exosquelettes sont de plus en plus prometteurs pour de nombreuses applications, révolutionnant les performances et la mobilité du corps humain. Principalement utilisée pour la rééducation physique, cette technologie pourrait bien trouver une place de choix auprès des structures de soins à domicile et des résidences pour personnes âgées, aidant les patients et les résidents à conserver mobilité et liberté de mouvement afin de moins dépendre des soignants.
Les possibilités de conception d'exosquelettes sont exaltantes, mais leur donner vie comporte son lot de défis. Une réussite à l'échelle nécessite des composants extrêmement optimisés et des partenaires de conception expérimentés connaissant très bien ces difficultés.
Conception d'exosquelettes : faire face aux défis
En ingénierie, il n'y a pas plus beau défi que celui de concevoir des exosquelettes : ils doivent être légers, mais puissants et compacts, tout en offrant un certain confort d'utilisation. Tant de caractéristiques vers lesquelles les concepteurs tournent leur attention, avant même de réfléchir à concevoir des dispositifs capables de s'adapter aux applications et aux morphologies.
Lorsqu'il s'agit d'exosquelettes, la conception du mouvement et la sélection du moteur sont des étapes décisives du processus d'ingénierie, qu'importe l'application. Comment ces choix peuvent-ils contribuer (ou nuire) à la performance finale, qui doit imiter la mécanique complexe du corps humain ? Découvrez dans cet article les idées et points clés.
Concevoir des mouvements et choisir un moteur
La réponse aux défis rencontrés lors de la conception d'un exosquelette ? Le choix du moteur à intégrer. Très appréciés pour leur densité de couple élevée et leur petite taille, les moteurs sans boîtier se veulent une pièce privilégiée pour ce dispositif complexe. Toutefois, les intégrer parfaitement à la structure des exosquelettes tout en garantissant un fonctionnement efficace demeure une tâche délicate et répétitive.
Dans un premier temps, identifiez la charge et les dynamiques du mouvement recherché, ainsi que la fréquence à laquelle ces transitions se produisent. En connaissant les besoins en matière de vitesse et de couple, vous pourrez choisir votre réducteur. Ce choix influencera ensuite le type de moteur utilisé et son intégration. Malheureusement, c'est bien souvent à ce stade de la conception que surgissent les difficultés.
Une fois les composants sélectionnés et intégrés, les étapes de test et de validation pourront révéler des problèmes de performance, forçant les ingénieurs à revenir au point de départ. Le réducteur et le moteur utilisés sur une articulation du genou pourraient, par exemple, peser plus que prévu et entraîner une modification des caractéristiques de l'articulation au niveau des hanches. Ce problème à lui seul peut alors affecter le poids du dispositif dans son ensemble, les températures de fonctionnement et bien d’autres éléments, conduisant à la non-viabilité de l’exosquelette.
La conception mécanique d'un dispositif implique forcément des modifications mais, en appliquant quelques mesures, les ingénieurs peuvent simplifier l'intégration et réduire le travail d'ajustement.
1. Choisir un moteur compact, adapté aux réducteurs harmoniques
Les réducteurs harmoniques entrent souvent dans la conception des exosquelettes, car ils offrent des articulations légères, compactes et sans jeu. Pour exploiter au mieux ces avantages, les ingénieurs doivent choisir un moteur optimisé pour ce type de réducteur.
Conçus pour fonctionner en symbiose avec des réducteurs harmoniques, les moteurs sans boîtier TBM2G de Kollmorgen contribuent à la conception d'articulations légères, compactes et courtes, nécessaires à la viabilité des concepts d'exosquelette. Pensée pour les robots humanoïdes et les exosquelettes, la gamme de moteurs TBM2G propose sept diamètres différents (50 mm à 115 mm), trois longueurs et plusieurs options de bobinage, offrant quelque 63 combinaisons de moteur.
2. Choisir des moteurs hautement performants et à densité de couple élevée
Outre l'optimisation aux réducteurs et la disponibilité dans plusieurs petites tailles, assurez-vous que la densité de couple du moteur que vous allez choisir est plus élevée que celle d'autres produits sur le marché. À première vue, un moteur à la densité de couple plus élevée permet de générer les accélérations soudaines nécessaires aux exosquelettes (pour permettre à un utilisateur immobile de lever et d'avancer sa jambe, par exemple). Il faut alors creuser pour s'apercevoir qu'un moteur hautement performant peut simplifier le processus de conception jusqu'à permettre l'obtention d'un concept plus viable.
Reprenons notre exemple de modifications à apporter sur une articulation de genou trop lourde : un moteur à densité de couple plus élevée et disponible dans plusieurs tailles pourrait s'adapter plus facilement aux exigences, sans que les ingénieurs n'aient à revoir entièrement la structure des réducteurs et des moteurs. Face aux différentes caractéristiques et performances d'autres composants, les moteurs dont les performances sont plus élevées apportent plus de liberté et de flexibilité.
Une situation où les moteurs TBM2G à très haute densité de couple excellent. D'ordinaire, lorsque les ingénieurs maximisent le couple sur un exosquelette et optent pour un rapport de transmission plus élevé, ils n'ont d'autre choix que d'accepter une perte de vitesse. Avec un moteur TBM2G, ce ne serait pas le cas : hautement performant à des vitesses plus élevées, il permettrait aux ingénieurs d'éviter cette perte de vitesse
et de pouvoir intégrer des réducteurs plus petits. Bien souvent, les réducteurs sont les composants les plus lourds et chers des concepts d'exosquelettes et de robots, c'est pourquoi cette solution se veut aussi économique. Dernier atout et non des moindres, ces performances élevées peuvent être obtenues à de plus faibles températures de fonctionnement ; un point essentiel à la viabilité d'un exosquelette, ce dernier étant en contact quasi direct avec son utilisateur.
3. Choisir un partenaire expert
Le marché des exosquelettes évolue rapidement. Il est donc plus stratégique de faire appel à des partenaires possédant une plus grande expertise et plus de moyens. Leader de longue date sur le marché du contrôle de mouvement et véritable pionnier en matière de conception d'exosquelettes, Kollmorgen travaille à concevoir des moteurs qui rehaussent les critères de conception d'exosquelettes, qui apportent une véritable flexibilité et qui simplifient la commercialisation.
Aide à la sélection de composants et à l'intégration, résolution de problèmes, optimisation continue des concepts… bien au-delà des produits en eux-mêmes, nos experts vous accompagnent tout au long de la conception de votre projet.
Alors que les ingénieurs se heurtent aux défis posés par le développement d'exosquelettes, garantir la conformité des moteurs apparaît comme un véritable point d'orgue. Contactez-nous pour découvrir les innovations de Kollmorgen sur un marché révolutionnaire et comment nous pouvons vous accompagner dans le développement de votre prochain concept.
