Exoscheletul motorizat sau combinația robotică este un dispozitiv mecatronic cu o bază fixă sau mobilă, compus dintr-o structură mecanică cu mai multe grade de libertate , un sistem de acționare (electric, hidraulic sau pneumatic) care utilizează o sursă de energie la bord sau este deportat și electronic carduri de putere și de control, care poarta un individ, cum ar fi un articol de îmbrăcăminte sau robotizate un extern proteze (sau chiar un cyberthèse ), pentru a - i permite să se multiplice capacitățile sale fizice ( amplificare ), pentru a simula un feedback forță într - un mediu virtual ( imersiune), pentru a-și reeduca sistemul musculo-scheletic ( reabilitare ), pentru a controla de la distanță sistemele robotizate ( teleoperare ) și, eventual, pentru a-l proteja de mediul său (cum ar fi o coajă sau o vestă antiglonț). Dezavantajul major al sistemelor cu bază fixă este limitarea spațiului de lucru, avantajul constă în motoarele lor la distanță. Dezavantajul sistemelor mobile este autonomia energetică scăzută, care este compensată de creșterea spațiilor de lucru și, prin urmare, a gradului lor de mobilitate. Unele sisteme de bază fixe sau mobile compensează fricțiunea internă și gravitația pe care o generează, împiedicând astfel utilizatorii să simtă inerția și greutatea exoscheletului pe care îl poartă asupra lor (aceasta se numește calitate și transparență). Interfață exoscheletală).
Exoscheletele motorizate sunt încă în etapele preliminare de proiectare (de exemplu xos), dezvoltare și testare în multe centre de cercetare publice sau private, în special pentru a-și îmbunătăți autonomia, deși au fost deja comercializate mai multe prototipuri ( HAL5 de la compania Cyberdyne și REX de la REX Bionics) sau va fi în curând (XOS2 de la SARCOS, o filială a Raytheon și HULC de la Berkeley Bionic în parteneriat cu Lockheed Martin sau Rewalk de la Argo Medical Technologies etc.). Aplicațiile lor vizate acoperă în principal domeniile militar (manipularea încărcăturilor grele) și medical (diagnostic și asistență tehnică pentru persoanele cu dizabilități fizice, vârstnici sau răniți).
Unele lucrări se referă, de asemenea, la aplicații profesionale, cum ar fi manipularea și asistența pe liniile de producție (gesturi de ghidare și instrumente pentru îmbunătățirea producției și reducerea tulburărilor musculo-scheletice (MSD)) sau chiar funcționarea la distanță a mai multor scări a mașinilor (în special în spațiu, nuclear, chirurgical, marin, subteran sau chiar medii microscopice sau foarte îndepărtate) și design cu feedback haptic într-un mediu virtual (birou de proiectare, metode și design de marketing)).
Altele se referă la aplicații practice, cum ar fi ajutarea grădinarilor (PAS, profesorul Shigeki Toyama de la Universitatea de Agricultură și Tehnologie din Tokyo), sau distracția ca joystick îmbunătățit (XIO, Forcetek) sau feedback forțat. Pentru jocuri video.
În domeniul militar, vorbim de armuri de luptă robotizate sau soldatul viitorului (DARPA) pentru a desemna exoscheletele motorizate care amplifică și protejează soldații pe câmpul de luptă. În domeniul medical, uneori folosim termenii orteze robotice sau cybertheses (citate de EPFL, de către Fundația Elvețiană pentru Cybertheses sau de compania Swortec SA) pentru a desemna exoscheletele motorizate utilizate în contextul fizioterapiei sau al fizioterapiei și să permită reabilitarea motorie prin stimulând neurofuncțional . În domeniile imersiunii sau teleoperării realității virtuale, termenii folosiți sunt mai degrabă „sisteme sau interfețe haptice antropomorfe”.
Exoschelet motorizat este puternic legată de Cibernetică și transumanismului , din care aceasta poate fi una dintre cele mai reprezentative tehnologii ale conceptelor. Este o biotehnologie și / sau o biomimetic tehnologie , în sensul că obiectivul său este de a optimiza caracteristicile unui organism viu, să - l miște și să - l protejeze ca omologul său natural ( exoschelet de artropode ). Principalele domenii de aplicare și cercetare se referă la reabilitarea unei persoane care a suferit un accident care a dus la paralizie temporară sau permanentă, amplificarea de către mașină a capacităților oamenilor „sănătoși”, imersiunea corpului uman. sau realitatea augmentată și teleoperarea bidirecțională a cuplului bărbat / mașină.
