Fonctionnement
De quelle manière l’exosquelette motorisé fonctionne au sein de sa propre organisation et agit au sein de l’organisme ?
L'interaction entre l’exosquelette et l’organisme se développe en plusieurs étapes :
-L’homme envoie un message nerveux à ses muscles
-Le message est enregistré par les différents capteurs de l’exosquelette qui va l’interpréter sous forme d'un message électrique.
-Ce message électrique va faire bouger l’exosquelette qui va accompagner les articulations et augmenter la puissance musculaire de l’utilisateur.
Pour effectuer un enchainement de mouvements fluides, l’exosquelette reste toujours connecté aux nerfs de l’utilisateur, les décrypte puis accompagne ou effectue les mouvements désirés.
Modélisation d'un homme portant un exosquelette et se levant
La synchronisation de l’exosquelette avec le cerveau, qui contrôle les mouvements du corps, est obligatoire pour permettre un enchainement de mouvements synchronisés. Les données fournies par les capteurs placés sur le corps de l’utilisateur doivent permettre à l'exosquelette de reproduire fidèlement et dans un délai très court les actions de l'utilisateur.
Afin de réaliser un certain mouvement, le cerveau envoie des impulsions électroniques jusqu’aux muscles. Ce sont les informations sensitives efférentes, c'est à dire des informations transmises par la moelle épinière grâce aux nerfs qui y passent. Il y a alors apparition de très faibles signaux bio électriques à la surface de la peau au niveau des muscles sollicités.
Le signal est transmis depuis les neurones par un procédé biochimique entre les synapses.
Une synapse est une structure de communication entre deux cellules dites excitables. C'est une zone qui relie deux neurones ou bien un neurone et une cellule effectrice, notamment musculaire.
Son rôle va être de transmettre l'influx nerveux, émis par le neurone, comme une séquence de potentiel d'action. Ces signaux habituellement transmis aux muscles directement vont dans notre cas être détectés par les capteurs de l’exosquelette et vont permettre à l’exosquelette d’assister le mouvement que l'utilisateur tente d'effectuer.
L'ordinateur placé dans le dos de l'utilisateur va immédiatement analyser le besoin de force en fonction de l'effort nécessaire à l'action que l'utilisateur désire exécuter. Il commande alors les générateurs qui vont actionner le mouvement nécessaire et aider les muscles à arriver à leurs fins.
Une femme portant un exosquelette
Comment fonctionne l’exosquelette motorisé au sein de son système ?
L’engin en lui-même est composé de deux parties, une mécanique et une logicielle. Ces deux entités permettent à l’exosquelette d’accompagner et d’interpréter la commande nerveuse d’un mouvement en la transformant en message électronique.
La partie mécanique sert à mettre en œuvre les commandes et instructions formatées par la partie logicielle.
Partie logicielle
Le logiciel qui est installé sur l’ordinateur de bord va récupérer les informations envoyées par les capteurs, les transformer et ensuite envoyer des instructions aux déclencheurs.
L’instruction sera différente en fonction du type de capteurs. S’il s’agit d’un capteur mécanique, alors l’information relevée sera composée de la direction du mouvement et sa durée, s'il s'agit d'un capteur bioélectrique alors l’information sera plus précise, car ces capteurs déchiffrent les mouvements voulus par l’utilisateur avec une plus grande précision.
Partie mécanique
La partie mécanique permet de réaliser le mouvement que la partie logicielle lui transmet. La partie mécanique est composé de plusieurs éléments :
Le Cadre
Le cadre est le socle sur lequel tous les composants sont rattachés. Il doit nécessairement être fabriqué à partir d’un matériau léger pour que l’exosquelette ne soit pas trop lourd, ce qui pourrait handicaper l’utilisateur.
Cependant, il doit aussi être assez solide pour pouvoir lier tous les composants en place sans risque pour l’utilisateur. Ce cadre aura des jonctions au niveau des différentes articulations du corps humain (chevilles, genoux, épaule...) pour permettre un déplacement fluide et facile.
L'ordinateur
Il joue le rôle de contrôleur, il recueille les informations envoyées par les capteurs et commande les déclencheurs en fonction de ces informations. C’est lui qui permet de se mouvoir.
Le tout est contrôlé grâce à des programmes spécifiques installés sur l’ordinateur.
Les déclencheurs
Les déclencheurs sont les éléments permettant de déplacer l’utilisateur et l’exosquelette. Ils fonctionnent à l’aide de moteur et reçoivent leurs « ordres » de l’ordinateur.
