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ROBOTIQUE

Enseignement transversal

Activité

L’ homme augmenté

2. Outils et méthodes d’analyse et de description des systèmes 2.1. Approche fonctionnelle des systèmes. 2.1.1. Organisation fonctionnelle d’une chaîne d’énergie Caractérisation des fonctions relatives à l’énergie: production, transport, distribution, stockage, modulation. 2.1.2. Organisation fonctionnelle d’une chaîne d’information Caractérisation des fonctions relatives à l’information: acquisition et restitution, codage et traitement, transmission.

1. Présentation Victime d'un accident qui lui a brisé la colonne vertébrale, paraplégique, Amy Paradis a fait ses premiers pas depuis quatre ans grâce à un exosquelette.

♦ Pourquoi parle t’on EXOsquelette et expli-

quer son architecture. ♦ EXO = extérieur . L’architecture de l’exosquelette à pour fonction de reproduire les mobilités des membres du corps humain L’ensemble des ressources nécessaires à cette activité sont sur le répertoire de classe sous Xmind.

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Principaux constituants d’un exosquelette. Cadre: Généralement fabriqué à partir de matériaux légers. Il doit être suffisamment solide pour soutenir le poids du corps ainsi que le poids de l’exosquelette et de ses composants. Il doit également être capable de maintenir le corps en place en toute sécurité sans aucun risque de chute pour le porteur. Le cadre disposera généralement d’une série d’articulations qui correspondent aux articulations du corps. Batteries: Elles doivent alimenter l’exosquelette. Elles doivent être facilement remplaçables, rapidement rechargeables légères et petites, pour que l’exosquelette ne soit jamais lourd ou encombrant. Capteurs: Ils recueillent des informations sur la manière dont l’utilisateur veut se mouvoir. Les capteurs peuvent être manuels (joystick) ou bioélectriques et ils peuvent détecter les impulsions physiologiques générées par le corps. Contrôleur: Jouant le rôle du cerveau de l’appareil, le contrôleur est un ordinateur embarqué qui prend les informations recueillies par les capteurs, et qui contrôle et coordonne les actionneurs. Actionneurs: Ce sont comme les « muscles » qui dirigent le mouvement. généralement des moteurs électriques ou hydrauliques. En utilisant l’alimentation des batteries et les informations envoyées par l’ordinateur, ils permettent le déplacement de l’exosquelette et du porteur. Le matériau choisi pour la fabrication de l’ossature d’un exosquelette requiert: • qu’il soit suffisamment léger pour ne pas surcharger ou déséquilibrer le porteur • qu’il soit rigide pour ne pas se déformer de façon excessive sous l’effet des efforts qui lui sont appliqué (poids propre, charges soulevées …).. On choisira donc le matériau en fonction de ces 2 critères; résistance et légèreté. On utilise principalement le titane (malgré son coût élevé) ou un alliage d’aluminium. Rechercher ( http://iut.univ-lemans.fr/gmp/cours/rebiere/proprietesmecaniques.html ) : ♦ La résistance élastique Re de l’aluminium : Re = 100 à 295 Mpa (N/mm²) ♦ La masse volumique ρalu de l’aluminium : ρalu = 2800 kg.m-3 ♦ Le module de Young (module d’élasticité) de l’aluminium: E = 70000 Mpa (N/mm²) ♦ La résistance élastique Re du titane : Re = 1110 Mpa (N/mm²) ♦ La masse volumique ρti du titane : ρti = 4400 kg.m-3 ♦ Le module de Young (module d’élasticité) du titane : E = 105000 Mpa (N/mm²) ♦ Établir la résistance spécifique de chaque matériau (rapport résistance à la traction /

masse volumique) et le rapport module de Young / masse volumique Alu; r1 = de 100 / 2800 = 0,0357 à 295 / 2800 = 0,105 - r2 = 70000 / 2800 = 25 Titane; r1 = 1110 / 4400 = 0,25 - r2 = 105000 / 4400 = 23,86 ♦

En utilisant les diagrammes de propriété donnés page suivante, comparer pour les 3 critères proposés de l’utilisation d’alliage d’aluminium (Al alloys) ou de titane (Ti alloys).

