Les moteurs d’exosquelette à l’origine des avancées majeures de la technologie des membres supérieurs

Ces dernières années, les robots exosquelettes sont devenus une technologie transformatrice, améliorant la mobilité humaine, soutenant la rééducation et renforçant la productivité industrielle. Ces systèmes robotiques portables offrent une assistance au mouvement précise, aidant les utilisateurs à étendre leurs capacités physiques, à réduire la fatigue et à améliorer la qualité de vie des personnes souffrant de troubles de la mobilité.

Parmi les différentes applications des exosquelettes, les exosquelettes du membre supérieur présentent un défi particulier. En raison de la cinématique complexe des articulations et des larges plages de mouvement, parvenir à un contrôle précis tout en conservant une conception légère et ergonomique est devenu un enjeu majeur pour les chercheurs et les ingénieurs.

Aujourd’hui, nous allons vous guider à travers un article scientifique de l’Université des sciences appliquées de Ruhr West.

[[2309.04698] Avancées des exosquelettes du haut du corps : mise en œuvre d’une compensation active de la gravité à l’aide d’un contrôleur en avance de phase]

Le défi clé : trouver l’équilibre entre le poids et le contrôle dans les exosquelettes du membre supérieur

Les stratégies traditionnelles de contrôle des exosquelettes reposent souvent sur des mécanismes de rétroaction, tels que les régulateurs PID, qui utilisent des capteurs externes pour corriger les erreurs de position en temps réel. Bien qu’efficaces, ces solutions augmentent la complexité du système, son poids ainsi que sa consommation énergétique.

Pour répondre à ce défi, l’équipe a développé un système de compensation active de la gravité basé sur un contrôle en avance de phase (feedforward control). En exploitant uniquement les capteurs de position internes des moteurs, le système est capable de prédire et de compenser le couple gravitationnel sans recourir à des capteurs externes supplémentaires. Cette approche permet non seulement de simplifier l’architecture matérielle, mais aussi d’améliorer les performances dynamiques et la compatibilité ergonomique — en parfaite adéquation avec la philosophie de CubeMars axée sur l’actionnement de précision pour la robotique portable.

Avantages du contrôle en avance de phase (Feedforward Control)

Le contrôle en avance de phase ne repose pas sur la rétroaction des erreurs ; il calcule à l’avance le couple de compensation requis. Cela permet des mouvements hautement réactifs et fluides, tout en minimisant la latence lors des actions dynamiques.

Les essais montrent que le système maintient une posture stable même dans des conditions de friction minimale et fonctionne de manière fiable lors de multiples transitions de mouvement. Pour les applications de rééducation et d’assistance industrielle, cela se traduit par une réduction de l’effort musculaire, une utilisation plus sûre et une interaction homme-robot plus naturelle.

Moteurs robotiques haute performance : le cœur de l’actionnement des exosquelettes

Les moteurs d’exosquelette sont essentiels à la robotique portable. Dans notre système d’exosquelette du membre supérieur, chaque côté est équipé de moteurs d’exosquelette CubeMars à haut rapport puissance/poids, notamment :

Actionneur robotique AK60-6 V1.1 KV80

• 24V Tension nominale

• 9 N·m Couple de pointe

• 315g Poids 

• Optimisé pour les applications robotiques légères et les exosquelettes

Actionneur robotique à couple élevé AK80-9 KV100

• 48V Tension nominale

• 18 N·m Couple de pointe

• Conçu pour les articulations à charge élevée, offrant une sortie fiable et précise

Ces moteurs robotiques combinent une densité de couple élevée, une conception légère et des circuits de commande intégrés, ce qui les rend idéaux pour les exosquelettes robotiques, les bras robotiques et les dispositifs de rééducation. Intégrés à une commande en anticipation (feedforward), les moteurs CubeMars permettent une réponse de couple quasi instantanée pour la compensation active de la gravité, favorisant des mouvements naturels et ergonomiques.

Architecture et mise en œuvre du système

L’exosquelette adopte une conception à quatre degrés de liberté (4-DOF), reproduisant avec précision les mouvements naturels de l’épaule et du coude dans l’espace tridimensionnel. Le système de commande est basé sur un microcontrôleur ATmega328P (Arduino Uno) et communique avec les moteurs via le protocole de bus CAN.

L’alimentation est assurée par une batterie intelligente LiPo TATTU de 22,2 V et 222 Wh, offrant une densité énergétique élevée et une longue autonomie. Avec un poids total d’environ 8 kg, le système reste confortable pour un port prolongé tout en conservant une excellente compatibilité ergonomique.

Validation expérimentale et applications futures

Les résultats des tests démontrent que le système de compensation active de la gravité permet à l’exosquelette de maintenir sa posture sur une large plage de positions, sans délai ni dérive perceptibles. Lors des mouvements dynamiques, la réponse des articulations est précise et fluide, mettant en évidence les avantages de la combinaison du contrôle feedforward avec les moteurs d’exosquelette CubeMars haute performance.

À l’avenir, cette technologie est idéale pour les robots de rééducation des membres supérieurs, les exosquelettes d’assistance industrielle et les bras robotiques collaboratifs. En intégrant les moteurs CubeMars à fort rapport puissance/poids à une conception légère et ergonomique, ce système offre une solution pratique et efficace pour la robotique portable, améliorant la mobilité humaine et soutenant des applications réelles.

FAQ

Quelle est l’innovation clé de cette technologie d’exosquelette pour les membres supérieurs ?

La percée réside dans l’utilisation d’une compensation active de la gravité contrôlée par feedforward, éliminant le besoin de capteurs externes. Le système s’appuie uniquement sur les capteurs de position internes des moteurs pour prédire et compenser le couple gravitationnel, réduisant considérablement la complexité et le poids du matériel tout en améliorant les performances.

En quoi le contrôle feedforward diffère-t-il des méthodes de contrôle traditionnelles ?

Contrairement au contrôle par rétroaction traditionnel (comme les contrôleurs PID), qui repose sur des capteurs externes et la correction des erreurs, le contrôle feedforward calcule à l’avance le couple de compensation requis. Cela permet des mouvements hautement réactifs avec une latence minimale et élimine le besoin de capteurs externes supplémentaires.

Quels moteurs spécifiques sont utilisés dans ce système d’exosquelette ?

Le système utilise des moteurs d’exosquelette CubeMars haute performance, notamment les modèles AK60-6 V1.1 (couple maximal de 9 N·m, poids de 315 g) et AK80-9 (couple maximal de 18 N·m). Ces moteurs offrent une densité de couple élevée, une conception légère et des circuits de commande intégrés, optimisés pour les applications d’exosquelette.

Quelles sont les principales applications de cette technologie ?

Cette technologie est idéale pour les robots de rééducation des membres supérieurs, les exosquelettes d’assistance industrielle et les bras robotiques collaboratifs. Elle améliore la mobilité humaine, réduit l’effort musculaire et offre un fonctionnement plus sûr avec une interaction homme-robot plus naturelle.

Quelles sont les spécifications du système et les résultats de performance ?

L’exosquelette à 4 degrés de liberté (4-DOF) pèse environ 8 kg et utilise un microcontrôleur ATmega328P avec une communication par bus CAN. Les tests montrent un maintien stable de la posture sur une large plage de positions, des réponses articulaires précises et des mouvements dynamiques fluides, sans délai ni dérive perceptibles.