Le scanner 3D Eva utilisé pour développer des exosquelettes ergonomiques

Résumé : Un problème majeur se posant lors de la création d’exosquelettes est d’atteindre l’interaction parfaite entre la personne et l’exosquelette.

Objectif : Scanner en 3D un patient, précisément et rapidement, pour lui éviter de l’inconfort et du stress, puis utiliser le modèle numérique final pour produire des orthèses sur mesure plus rapidement et aisément qu’en utilisant des moules en plâtre.

Outils utilisés : Artec Eva, Artec Studio

Un groupe de recherche en Belgique développe les capacités d’exosquelettes électriques en adaptant leur design avec l’aide du scan 3D, de la CAO et de l’impression 3D.

Kevin Langlois, un doctorant à la Vrije Universiteit Brussel (Université Libre de Bruxelles), croit que l’humanité est sur le point de réaliser une révolution technologique qui changera radicalement notre mode de vie. Kevin est un membre du Groupe de Recherche Robotics & Multibody Mechanics (R&MM), dont le centre d’intérêt principal est la robotique portable, comme les exosquelettes. Kevin croit que la technologie d’assistance robotique est une des technologies majeures qui peuvent aider à maintenir les coûts de la santé sous contrôle, parce qu’ils aident les personnes à rester mobiles, moins dépendants des soins et qu’ils diminuent les risques des effets secondaires de l’immobilité.

« Les exosquelettes sont là et font déjà partie de ce changement fondamental à venir, » déclare Kevin. « Cette technologie montre des résultats prometteurs pour les pratiques de rééducation après blessure, d’augmentation de la force humaine, et pour la prévention des risques et l’assistance dans les activités quotidiennes. »

Le MIRAD du R&MM, un exosquelette électrique massif, équipé d’orthèses ajustables.

Bien que des progrès remarquables aient été réalisés dans le domaine de la recherche, un problème majeur doit encore être résolu : comment obtenir l’interaction parfaite entre un être humain et son exosquelette robotisé ? Au niveau mécanique, cette question se résume à comment obtenir une adhésion parfaite entre les deux entités ?

La réponse à cette question n’est pas facile à trouver, sachant que chaque personne est unique anthropométriquement (les dimensions de ses membres et leurs capacités) et biomécaniquement (la manière dont marche la personne). Ceci suggère que l’on a besoin d’une solution sur mesure pour chaque individu.

Les solutions toutes prêtes ne sont pas la meilleure option, d’après l’expérience de R&MM. Initialement, le groupe a commencé par acheter des orthèses ajustables pour leurs recherches, qui étaient attachées au corps par des lanières et des supports. Ces accessoires, cependant, se révélaient souvent mal placés, entraînant des performances insuffisantes de l’exosquelette.

Une solution alternative a alors été trouvée : utiliser le scan 3D pour capturer l’anatomie individuelle du sujet et concevoir une orthèse qui la copierait facilement. Spécifiquement, les interfaces physiques de l’exosquelette sont scannées en 3D puisque ce sont les connections mécaniques entre l’humain et le robot. De cette manière, vous pouvez obtenir une adhésion plus forte et améliorer la robustesse de l’exosquelette sans faire de compromis sur le confort utilisateur. A cette fin, le groupe a acquis un scanner 3D de haute précision Artec Eva chez le Partenaire Or d’Artec 4C Creative CAD CAM Consultants.