Module de Young / Masse volumique; On constate qu’ils ont sensiblement les mêmes caractéristiques (Cf question précédente Alu = 25 - Titane = 23,86) Résistance mécanique spécifique; Les alliages de titane sont plus performants sur ce critère et conforme aux résultats de la question précédente Contrainte à la limite élastique / Prix; La limite élastique du titane est plus élevé que celle de l’alu mais son coût est plus élevé

Comparer les propriétés des matériaux composites par rapport aux 2 matériaux précédents

Module de Young / Masse volumique; Propriétés légèrement supérieures Résistance mécanique spécifique; légèrement supérieures à celle du titane et très nettement supérieure à celle de l’alu Contrainte à la limite élastique / Prix; propriétés médianes STI2D Enseignement transversal

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Diagramme de propriété: Module de Young / Masse volumique

Cette combinaison de propriétés est importante pour la conception technique de composants légers et de structures rigides. Les matériaux qui se trouvent sur une même ligne ont tous la même rapport E / ρ. Plus on déplace la ligne vers le coin gauche supérieur du diagramme, plus la valeur du rapport est importante.

Alu = 25

Titane = 23,86

On constate qu’ils ont sensiblement les mêmes caractéristiques (Cf question précédente Alu = 25 - Titane = 23,86)

Diagramme de propriété: Contrainte à la limite élastique / Prix

En plus de la résistance, dans la conception, il faudra faire d'autres compromis concernant les propriétés, par exemple sur le prix du matériau. Diagramme de propriété: Résistance mécanique spécifique

La limite élastique du titane est plus élevé que celle de l’alu mais son coût est plus élevé

Les alliages de titane sont plus performants sur ce critère et conforme aux résultats de la question précédente

La résistance spécifique est définie par Re / ρ. Les valeurs élevées de résistance spécifique sont un indicateur pour les matériaux qui se prêtent bien aux conceptions légères. Les matériaux qui se trouvent sur une même ligne ont tous la même résistance spécifique. Plus on déplace la ligne vers le coin gauche supérieur du diagramme, plus la valeur de la résistance spécifique est importante.

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2. Exosquelette « ReachMAN ». L'objectif principal de ce projet est de développer un système robotisé simple de ré-éducation fonctionnelle de patients hémiplégiques ayant pour fonction la réadaptation du membre supérieur et qui pourrait facilement être intégré dans des environnements divers (centres hospitaliers existants ou utilisé même à la maison) afin d’obtenir le rétablissement maximal des fonctions motrices de la main.

Main en position fonctionnelle Gentle/s (9 DDL)

ARM Guide (7 DDL)

La formation de tâches fonctionnelles habituelles impliquant la fonction manuelle exige en principe un système robotisé complexe avec un grand nombre de degrés de libertés. Pour exécuter des mouvements arbitraires dans l'espace 3D, les humains auraient besoin d'au moins 6 degrés de liberté, plus les mobilités internes de la main. Néanmoins, il peut être possible d'utiliser l’étude des mouvements pour simplifier la conception de dispositifs de réadaptation. Par exemple, il est bien connu que, dans des mouvements d’extension, la main suit approximativement un chemin de ligne droit du début à la cible.

Modèle simplifié: A : Extension et placement B : Saisir C : Envelopper

Le document de la page suivante donne les trajectoires typiques de la main pour les fonctions « prendre et déplacer », « boire » et « manger » dans les différents plans. ♦ Relever les déplacements possibles suivant les fonctions utilisées et compléter le ta-

bleau ci-dessous. Déplacements sur x

- 380 à + 380 mm

- 150 à + 150 mm

Sensiblement 0

Déplacements sur y

0 à + 650 mm

0 à + 300 mm

- 160 à + 80 mm

Déplacements sur z

0 à + 170 mm

0 à + 600 mm

0 à + 400 mm

« prendre et déplacer »

« boire »

« manger »

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Trajectoires typiques: A : Prendre et déplacer

B : Boire

C : Manger

z

y Trajectoire dans le plan sagittal (z,y) pour les 3 fonctions.

Schéma de principe du système de rééducation fonctionnel STI2D Enseignement transversal

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Nota: La pronosupination se définit par l'ensemble des mouvements qui facilitent la rotation d'une partie d'un membre. DOF : degré de liberté

z

2

L’étude du modèle simplifié de l’exosquelette « ReachMAN » de ramène à la modélisation numérique définie ci contre. Il autorise 3 degrés de liberté assisté chacun par des actionneurs: 2 servomoteurs pour la rotation 1/2 1 moto-réducteur pour la rotation 2/3 1 moto-réducteur pour la translation 3/0

3 x

1 0 y

Liaison 3/0 (atteindre)

Tx = 0 Rx = 0 Liaison 1/2 (saisir)

Glissière d’axe y Liaison 2/3 (pronosupination)

Pivot d’axe y

Ty = 1

Ry = 0

Tz = 0

Rz = 0

Pivot d’axe z

Tx = 0 Rx = 0 Ty = 0

Ry = 0

Tz = 0

Rz = 1

Tx = 0 Rx = 0 Ty = 0

Ry = 1

Tz = 0

Rz = 0

♦ Compléter les tableaux de mobilités et défi-

nir les liaisons utilisées.