Scopul reabilitării este de a restabili funcțiile motorii originale ale unei ființe umane sau cel puțin de a atinge maximul acestora după trauma corpului. Împreună cu sistemul nervos al utilizatorului prin senzori de impuls nervos , exoscheletul poate suplimenta și funcțiile motorii unui pacient paraplegic și oferă posibilitatea de a se deplasa la persoanele paralizate sau cu dizabilități de la naștere. Ca o orteză, exoscheletul diferă de proteză prin faptul că nu înlocuiește membrele deoarece le acoperă: este deci minim invaziv, poate fi instalat cu ușurință de către pacient și se poate adapta la domiciliul său, fără ca condițiile specifice de sănătate să fie observat. Pe de altă parte, ajustările exoscheletului, precum și dezvoltarea, validarea și monitorizarea programelor de reabilitare și învățare a mobilității se vor face în general cu ajutorul medicilor și kinetoterapeuților , care vor putea apoi diagnostica și tele-opera evolutia de reabilitare a pacientului lor de la distanță.
Aceste îmbunătățiri se referă la recuperarea capacităților motorii ale pacientului prin învățare robotică progresivă și continuă, diagnosticarea în timp real și la distanță a afecțiunilor medicale datorită bio-senzorilor de la bord și conexiunii sigure la dosarul medical al pacientului și, în cele din urmă, reducerea osteneala muncii fizice.
În iulie 2012, Philippe Pozzo di Borgo , tetraplegic în urma unui accident și inspirator al filmului Intouchables , a venit să viziteze centrul Clinatec situat pe poligonul științific din Grenoble și, cu această ocazie, și-a dat sentimentul de încredere și admirație într-un program de cercetare în timpul un raport despre France 3 Alpes . Programul în cauză, numit EMY for Enhancing MobilitY, își propune să implanteze un dispozitiv la scară nanometrică în creier pentru a controla un exoschelet motorizat echipat cu 14 motoare până în 2016.
Scopul amplificării este de a face o ființă umană cu caracteristici fizice și perceptive medii, un individ cu capacități pe care nu le-ar putea avea fără exoschelet și echipamentul său de la bord. Din această perspectivă, individul este considerat de ingineri ca și cum ar fi fost victima unui handicap. Spre deosebire de calea restaurativă, nu este vorba de „modernizare”, ci clar de amplificare.
Aceste îmbunătățiri se referă la:
Există, evident, alte posibile îmbunătățiri; acestea sunt totuși cele mai reprezentative dintre obiectivele pe termen scurt, mediu și lung în contextul amplificării și protecției. În cele din urmă, într-un domeniu mai prospectiv, inventatorii (al căror precursor a fost Leonardo da Vinci ) iau în considerare integrarea unui dispozitiv care să permită cuplului bărbat / robot să zboare ca elvețianul Yves Rossi cu JET Man (realitatea) sau de Tony Stark cu Iron Man (ficțiune).
Scopul imersiunii este de a înșela simțurile și de a simula senzațiile ființei umane. Un sistem de imersiune totală ar fi compus dintr - un exoschelet motorizat complet (adică perfect corelate cu cinematica ale corpului uman ), un virtuale sau augmentată cască realitate , căști, un vaporizator miros, o combinație internă de stimulare tactilă , și un simulator de modalitate spațială ( bandă de alergare sau sferă multidirecțională). Exoscheletul, piatra de temelie a sistemului, ar permite apoi unei persoane să fie prezentă într-un mediu complet artificial. Cu toate acestea, rămân două puncte critice:
Aceste îmbunătățiri se referă la:
Scopul teleoperării este de a permite oamenilor să interacționeze direct cu un mediu îndepărtat (în general ostil). Exoscheletul motorizat (master) permite apoi unei persoane să controleze un braț robot (sclav) și să simtă forțele exercitate de efectorul sclavului. Dar teleoperarea exoscheletală poate fi și bidirecțională, adică exoscheletul unui utilizator poate fi controlat de la distanță.
