Développement d’un système d’assistance à la marche pour les personnes en perte d’autonomie

L’espérance de vie des populations occidentales a augmenté de manière considérable dans le dernier siècle (Greenberg, 2016; Bushnik et al., 2018) et la proportion des citoyens de plus de 65 ans est de plus en plus importante, au point de composer environ 25 % de la population canadienne d’ici 2060 (Gouvernement du Canada, 2014). Dans cette optique, la perte d’autonomie associée avec le vieillissement représente un défi de taille pour la société de demain et le développement de solutions axées vers le maintien de l’indépendance des personnes d’âge mûr doit être une priorité (Gouvernement du Canada, 2014). Un des aspects précipitant la perte d’autonomie est la perte de mobilité (Bonnefoy et al., 2015). En effet, la diminution des capacités physiques a des conséquences directes sur l’autonomie, la vie sociale, l’estime de soi et éventuellement les capacités cognitives. Les personnes en perte de mobilité deviennent donc rapidement dépendantes de leur communauté.

Besoin d’assistance à la marche

À une époque où l’espérance de vie de la population occidentale augmente (Greenberg, 2016; Decady & Greenberg, 2014), il est important de se soucier de la qualité de vie des personnes âgées. Un des facteurs les plus impactants est la perte d’autonomie et il est démontré que la perte de mobilité précède la perte d’autonomie (Bonnefoy et al., 2015). (Portegijs et al., 2014) mentionnent qu’« être capable de sortir dehors est important dans le maintien de la santé physique et mentale, et pour la qualité de vie et le bien-être chez les personnes âgées qui évoluent au sein de la communauté (traduction libre) ». Selon (Rantakokko et al., 2016), les facteurs les plus importants sont la présence de difficultés telles que la neige et la glace, les collines, la chaussée délabrée, le manque de zones de repos adéquates et la distance entre les services. Une étude menée sur 1872 personnes âgées de 65 à 100 ans au Japon démontre qu’il y a un lien direct entre le nombre de sorties extérieures et la taille de l’espace de vie, et les limitations physiques et mentales (Shimada, et al., 2010). L’objectif de ce mémoire est donc de déterminer la faisabilité d’un mécanisme d’aide à la marche de type exosquelette permettant aux personnes d’âge mûr de se déplacer.

Revue de littérature

Cette section couvre brièvement les exosquelettes existants. Pour plus de références sur le sujet, le lecteur peut consulter des articles portant sur la documentation des exosquelettes pour les membres inférieurs (Chen et al., 2016; Dollar & Herr, 2008; Baldovino & Jamisola, 2017). (Yang et al., 2013) comporte un chapitre complet dédié à l’historique des exosquelettes.

Il existe deux grandes familles d’exosquelettes : les exosquelettes d’amplification de force et les exosquelettes d’assistance du mouvement. La première famille a comme objectif de donner des capacités physiques supérieures au porteur, lui permettant de soulever des charges plus élevées. La deuxième vise à aider le porteur dans ses mouvements afin de lui permettre d’effectuer des mouvements autrement impossibles à cause d’un handicap physique. L’exosquelette développé dans le cadre de ce projet de maîtrise est un exosquelette d’amplification, car il a comme objectif de soulager le porteur des difficultés de se mouvoir sur de longues distances et à travers des obstacles. Cette revue de littérature ne couvrira donc que les exosquelettes d’amplification ayant un lien potentiel avec le projet.

Les exosquelettes d’amplification sont généralement développés pour répondre à des besoins spécifiques comme permettre à un travailleur de porter des charges plus lourdes et les domaines d’intérêt sont souvent reliés à l’armée. En effet, un grand nombre de ces projets a vu le jour sous des programmes de recherche militaires comme le DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) aux États-Unis.

Dans les années soixante, le gouvernement américain avait mandaté la compagnie GE de développer un exosquelette d’amplification. Le Hardiman (Fick & Makinson, 1971) est un exosquelette complet (haut et bas du corps) visant à permettre à un travailleur de soulever des charges extrêmes à l’aide d’actuateurs, visant un ratio d’amplification d’autour de 10. Cet exosquelette est la première tentative documentée d’amplification active de l’humain. Bien que le projet n’a jamais atteint la phase de test, il a néanmoins permis de paver la voie à la recherche dans le domaine.

CLiCours.com :  Simulation 2D et 3D des écoulements cavitants

À la suite des recherches sur le Hardiman, le gouvernement américain a continué à subventionner la rechercher sur les exosquelettes, avec un accent sur l’application militaire, à travers son programme DARPA. L’exosquelette Sarcos est un exosquelette complet dont l’objectif principal est de permettre d’effectuer des efforts surhumains. Les actuateurs sont des vérins hydrauliques à haute-pression. Les décisions sont prises à l’aide de jauges de contraintes placées entre le porteur et l’exosquelette. Bien que fonctionnel, l’exosquelette est jugé peu efficace, encombrant et surtout très cher.