Modélisation numérique de l’ensemble saisir (fermeture main). Il utilise 2 servomoteurs placés symétriquement. L’angle α est réglable pour assurer le confort de l’utilisateur . Le couple mini à fournir est de 2,2 m.N lors de la fermeture de la main. STI2D Enseignement transversal

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Ensemble réducteur de vitesse

Servomoteur HITEC HS-7955TG

Caractéristiques du servomoteur ♦ Calculer la vitesse de rotation à couple maxi ω

en rad/s sous 6 V. Nsortie ; 60° en 0,42 s Soit 1 tour = 360° = 2π rad en (0,42 x 6) = 2,52 s ω = θ / t = 2π / 2,52 = 2,5 rad/s Principe de fonctionnement d’un servomoteur ♦ Relever le couple maxi sous 6 V et l’exprimer en m.N

Cmaxi = 13000 g.cm 1 cm = 0,01 m = 10-2 m donc Cmaxi = 13000 x 10-2 = 130 g.m 3 1 kg = 1000 g = 10 g Cmaxi = 130 x 10-3 = 0,13 kg.m II P II = m.g soit pour 1 kg ; II P II = 1 x 9,81 = 9,81 N d’où Cmaxi = 0,13 x 9,81 = 1,28 m.N ♦ Le couple total fourni est’ il suffisant par rapport au couple requis ?

Le couple mini à fournir est de 2,2 m.N. Il y a 2 servomoteur (1 à chaque extrémité). Cmaxi = 1,28 x 2 = 2,55 m.N Donc Cmaxi (2,55 m.N) > Cutile (2,2 m.N) ♦ En déduire la puissance mécanique disponible en sortie d’un servomoteur.

Ps (W) = C (m.N) x ω (rad/s) = 1,28 x 2,5 = 3,2 W ♦ Déterminer la puissance électrique consommée en entrée à couple maxi.

Pe (W) = U (V) x Ι (A) = 6 x 2,135 = 12,81 W ♦ En déduire le rendement d’un servomoteur.

η = Ps / Pe = 3,2 / 12, 81 = 0,25 STI2D Enseignement transversal

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Modélisation numérique de l’ensemble « pronosupination » utilisant un moteur Maxon RE 40 associé à un réducteur de vitesse. Angle de rotation de 76° (pronation) et de 258° (supination) pour un espace de travail de 334° limités par 2 butée mécaniques.

MAXON RE 40 40 mm, Graphite Brushes (milli) mN.m = 10-3 N.

♦ Déterminer la puissance électrique consommée en entrée à couple maxi.

Pe (W) = U (V) x Ι (A) = 12 x 6 = 72 W

♦ Déterminer la puissance mécanique disponible en sortie d’un moteur.

Ps (W) = C (m.N) x ω (rad/s) avec ω = 2π π.N (tr/min) / 60 d’où Ps = (C x 2π π.N) / 60 -3 Ps = ( 94,9.10 x 2π x 6370 ) / 60 = 63,3 W ♦ En déduire le rendement d’un moteur.

ηm = Ps / Pe = 63,3 / 72 = 0,88 ♦ Comparer aux données constructeur.

On retrouve le même résultat (ηconstructeur = 88 % soit 0,88) STI2D Enseignement transversal

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Attention ; Doc. Constructeur - r = Ne / Ns

Le moteur est associé à un réducteur dont on donne les caractéristiques ci-dessus. ♦ Déterminer la fréquence de rotation en sortie du réducteur.

rréducteur = Nsréducteur / Neréducteur soit Nsréducteur = rréducteur x Neréducteur = 6370 x (3 / 13) = 1470 tr.min-1 ♦ Le rendement du réducteur étant de 0,9 , déterminer la valeur du couple en sortie du ré-

ducteur. ηréduc = Psréduc / Peréduc d’où Psréduc = ηréduc x Peréduc = 63,3 x 0,9 = 57 W Psréduc = Csréduc x ωsréduc avec ωsréduc = 2π π.Nsréduc / 60

d’où Psréduc = Csréduc x (2π π.Nréduc / 60) soit Csréduc = 60.Psréduc / 2π π.Nréduc = ( 60 x 57) / (2π π x 1470) = 0,37 m.N Peréducteur = Psmoteur

Pélec

REDUCTEUR

MOTEUR

ηréducteur = 0,9 Ns moteur = Ne réducteur

Psréducteur Ns réducteur

Modélisation numérique de l’ensemble « avance» utilisant un moteur Maxon RE 40 et réducteur identique au précédent associé à un ensemble vis / écrou à bille de pas 0,01 m permettant la transformation du mouvement de rotation en translation du mécanisme de « pronosupination »

VIS ECROU

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Le fonctionnement du système génère un couple de friction de 0,058 m.N s’opposant au mouvement de rotation. C entraînement - C friction x 2π La force axiale créée s’écrit sous la forme : F = pas ♦ En déduire la valeur de la force axiale F disponible sur l’axe de la translation.

F = [(0,37 - 0,058) / 0,01] x 2π = 196 N

♦ Celle-ci doit être au minimum de 100 N. Cette condition est elle vérifiée.

F = 196 N donc > 100 N requis. La condition est vérifiée ♦ Déterminer la vitesse de translation du mécanisme de « pronosupination » en m/s.

(Rappel ; 1 tour = déplacement égal au pas) 1 tour = 1 pas soit 0,01 m. donc pour Nsréducteur = 1470 tr.min-1 Vtranslation = 1470 x 0,01 = 14,7 m/min ou 14,7 / 60 = 0,245 m/s ♦ En déduire la puissance disponible en sortie (translation) et compléter la chaîne d’é-

nergie ci-dessous. Mouvement de translation ; P(W) = F(N) . V(m/s) = 196 x 0,245 = 48 W

Chaîne d’énergie de l’avance de « pronosupination »

Cm = 0,095 m.N ωm = 667 rad/s

U = 12 V I=6A

Cr = 0,37 m.N ωr = 154 rad/s Infos d’état

Ordres de fonctionnement

FLUX D’ENERGIE NRJ électrique

Sources d’énergie CC 12 V

NRJ électrique disponible

NRJ électrique modulée

Pré-actionneur: Non défini

NRJ mécanique mvt de rotation

Actionneur: Moteur électrique Maxon RE 40

NRJ mécanique - mvt de rotation à vitesse réduite

DEPLACER F =AGIR 196 N V = 0,245 m/s Adaptateur: Réducteur 1/ 4,3

LA CHAÎNE D’ÉNERGiE ηglobal = ηmoteur x ηmoteur x ηvis/écrou = 0,88 x 0,9 x 0,84 = 0,66

Vérification pour l’ensemble du mécanisme

Effecteur: Mécanisme de « pronosupination »

ηmoteur = 0,88

ηmoteur = 0,9 ηvis/écrou = Ps / Pe = 48 / 57 = 0,84

ηglobal = Psortie / Pentrée = 48 / 72 = 0,66

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3. L’exosquelette ABLE du CEA-List

ABLE est un exosquelette de bras à 4 degrés de liberté actifs conçu par le CEA-List à partir d’une technologie innovante d’actionnement appelée vis-et-câble.

Spécifications mécaniques d’ABLE

– Axe 1 : Adduction/Adduction de l’épaule ; – Axe 2 : Rotation Interne/Externe de l’épaule ; – Axe 3 : Flexion/Extension de l’épaule (liaison pivot) – Axe 4 : Flexion/Extension du coude (liaison pivot)

Moteur DC FAULHABER

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SCS (pour Screw and Cable System) ; Système d’actionnement et de transmission basé sur un système à vis et câble breveté par le CEA. Vis flottante est bloquée en rotation Mécanisme d’anti-rotation, constitué d’une paire de galets translatant à l’intérieur d’un logement adapté Écrou guidé en rotation par un roulement et entraîné en rotation par un moteur électrique par l’intermédiaire d’un système poulies - courroie. Mécanisme d’anti-rotation

Système poulies - courroie Écrou Moteur

Vis flottante Moteur DC FAULHABER

Courroie

Écrou B

Poulie moteur Zm = 14 dents Poulie réceptrice Zr = 36 dents

x

A

Vis flottante

Support fixe On donne le schéma cinématique partiel du mécanisme.

Donner la désignation des liaisons suivantes : ♦ Vis flottante / Écrou : Hélicoïdale d’axe x ♦

Vis flottante / Support : Glissière d’axe x

Écrou / Support : Pivot d’axe x

Déterminer le rapport de réduction du système poulies-courroie : rpc = 14 / 36 = 7 / 18

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Représentation schématisée de possibilité de couplage d’ABLE à un bras humain. Liaison rotule seule en P1 DDL = 3 Liaison rotule sur deux glissières en P2. DDL = 3 + 1 + 1 = 5 Liaison pivot coude. DDL = 1 DDL total = 3 + 5 + 1 = 9

