Exosquelettes passifs et actifs : principes de fonctionnement et caractéristiques

Les exosquelettes passifs et actifs se distinguent essentiellement par leur source d'énergie. Il en résulte des applications adaptées, dans lesquelles les avantages de chaque type peuvent être exploités de manière optimale. Il est donc important de procéder à une analyse précise de l'effet recherché, des conditions spécifiques du lieu de travail et des exigences liées à l'utilisation prévue. Afin de permettre une évaluation éclairée, vous trouverez ci-dessous une comparaison détaillée des différents types.

Sommaire

• Exosquelettes passifs : principe de fonctionnement
• Exosquelettes actifs : principe de fonctionnement
• Comparaison et mise en perspective dans le contexte pratique
• Exosquelettes passifs : caractéristiques en situation réelle
• Exosquelettes actifs : caractéristiques en situation réelle
• Résumé et aperçu  

Exosquelettes passifs : principe de fonctionnement

Un exosquelette passif tire son énergie de la précontrainte d'un mécanisme à ressort ou d'un élastique, qui doit être renvoyée dans l'exosquelette dans le sens opposé par la force musculaire de l'utilisateur après chaque assistance. Il faut donc surmonter cette force de tension à chaque fois. La force est alors redistribuée et redevient disponible pour le mouvement de charge suivant. Cela permet de mieux adapter la charge aux mouvements naturels du corps humain. Voici un exemple pour illustrer ce principe :

L'exosquelette apporte un soutien musculaire lors des mouvements de levage au-dessus de la tête et soutient l'appareil locomoteur au niveau des épaules et des bras. Lors de la phase descendante, l'utilisateur « tend » à nouveau les actionneurs en vue du prochain mouvement de levage.

La force d'assistance disponible de l'exosquelette passif est donc limitée par la force que les utilisateurs doivent exercer pour précontraindre le système. Pour obtenir une assistance plus importante, par exemple lors du déplacement de charges lourdes, il faudrait également générer des précontraintes plus élevées. Cela n'offre pas une solution optimale pour toutes les tâches, surtout lorsque des mouvements répétitifs nécessitent une précontrainte fréquente des systèmes. Dans ce cas, la fréquence des opérations de précontrainte pourrait entraîner des signes de fatigue musculaire, ce qui réduirait l'allègement physique escompté.

Un système passif est particulièrement adapté lorsque, par exemple, un outil doit être maintenu à une certaine hauteur pendant un certain temps. L'exosquelette peut être réglé de manière à opposer une force équivalente au poids de l'outil à soulever et à le neutraliser. Comme il n'est ainsi plus nécessaire de serrer l'outil aussi souvent, on obtient un gain d'effort réel.

Exosquelettes actifs : principe de fonctionnement

Les exosquelettes actifs, quant à eux, s'appuient sur leur propre source d'énergie. Celle-ci peut par exemple prendre la forme de batteries électriques ou de réservoirs d'air comprimé, qui alimentent en énergie des moteurs électriques ou des vérins pneumatiques (d'autres types d'actionneurs sont également envisageables). Le tout est régulé par un système de commande et des éléments de commande adaptés. En raison de ces composants supplémentaires, les exosquelettes actifs ont un poids propre légèrement supérieur à celui de la variante passive. Selon l'usage et le lieu d'utilisation, ce poids peut toutefois être considérablement réduit en optant pour des sources d'énergie reliées par des câbles ou des tuyaux, par exemple le réseau électrique classique ou un système d'air comprimé de l'atelier. Cela réduit certes la liberté de mouvement, mais ce critère n'est pas toujours déterminant.

Comparaison et mise en perspective dans le contexte pratique

Il apparaît que le choix entre un exosquelette passif ou actif dépend des conditions générales du lieu de travail et des tâches spécifiques à accomplir.

Exosquelettes passifs : caractéristiques en situation réelle

Les systèmes passifs sont conçus pour suivre une courbe de force prédéfinie, car la courbe caractéristique du ressort de l'exosquelette détermine l'angle et l'application de la force. Les caractéristiques d'assistance sont alors déterminées par la combinaison de la structure cinématique des articulations et des bras de levier.

Souvent, la précontrainte est réglable et peut être ajustée individuellement, à l'aide d'écrous moletés ou d'outils, en fonction du niveau de force et de la force maximale du ressort.

Cela permet certes d'ajuster les caractéristiques d'assistance, mais pas pendant le processus de travail. Selon la structure et la conception du système, l'exosquelette passif doit pour cela être retiré et, dans certains cas, modifié, ce qui prend beaucoup de temps et s'avère souvent peu pratique. Il n'est pas possible de moduler l'apport de force en fonction de l'évolution du mouvement, c'est pourquoi ces systèmes conviennent particulièrement aux processus de travail répétitifs, mais moins à ceux présentant une grande variabilité.

Exosquelettes actifs : caractéristiques en situation réelle

Tout comme les variantes passives, les exosquelettes actifs présentent des modes et des directions de déploiement de la force spécifiques à chaque système. Ceux-ci sont déterminés par les actionneurs utilisés et la structure cinématique. Le système de commande permet néanmoins un ajustement pendant le processus de travail, dans les limites du système. Tant la puissance d'assistance que la force en fonction de l'angle articulaire peuvent être ajustées à tout moment. De plus, aucun effort supplémentaire n'est nécessaire pour précontraindre le mécanisme à ressort, l'élastique ou l'extenseur – les utilisateurs doivent uniquement générer une contre-pression pour quitter la position de maintien. Les systèmes intelligents peuvent également détecter, à partir des mouvements de l'utilisateur, si une assistance est souhaitée – et adapter la puissance d'assistance en conséquence, ce qui permet par exemple de réduire encore davantage la contre-pression nécessaire. Par rapport aux systèmes passifs, les exosquelettes actifs sont plus lourds – mais selon l'usage prévu, cela peut être négligeable ou compensé par une alimentation électrique fixe.

Résumé et aperçu

Une comparaison directe entre les exosquelettes actifs et passifs met en évidence des domaines d'application optimaux pour les deux types de systèmes. Une analyse du poste de travail permet souvent de déterminer très rapidement quelle solution est la plus adaptée pour améliorer l'ergonomie.

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