« La recherche dans ce domaine est pour l’instant rare. Jusqu’à présent, la majorité des recherches se concentraient sur les fondements de ces machines, l’actionnement et le contrôle. Maintenant vient le moment d’intégrer l’humain à ces systèmes, » déclare Kevin. « C’est pourquoi, dans le laboratoire R&MM, nous avons décidé d’utiliser la technologie de scan 3D pour développer des solutions innovantes. »

Un modèle numérique de jarret, reconstruit en utilisant le scanner 3D Artec Eva

« A présent nous utilisons l’Artec Eva et il aide à concevoir et produire des orthèses individualisées qui ont des avantages par rapport aux orthèses ajustables, » déclare Kevin. « Le scanner Eva offre un processus de scan qui est rapide (moins de 5mn) et précis pour compiler une image numérique du patient. Utiliser cet appareil de scan 3D pour produire des orthèses prend moins de temps et d’efforts que d’utiliser un moule en plâtre. »

Sur la base de la littérature en biomécanique, on peut estimer les torques, ou forces, qui doivent être transférées vers les articulations du sujet (cheville, genou et hanche) pour pouvoir offrir une aide durant la marche, puisque l’exosquelette MIRAD actionne les articulations des hanches, genoux et cheville pour les deux jambes. Avec ces informations et les connaissances sur les limites de douleur de pression (PPT : pain pressure threshold), c’est-à-dire la pression maximale qu’un être humain peut endurer sur une région anatomique spécifique avant de ressentir de la douleur, un prototype orthique peut être conçu.

Une fonction clé de l’actionneur est l’utilisation d’un élément élastique réglable – un ressort avec une prétension variable – en série avec une transmission électrique. Ses caractéristiques sont bien adaptées aux exosquelettes électriques : stockage d’énergie, délivrance de puissance maximale augmentée, tolérance aux charges d’impact et faible impédance de sortie. Contrairement aux actionneurs « durs » ou « rigides » - comme les transmissions à engrenages – cet actionneur souple permet naturellement des déviations de la position cible quand des forces extérieures sont appliquées par l’utilisateur.

« Le scanner 3D Artec Eva nous permet d’incorporer tous ces paramètres dans une orthèse compacte et ergonomique, » déclare Kevin.

Scan 3D du jarret d’un sujet au laboratoire R&MM

Pour faire une orthèse sur mesure, Kevin sélectionne d’abord les zones qui doivent être capturées, par exemple, le jarret. Il sélectionne ensuite un ou plusieurs sujets sur lesquels l’orthèse va être testée. Ces sujets sont scannés, et les données sont traitées dans le logiciel 3D Artec Studio.

« La génération d’un fichier .STL depuis les scans est un processus simple dans Artec Studio, » déclare Kevin. « Le point critique est de rassembler des scans de haute qualité, de ne pas laisser de trou dans le modèle, et de faciliter l’alignement des scans. L’outil de Fusion Fine fusionnera précisément les scans ensemble et générera le modèle final. J’en conclus que le logiciel Artec Studio offre une interface intuitive, et des outils puissants permettant aux scientifiques et ingénieurs d’effectuer des recherches dans le domaine de la robotique portable. »

Design numérique du prototype orthique individualisé

Après le post-traitement, le fichier .STL est exporté vers un logiciel de CAO, où un appareil orthique ajusté finement est conçu. L’étape finale est de produire une orthèse en utilisant la fabrication additive. Après l’impression 3D de l’orthèse, elle est renforcée avec des fibres de carbone et un composé à l’époxy.

L’utilisation du scan 3D et de l’impression 3D est particulièrement bénéfique par rapport à l’utilisation d’un moule en plâtre, parce qu’elle permet au sujet d’intégrer pleinement l’humain au design du robot. Elle permet aussi plus de liberté sur les options de production ou de fabrication de l’orthèse, permettant l’utilisation de techniques de FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), telles que l’impression 3D. Ceci peut en retour potentiellement réduire les coûts et améliorer la qualité et l’applicabilité des produits.

Des expériences sont actuellement en cours pour identifier les bénéfices de ce design. « Le but de ces expériences est de démontrer l’efficacité des orthèses individualisées basées sur la construction d’un enregistrement numérique du sujet, » indique Kevin. « Et un jour, le but sera de permettre aux humains de porter un exosquelette qui sera presque invisible aux autres et, à un certain degré, au porteur lui-même ! La technologie de scan 3D est un outil prometteur pour atteindre cela. »

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