Cas A Liaison rotule avec glissière en P1. DDL = 3 + 1 = 4 Liaison rotule avec glissière en P2. DDL = 3 + 1 = 4 Liaison pivot coude. DDL = 1 DDL total = 4 + 4 + 1 = 9

Cas B

Liaison rotule avec 2 glissières en P1. DDL = 3 + 1 +1 = 5 Liaison rotule avec glissière en P2. DDL = 3 + 1 = 4 Liaison pivot coude. DDL = 1 DDL total = 5 + 4 +1 = 10 Les schémas donnés correspondent à diverses possibilités de couplage de l’exosquelette avec le bras. ♦ Compléter le nombres de degrés de liberté dans Cas C STI2D Enseignement transversal

les liaisons et le nombre de mobilités total. Exosquelettes - page 13


4. Exosquelette SAM - Agence Spatiale EuropĂŠenne

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Ce projet s’inscrit dans l’effort développé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) pour robotiser les activités extra-véhiculaires à bord de la Station Spatiale Internationale et lors des futures missions d’exploration planétaire. Un aspect important de ces projets concerne le retour de force et la capacité, pour la personne qui commande les mouvements du robot, à ressentir les efforts qui lui sont appliqués. Le but est d’améliorer la qualité et l’immersion de la télé-opération.

Détails de la construction mécanique de SAM et des éléments ergonomiques

Définir la fonction de l’ajustement et du renfort nervuré représenté ci-dessus : Ajustement ; Permet le réglage en longueur de la postion de l’orthèse bras Renfort nervuré ; Augmente la rigidité dans la liaison STI2D Enseignement transversal

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Principe de l’entraînement par cabestan

Configuration d’actionnement (moteur DC + cabestan + réducteur planétaire) et de capteurs (encodeur + capteur de couple) pour le joint 2 (épaule).

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Rapport de réduction du cabestan

r = 25 / 576 r = 25 / 576 r = 169 / 3249 r = 169 / 3249 r = 169 / 3249

rcabestan = 0,087 rcabestan = 0,087 rcabestan = 0,056 rcabestan = 0,056 rcabestan = 0,056 rcabestan = 0,111 rcabestan = 0,111

Chaque joint est entraîné par un moteur associé à un réducteur et un cabestan. Le tableau ci-dessus donne les caractéristiques des moto réducteurs ainsi que le rapport de réduction global de la transmission pour chaque joint. ♦ Compléter le tableau ci-dessus en calculant le rapport de réduction du ca-

bestan pour chaque joint. rG = rréduc x rcabestan d’où rcabestan = rG / rréduc Exemple Joint 1 ; rG = 1 / 264,5 - rréduc = 25 / 576

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rcabestan = (1/264,5) / (25/576) = 0,087 soit 1/11,48

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5. Conclusions. Le coup d'envoi de la Coupe du monde devrait être donné par un adolescent handicapé équipé d'un exosquelette contrôlé par la pensée. Une technologie à la croisée de la robotique et des neurosciences qui porte un immense espoir pour le monde en fauteuil.

Le plus étonnant est qu'il en contrôlera les mouvements par la seule force de la pensée, grâce à un casque d'électrodes qui mesure l'activité électrique des neurones et transmet l'information. Un stabilisateur gyroscopique et un système de retour de force qui allège la marche complèteront cet appareillage dont la maîtrise demande des mois d'entraînement. ♦ A l’issue de cette étude, quels sont les domaines dans lesquels les exosquelettes vous

semblent avoir des applications et définir l’intérêt qu’ils apportent. Aide aux handicaps (déplacements , autonomie …) Aide à la manutention des charges lourdes ( déménagements, industries …) Domaine militaire (moins glorieux !) ♦ Les exemples étudiés utilisent une énergie électrique. Cette technologie vous parait

elle être la plus appropriée pour les exosquelettes d’aide aux déplacements de charge. Pourquoi. Quelle technologie préconiseriez vous. Justifier. Quels inconvénients. L’énergie électrique ne peut suffire pour le déplacement de charges importante car la puissance embarquée ne serait pas suffisante. Pour ce type d’applications nécessitant des actionneurs puissants, l’énergie hydraulique serait plus approprié, mais elle requiert d’embarquée une centrale hydraulique encombrante et lourde (moteur, pompe et distributeurs ) pour alimenter le circuit de puissance. ♦ Justifier que ce type d’exosquelette doivent être de type complet (membres supé-

rieurs & membres inférieurs). Les charges soulevées étant importantes, les membres inférieurs ne seraient pas assez puissants s’ ils ne sont pas eux-mêmes assistés par un exosquelette.

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Corrigé activité exosquelette  
Corrigé activité exosquelette  
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