Aceste îmbunătățiri se referă la:
Dezvoltarea exoscheletelor motorizate are un impact direct asupra condițiilor de muncă și de muncă ale angajaților. Sub rezerva unei obligații de securitate a rezultatului, (articolul L 4121-1 și următoarele din codul muncii) angajatorul trebuie să asigure sănătatea angajatului său. Transportul de sarcini grele are un impact direct asupra sănătății lucrătorului, inclusiv un risc de MSD ( Tulburări musculo-scheletice ). Standardul francez X 35-109 , referitor la ergonomia în manipularea manuală a sarcinilor, definește valorile prag aplicabile bărbaților și femeilor cu vârste cuprinse între 18 și 65 de ani fără condiții. În special, stabilește o limită de 15 kg de sarcină pe operație și 7,5 tone pe zi și pe persoană. Articolul R 4541-3 din Codul muncii stabilește obligația angajatorului de a pune în aplicare toate măsurile necesare și folosește mijloacele adecvate și, în special, echipamentele mecanice, pentru a evita recurgerea la manipulare manuală.
Utilizarea exoscheletelor motorizate se potrivește perfect prevenirii legate de transportul de sarcini grele și deschide numeroase posibilități pentru angajator. Exoscheletele EXHAUSS și HERCULE au cunoscut, de asemenea, o creștere a comenzilor în Franța de câțiva ani.
„ Cu aceste noi tehnologii de asistență fizică, stresul poate fi redus cu 10% până la 40% pentru anumite sarcini, reducând oboseala sau limitând forțele de compresie ale coloanei vertebrale. În aceste cazuri, senzația de tensiune este redusă cu 40% până la 50% la cei care le-au folosit pentru a ușura umerii. »Comentarii Jean Theurel, șef de studii la laboratorul de fiziologie și mișcare la locul de muncă la INRS.
Cu toate acestea, greutatea acestor exoscheleturi motorizate (9 kg) ridică, de asemenea, problema noului aspect al unor posibile dezechilibre posturale, nepotrivire musculară sau încărcare mentală. Nici riscurile mecanice nu trebuie trecute cu vederea: coliziune cu un alt operator sau cu o terță parte, ruperea sau proiecția sculei, strivire, deteriorarea articulațiilor (datorită depășirii limitelor fiziologice umane), frecare sau abraziune, defectarea sistemului.
Acesta este motivul pentru care implementarea, în cadrul unei companii, a acestui nou sistem trebuie mai întâi să facă obiectul unei opinii din partea Comitetului pentru sănătate, siguranță și condiții de muncă (CHSCT), în conformitate cu articolul L 4612-8-1 din Codul muncii .
Exoscheletul nu se reduce la singurele sale aplicații militare și medicale, deși acestea sunt cele care sunt cel mai adesea mediatizate. Un exoschelet poate fi utilizat în toate domeniile în care performanța fizică și / sau cognitivă a unui individ este esențială pentru succesul unui obiectiv.
Posibilele câmpuri de aplicare sunt următoarele:
În contextul poliției , acesta ar servi la reducerea riscului pe care îl prezintă ofițerii de aplicare a legii (armură, viteză, forță, precizie, percepții sporite), sau chiar prin limitarea riscului de daune colaterale (supravegherea la distanță și operarea la distanță a ofițerilor de poliție ). furnizate cu exoscheletele lor de către superiorii lor sau de către cetățenii obișnuiți de exemplu). Un agent de intervenție echipat cu un astfel de dispozitiv ar putea obține rezultatele unui coleg neechipat cu oboseală mai mică și viteză mai mare, dar și să poată rezista majorității atacurilor persoanelor care nu posedă exoschelet sau nu au exoschelete mai puțin puternice.
În cele din urmă, capacitățile de percepție de la bordul exoscheletului motorizat, împreună cu capacitățile de analiză a imaginilor și datelor de la diferiți senzori ( radar , sonar , detector de mișcare etc.), pot permite detectarea și gestionarea amenințărilor, cum ar fi locală și reală. recunoașterea în timp a persoanelor căutate sau expuse riscului care se ascund într-o mulțime sau detectarea explozivilor, armelor sau produselor periculoase (nucleare, biologice și chimice), precum și majoritatea pericolelor la care sunt prezente de obicei confruntate cu poliția în cursul operațiunile lor.
