Les patients souffrant d'une faiblesse musculaire progressive (dystrophie musculaire) souffrent souvent d'une grande restriction de leur mobilité. L'exosquelette "Autonomyo" peut aider les muscles affaiblis. La force supplémentaire provient de micromoteurs dotés de capteurs de couple magnétiques spécialement intégrés.

"Lorsqu'une faiblesse musculaire se manifeste dans les jambes, la marche devient de plus en plus difficile et, à un moment donné, elle ne fonctionne plus du tout sans support", explique Mohamed Bouri, directeur du groupe de recherche sur la rééducation et la robotique d'assistance (Reha Assist) à l'École polytechnique fédérale de Lausanne, en Suisse (EPFL).

"Les muscles fonctionnent encore, mais n'ont plus assez de force pour assurer une position stable ou un mouvement autonome des jambes. Cela a un impact énorme sur l'amplitude des mouvements et la qualité de vie. L'hémiplégie consécutive à un accident vasculaire cérébral a des conséquences similaires. Notre objectif était de surmonter ces limitations dans la mesure du possible, à l'aide d'un dispositif d'assistance motorisé qui permet aux patients de contribuer à leurs propres mouvements".

Comment fonctionne le nouveau développement ?

Les exosquelettes habituels, qui permettent par exemple aux paraplégiques de marcher sans béquilles, pèsent souvent plus de 40 kg. L'"Autonomyo" développé par Reha Assist est nettement plus léger (25 kg seulement) et fonctionne en intégrant l'appareil locomoteur affaibli, mais encore partiellement fonctionnel, du patient. Il est fixé au tronc à l'aide d'un corset et aux jambes à l'aide de manchons. De chaque côté, trois petits moteurs fournissent la force qui manque aux muscles pour effectuer le mouvement. Un moteur est responsable de la flexion et de l'extension de la hanche et du genou. Le troisième petit moteur soutient l'abduction et l'adduction de la jambe au niveau de l'articulation de la hanche, c'est-à-dire le mouvement latéral s'éloignant de l'axe central du corps. Les moteurs aident ainsi le patient à garder l'équilibre et à marcher droit. Une étude clinique récente menée notamment auprès de personnes ayant des difficultés à marcher a montré que l'exosquelette fonctionnait comme prévu : il offrait une liberté de mouvement conforme aux intentions des utilisateurs et n'avait pas d'impact négatif sur l'amplitude des mouvements articulaires et la cadence de la marche.

L'exosquelette peut soutenir les muscles affaiblis et permet un mouvement intuitif qui suit le mouvement naturel.

"Le premier déclencheur de départ s'exprime par un petit changement de position des membres inférieurs", explique Mohamed Bouri. Cela est détecté par la combinaison des informations provenant d'une unité de mesure inertielle, de huit capteurs de charge sur la plante des pieds et des encodeurs des moteurs qui servent de capteurs de position des articulations. Ces données contribuent également à l'aide à l'équilibre. Selon Mohamed Bouri, l'interaction entre l'exosquelette et son utilisateur est essentielle lors de la marche. Un capteur de couple magnétique mis au point par Faulhaber (voir encadré) détecte cette interaction, qui est essentielle pour la stratégie d'assistance.

Capteur de couple magnétique comme alternative aux jauges de contrainte

Pour détecter le couple, on utilise généralement des jauges de contrainte déformables par la force appliquée. Le point faible de leur conception est le collage pour leur application. Les développeurs de Faulhaber les ont donc remplacées par un système de mesure magnétique à haute résolution qui permet d'obtenir une déviation inférieure à 1,5 % dans la plage de mesure de +/- 30 Nm. Le capteur de couple magnétique fournit donc une valeur très précise du couple de réaction dans le mouvement de marche, qui a une importance cruciale pour le contrôle de l'exosquelette. "L'adaptation de l'appareil à des patients individuels nécessite un étalonnage très différencié de l'ensemble du système. En fonction des différents paramètres et du feed-back issu du mouvement, le logiciel calcule les signaux de commande pour les entraînements. Le type et l'étendue de l'assistance fournie par les micromoteurs sont ensuite déterminés sur la base de ces informations", explique le directeur du groupe de recherche Reha Assist.

Quelles sont les exigences en matière de puissance d'entraînement ?

La pièce maîtresse des six unités d'entraînement installées est le moteur compact sans balais 3274 BP4 de 32 mm de diamètre, qui fournit un couple nominal de 158 mNm. Sa puissance est transmise par un réducteur planétaire 42 GPT dont l'arbre a été spécialement fabriqué pour cette application. Le codeur IE3 fournit les données de position à l'automate. Le capteur de couple magnétique est intégré dans les réducteurs des quatre petits moteurs pour les mouvements de flexion et d'extension du genou et de la hanche.

LES SPÉCIALISTES DE L'ENTRAÎNEMENT DE SCHÖNAICH

Faulhaber est spécialisé dans le développement, la production et l'utilisation de systèmes d'entraînement de haute précision de petite et très petite taille, de composants d'asservissement et de commandes jusqu'à environ 250 watts de puissance de sortie. Cela comprend la réalisation de solutions complètes spécifiques aux clients ainsi qu'une vaste gamme de produits standard tels que des moteurs sans balais, des micromoteurs C.C., des encodeurs et des contrôleurs de mouvement. Selon l'entreprise, la marque Faulhaber est synonyme de haute qualité et de fiabilité dans des domaines d'application complexes et exigeants tels que la technologie médicale, l'automatisation des usines, l'optique de précision, les télécommunications, l'aérospatiale et la robotique. Du puissant moteur DC avec un couple permanent de 224 mNm au microentraînement filigrane avec un diamètre extérieur de 1,9 millimètres, le portefeuille standard de Faulhaber comprend plus de 25 millions de possibilités pour composer un système d'entraînement optimal pour une application. Cette technologie modulaire est également la base de modifications permettant de répondre aux souhaits particuliers des clients pour des exécutions spéciales.

Trouver le bon fournisseur n'est pas difficile

Les exigences posées aux unités d'entraînement sont typiques des micromoteurs Faulhaber : grande puissance pour un volume et un poids aussi faibles que possible, précision, fiabilité et longue durée de vie. Selon Mohamed Bouri, la recherche du fournisseur adéquat n'a pas été particulièrement difficile : "En définissant les spécifications, le choix des moteurs à prendre en considération était déjà très clair. Le groupe de recherche interfacultaire en astrophysique de notre université travaille déjà avec Faulhaber, ce qui leur a permis de faire des recommandations convaincantes. De plus, Faulhaber a été en mesure de développer le capteur de couple dans un délai très court, ce qui était très important pour notre projet".

Quel est le potentiel de développement de la nouveauté ?

Le capteur de couple magnétique ne fait pas partie des produits de série pour l'instant et n'a été fabriqué en petite quantité que pour l'application décrite avec l'exosquelette. D'autres domaines d'application sont toutefois envisageables là où des valeurs de couple très précises doivent être mesurées, par exemple dans des applications haptiques comme l'assistance robotique en salle d'opération, où le chirurgien guide l'instrument et la machine assure la force et la précision. Le capteur est idéal pour la documentation dans le cadre de l'assurance qualité.

Source : Marcher sans béquilles avec des micromoteurs et un capteur de couple (vogel.de) (09.12.2022)