Les batteries
Les batteries doivent être légères pour ne pas trop encombrer l’exosquelette, et doivent avoir une autonomie permettant un fonctionnement de l’exosquelette durant la majorité de la journée. Ces batteries doivent également être rapidement rechargeables pour permettre un usage régulier.
Les capteurs
Pour fonctionner, l’exosquelette a besoin de se repérer, de récupérer des données sur sa position dans l'espace. Cette information sur sa position est fournie par les capteurs. Cela implique la présence d'un nombre important de capteurs pour permettre au système de répondre à l'ensemble des besoins de l'utilisateur. Un capteur transforme les informations qu’il reçoit de son environnement en signal électrique. Ces signaux vont être traduits sous la forme de données numériques.
Sans se procéder l'exosquelette ne pourrait pas reconnaitre l'environnement qui l'entoure car l'unité de commande (un microcontrôleur par exemple) ne peut traiter que des nombres numériques sous forme binaire (des bits).
Un exosquelette peut être constitué de différents capteurs tels que des accéléromètres, des manomètres, des capteurs bioélectriques ou des capteurs d'angle. Les capteurs diffèrent par leur position sur le corps de l’utilisateur et leurs fonctions.
Le moteur
Le moteur transforme l'énergie nécessaire aux déclencheurs, pour pouvoir amplifier ou créer un mouvement. Pour cela, il en existe deux types : hydraulique et électrique.
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Comment ce fonctionnement agit sur l’organisme et par quels moyens l’exosquelette peut-il se mouvoir ?
Les exosquelettes représentent pour notre corps une aide musculaire car leur objectif est d’aider les muscles défaillants, voire de les remplacer. Ils vont chercher à recréer les mouvements des articulations pour pouvoir suivre le biomécanisme de l’utilisateur.
Le corps humain peut être comparé à une machine. Les muscles et les articulations qui lui permettent d’avoir une mobilité dans l’espace, représenteraient des leviers de force. Il en existe différents types caractérisés par leurs dispositions internes.
Les différentes forces dans le corps humain
Les articulations musculaires ont trois types de « leviers » possibles en fonction de leur formation. Ces trois types sont : les leviers dits d’équilibre (ou leviers de premier genre), inter-résistants (ou leviers de deuxième genre) et les leviers inter-puissants (ou leviers de troisième genre). Ces différents leviers sont utilisés dans le cadre des exosquelettes afin de permettre une création de force de différentes intensités en fonction des besoins.
Les leviers d’équilibre :
L’articulation qui relie notre crâne à l’extrémité de notre colonne vertébrale est une articulation pouvant être qualifiée d’articulation d’équilibre.En effet son point d’appui repose sur la résistance naturelle des os, des tendons ,des articulations de cette zone ainsi que les muscles solicités pour maintenir cet équilibre. Le muscle de la nuque est le muscle le plus important dans le maintien de la tête verticalement.
Les leviers inter-résistants :
Pour ces leviers, la résistance est appliquée entre la force et le point d’appui. L’articulation de notre cheville est du type inter-résistant car le muscle est situé à l’arrière du pied, sur le talon, qui est lui-même derrière le point d’appui (pointe du pied).
Les leviers inter-puissants :
Les muscles du bras rattachés aux os de l’avant bras font du coude une articulation de type inter-puissant, car l’attache du biceps est située à la base du radius et car la majeure partie du poids de l’avant-bras est située plus à son extrémité, au niveau de la main.
Les exosquelettes vont ainsi être utiles à une personne souhaitant améliorer ou retrouver ses capacités physiques en le remplaçant ou en amplifiant sa force de base. L’exosquelette englobant les os et doté d’articulations externes va recevoir l’influx nerveux, destiné au muscle, le transformer en message électrique et produire un mouvement mécanique qui va faire bouger le membre sans qu’il n’y ait besoin de muscles actifs.
Cette utilisation des messages commandés par le cerveau permet aux personnes ayant perdu l’usage de leurs muscles de pouvoir se mouvoir. Elle permettra aussi aux personnes de multiplier leur force physique jusqu’à plus de cinq fois.
Le muscle ainsi accompagné mécaniquement peut être soulagé et/ou remplacé par la machine, sans difficulté pour l’utilisateur mis à part le possible encombrement que cause le port d’un exosquelette.
Malgré un codage presque identique à tous les exosquelettes, leurs objectifs et leur public visé sont différents.