La pompierii rula la fel de mult de risc în intervențiile lor că serviciile de aplicare a legii; cu toate acestea, cererile lor nu sunt aceleași. Într-un cadru operațional, exoscheletul pentru pompieri le-ar permite să transporte mai ușor sarcini grele (victime sau echipamente de urgență), să treacă mai ușor obstacolele (ușile, pereții) și să își mărească capacitățile de reacție și coordonare, oferind în același timp o protecție sporită împotriva temperaturi și medii toxice și fumuroase.
Unele avantaje ale unui exoschelet pentru pompieri:
Sectorul construcțiilor este considerat serios în posibilele aplicații ale exoscheletului robotizat, în principal datorită creșterii forței și preciziei, esențiale pe un șantier, și adesea în condiții care fac utilizarea unui utilaj complex mai voluminos. Astfel, lucrările la lucrările structurale, în tuneluri, repararea siturilor contaminate, dar și utilizarea instrumentelor complexe în situații incomode (spațiu redus, lumină scăzută, presiune scăzută sau înaltă, mediu riscant) sunt domenii de îngrijorare. Aplicații în care exoscheletul ar putea fii de mare ajutor. În plus, exoscheletul poate facilita luarea de măsurători, datorită poziționării GPS și a echipamentului său de măsurare la bord (instrumentație laser) sau a modulelor sale de asistență pentru luarea deciziilor și de monitorizare a construcției (suprapunerea planurilor de proiectare tridimensionale ale clădirii la realitatea de pe teren). În cele din urmă, un exoschelet de șantier ar putea permite funcționarea la distanță a mașinilor, cum ar fi: excavatoare hidraulice, burghie, macarale și alte sisteme utilizate frecvent pe șantierele de construcții.
Un exoschelet motorizat poate permite monitorizarea și asistența robotică a antrenamentelor sportive (realizarea gestului perfect cu forță, viteză și precizie adecvate). Vătămările și timpul de învățare pentru activitatea fizică pot fi reduse. De exemplu, răsucirile mari ale genunchilor pot fi controlate și evitate, iar poziția centrului de greutate al sportivului poate fi stimulată (și controlată).
Spre deosebire de reducerea oboselii operatorului prin amplificarea efortului, exoscheletul poate provoca rezistență la mișcare și astfel poate întări sportivul în timpul activității fizice. Scopul este de a permite utilizatorului să evolueze pe Pământ cu constrângeri de rezistență fizică variabile și configurabile. Un caz concret al unui astfel de exoschelet este ilustrat de modificarea greutății sportivului: greutatea poate fi amplificată de câteva ori gravitația terestră.
Aplicarea unei amplificări a efortului poate fi de asemenea exploatată pentru a realiza timpii de întindere după încălzire și după efort. Pe de altă parte, indicațiile privind starea cardiacă a unui sportiv îi pot fi percepute astfel încât să-și poată anticipa timpul de odihnă.
Exoscheletul este un instrument a cărui vocație este de a fi utilizat de un public larg și, prin urmare, este studiat din ce în ce mai mult de laboratoarele universitare și centrele de cercetare globale. Fără a avea neapărat puterea modelelor militare și profesionale, ci prin integrarea funcțiilor electronice sau de computer dezvoltate în altă parte, acestea ar fi apoi utilizate pentru:
La fel ca toate mașinile, un exoschelet poate fi supus reglării și poate fi supus numeroaselor modificări estetice care l-ar putea face din ce în ce mai vizibil și diferențiat în evenimente sportive, culturale și artistice în care reprezentarea este importantă (cinema, teatru etc.). Deoarece, ca mașină și ca îmbrăcăminte, poate fi personalizată de către utilizator și, prin urmare, integrează atât evoluțiile tehnologice în aceste componente interne (baterii, microprocesoare, motoare etc.), dar și tendințele modei pentru aceste componente externe (culori, forme și texturi de cochilii de protecție de exemplu).
DARPA ( Defense Advanced Research Projects Agency ) din Statele Unite este una dintre primele organizații care au lucrat la exoscheletele motorizate. Era vorba de a putea facilita munca soldaților în zonele de luptă. Primele prototipuri produse au folosit în general o sursă de energie externă și o provocare majoră a fost aceea de a putea încorpora această sursă de energie pentru a face dispozitivul autonom. În 2000 , DARPA a pus în competiție șaisprezece companii pentru a selecta un exoschelet care va fi testat în 2008 . Proiectul selectat este cel dezvoltat de compania Sarcos, care a devenit de atunci o filială a companiei Raytheon . Primul prototip rezultat în urma acestei cercetări, numit XOS, este un exoschelet complet cu un sistem de acționare hidraulică de înaltă presiune (membrele inferioare și superioare) dezvoltat pentru armata SUA. Cântărește mai mult de 70 kg și poate ridica sarcini de până la 90 kg la lungimea brațului. A doua versiune XOS2 a fost întărită și ușurată considerabil, deoarece cântărește doar zece kilograme.
HULC, Berkeley Bionics / Lockheed MartinBerkley Bionics eLegs sunt destinate în special persoanelor cu paraplegie. Controlate de cutii mici pe brațe și destinate publicului larg, acestea sunt primele cu genunchi flexibili și un computer de control care îi face pionieri în domeniu. ELeg-urile au 6 ore de autonomie și pot ajunge la 3 km / h.
MGA, Universitatea Georgetown University din Maryland / US Army Exoschelet alimentat cu membrele superioare, Universitatea din Washington TALOS - Costum de operator de lumină de asalt tacticVezi Talos
Fondatorul, profesorul Yoshiyuki Sankai, al companiei japoneze Cyberdyne (referire la filmul Terminator ), un spin-off de la Universitatea Tsukuba din Japonia, a dezvoltat un exoschelet motorizat destinat exclusiv pentru a ajuta persoanele cu dificultăți în mișcare (vârstnici sau fizici) dezactivat), denumit HAL (pentru „ Membrul de asistență hibrid ”). Acest exoschelet este disponibil pentru închiriere (1.000 EUR / lună) în Japonia din 2009 și în curând de vânzare (12.000 EUR ). ( http://www.cyberdyne.jp/english/ ). O sucursală a fost deschisă în Olanda și un centru de cercetare ( Cybernetics ), cofinanțat de Daiwa House , a fost deschis în Japonia.
Dispozitiv de asistență la mers, HondaEXHAUSS este o companie franceză care comercializează primele exoschelete semi-pasive electromecanice pentru transportul și manipularea sculelor și încărcăturilor, operaționale din 2014 pentru aplicații industriale. „Exo-brațele” pot fi reglate automat sau după bunul plac în funcție de sarcina ridicată. Apoi exobrele mecanice devin din nou pasive și fac posibilă manipularea unei sarcini de 25 kg „izoelastic”, fără consum suplimentar de energie, de parcă ar cântări doar câteva sute de grame.
Hercules, RB3D / DGASpecialistă în sisteme ergonomice, compania RB3D ( cifră de afaceri de 600 k € în industrie și medicină, zece angajați) a fost acordată în 2008, 2 milioane de euro de către DGA (buget de 2,7 milioane) pentru a crea un exoschelet militar care permite trupelor pe jos să transporte 50 kg fără efort. Autorizat să extragă aplicații civile din acesta, va dezvolta acest proiect cu Lista CEA și școala Sudria, ajutată de CEA Investissement și de compania de investiții Burgundia Ideb. Condus de Direcția Generală Armament (DGA) și finanțat prin sistemul RAPID, care susține IMM-urile inovatoare , s-a născut, prin urmare , programul Hercule, dezvoltat de compania RB3D . A fost prezentat la târgul Milipol din 2011 la Paris. Compania din Burgundia, în efortul său de reducere a MSD-urilor, dezvoltă, de asemenea, o gamă de coboti pentru manipularea industrială cu ajutorul CEA și CETIM .
ABLE, CEA Probex, Wotan SystemsCompania Wotan Systems a fost pionier în 2004 în dezvoltarea exoscheletelor de compensare a handicapului. Primele sale proiecte au vizat membrele superioare cu un exoschelet pentru brațul drept numit Probex și, în special, Probex201 integrat într-un scaun cu rotile. Această companie a fost însă lichidată în 2009 pentru active insuficiente.
Lokomat sa stabilit ca un instrument eficient pentru îmbunătățirea funcțională a mersului la pacienții cu tulburări neurologice. Aproximativ 100 de sisteme Lokomat au fost instalate și sunt utilizate cu succes în clinici renumite de reabilitare și institute de cercetare din întreaga lume. (Masa = 1.100 kg , viteza maximă de mers = 3,2 km / h ). Implementarea automată scutește terapeuții de constrângeri fizice și permite sesiuni de terapie mai lungi și mai eficiente.
WalkTrainer, Swortec / EPFLCompania israeliană Argo Medical Technologies a dezvoltat un exoschelet motorizat ușor, numit ReWalk , al cărui scop este de a permite paraplegicilor să meargă. ReWalk are atele articulate care se atașează la membrele inferioare ale utilizatorului și o geantă din spate care conține sistemul de control. Un senzor este plasat pe trunchiul utilizatorului, acesta detectează unghiul trunchiului și conduce picioarele înainte sau înapoi pentru a menține echilibrul corpului.
Laboratorul PERCRO din Italia a dezvoltat L-EXOS , un dispozitiv haptic cu bază fixă antropomorfă, apoi mai recent Body Extender , un exoschelet complet destinat manipulării bazat pe tehnologia de transmisie prin cablu L-EXOS .
Rex Bionics este o companie fondată de Richard Little și Robert Irving în 2007, care proiectează un exoschelet pentru membrele inferioare pentru paraplegici care măsoară între 1,50 m și 1,95 m și cântăresc sub 100 kg .
Caracteristicile prototipului: masa = 38 kg , aproximativ două ore de autonomie, patru grade de libertate (două pe membru), control cu joystick-uri. Produs comercializat în Noua Zeelandă (85.000 EUR) și disponibil în alte țări din 2011.
Principiul exoscheletului se găsește foarte des în lucrările de science fiction , în special în jocurile video . Primele apariții ale acestui tip de echipament revin la romanul Galactic Patrol ( Galactic Patrol ) scris în 1937 de EE Smith sau la romanul scurt Waldo ( 1942 ) de Robert A. Heinlein - acest termen este, de asemenea, în trecut Limba engleză comună pentru un braț manipulator , iar efectul de amplificare a forței este uneori denumit „efectul Waldo”. Dar revenind mai departe în trecut, putem evoca, de asemenea, poveștile lui Charles Perrault , în care anumite personaje, cum ar fi degetul mic , îmbracă cizme de șapte ligi , echipament imaginar care se adaptează automat ca dimensiune utilizatorului său și care crește considerabil distanța parcursă cu fiecare pas. În același mod, aripile artificiale ale lui Daedalus și Icarus sunt, de asemenea, revelatoare ale vechilor vise de îmbunătățire a corpului uman.
Dintre eroii science-fiction care folosesc exoscheletele motorizate, unul dintre cele mai faimoase este cu siguranță Iron Man , eroul de benzi desenate creat în 1963 de Stan Lee pentru Marvel Comics și care a fost adaptat cinematografiei în 2008 de Jon Favreau . Din partea belgiană, într-una dintre aventurile ei electronice (1971), eroina Yoko Tsuno poartă un „multiplicator de forță”. În filmul Aliens, the Return ( James Cameron , 1986 ), Lt. Ellen Ripley ( Sigourney Weaver ) folosește un exoschelet motorizat numit Power Loader pentru a manevra echipamentul militar și apoi pentru a lupta cu creatura extraterestră.
Există, de asemenea, multe sisteme exoscheletice în jocurile video: Power Suit din seria Metroid , MJOLNIR din seria Halo , Nano-Suit de la Crysis și în multe altele precum Metal Gear sau Fallout .
Exoscheletul nu trebuie confundat cu conceptul de mecha , care poate fi văzut în multe filme, anime și manga precum Gundam , care, deși este o evoluție a conceptului, nu are caracteristicile sale. Într-adevăr, atunci când un exoschelet este acoperit de utilizator, suprapunându-se asupra mișcărilor sale și sprijinindu-l cu ajutorul instrumentelor de interfață imersivă, se pilotează o mecha; este deci un vehicul antropomorf . Cu toate acestea, unele cazuri sunt ambigue; astfel, colegii de pământ ai manga Appleseed sunt mici și, dacă brațele pilotului nu se află în brațele colegului de pământ , picioarele sale sunt adăpostite în coapsele armurii.