L’exosquelette BLEEX, développé à l’université de Berkeley en Californie, a comme objectif de permettre à un soldat de porter une charge de 75 kg (Kazerooni et al., 2005; Chu, 2005; Steger, 2003; Zoss, 2005) sans effort additionnel. L’exosquelette amplifie la hanche, le genou et la cheville dans le plan sagittal à travers des vérins hydrauliques. Une pompe hydraulique et un moteur, ainsi que les systèmes de contrôle, sont attachés dans la partie inférieure du sac à dos en dessous des charges. Éventuellement, l’amplification de la cheville est abandonnée sur les modèles subséquents au prototype initial.

Le Soft-Exosuit (Asbeck et al., 2015a,b, 2013; Panizzolo et al., 2016), conçu par l’institut Wyss de Harvard, est une approche différente par rapport aux autres exosquelettes présentés, car il ne contient pas d’articulations rigides. Le mécanisme d’amplification se porte comme un vêtement et l’activation se fait à l’aide de câbles qui glissent le long des membres et qui viennent tirer sur des endroits spécifiques. Les câbles sont tendus à travers des moteurs électriques attachés à des bobines et positionnés à la ceinture. Le concept est protégé par brevet (Walsh et al., 2016) .

L’Institut de technologie de Kanagawa a développé un exosquelette d’assistance pour les infirmiers (Yamamoto et al., 2002). L’exosquelette amplifie la force des membres inférieurs et supérieurs à l’aide d’actuateurs pneumatiques actionnés par des pompes installées à même les actuateurs (Yamamoto et al., 2003).

L’université de Tsukuba a conçu un exosquelette d’amplification (HAL) utilisant l’électromyographie (EMG) pour l’estimer les mouvements désirés du pilote (Kiguchi et al., 2001; Kawamoto et al., 2003). L’exosquelette est présenté comme ayant deux parties, bien que la majorité des recherches portent sur l’actuation des membres inférieurs. Cette actuation est faite à l’aide de moteurs électriques à travers des transmissions harmoniques, et l’assistance est fournie aux genoux et aux hanches dans le plan sagittal. Cet exosquelette est actuellement commercialisé par la compagnie Cyberdyne (Cyberdyne Inc, 2018). La compagnie Honda a développé un système d’assistance à la marche nommée le « Walk Assist » (Honda, 2016). Cet appareil produit un couple assistant à la hanche durant certaines phases de la marche.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MISE EN CONTEXTE
1.1 Besoin d’assistance à la marche
1.2 Revue de littérature
CHAPITRE 2 DÉFINITION DES REQUIS
2.1 Le pilote
2.2 La marche
2.2.1 La cheville
2.2.2 Le genou
2.2.3 La hanche
2.3 Les escaliers
2.3.1 Ascension
2.3.2 Descente
2.4 La transition assis-debout
2.5 Le plan frontal
2.5.1 La cheville
2.5.2 Le genou
2.5.3 La hanche
2.6 Paramètres de conception
2.6.1 Degrés de liberté assistés
CHAPITRE 3 CONCEPTION MÉCANIQUE
3.1 Choix de transmission
3.2 Sélection des moteurs
3.2.1 Modélisation des performances des moteurs
3.3 Concept final
3.3.1 Mécanisme de motorisation
3.3.2 Sac à dos
3.3.3 Mécanisme de la hanche
3.3.4 Mécanisme du genou
3.3.5 Mécanisme de la cheville
3.3.6 Propriétés mécaniques
CHAPITRE 4 CONCEPTION ÉLECTRIQUE
4.1 Architecture
4.2 Dimensionnement du bloc-pile
4.2.1 Énergie durant la marche
4.2.2 Calculs de capacité
4.3 Développement de semelles instrumentées
4.3.1 Revue de littérature
4.3.1.1 Jauges de déformation
4.3.1.2 Capteurs piézorésistifs
4.3.1.3 Capteurs piézoélectriques
4.3.1.4 Capteurs optiques
4.3.1.5 Discussion
4.3.2 Solution retenue
4.3.2.1 Géométrie de la cellule de force
4.3.2.2 Théorie des jauges des déformations
4.3.3 Corrélation
4.3.3.1 Résultats
4.3.3.2 Discussion
CHAPITRE 5 APPROCHE DE COMMANDE
5.1 Revue de littérature
5.1.1 Commande par amplification de sensibilité
5.1.1.1 Facteur humain
5.1.1.2 Étude de la stabilité – Assistance complète
5.1.1.3 Étude de la stabilité – Assitance partielle
5.2 Cinématique
5.2.1 Évaluation de la méthode
CONCLUSION

Cours gratuitTélécharger le document complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *