Robotique
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Les technologies de scanner 3D pour des exosquelettes ergonomiques

Les technologies de scanner 3D sont désormais utilisées pour développer des exosquelettes ergonomiques. Une révolution technologique dans le secteur de la santé : en Belgique, un groupe de recherche développe les capacités d’exosquelettes électriques en adaptant leur design avec l’aide du scanner 3D Artec Eva

Kevin Langlois, Chercheur de l’Université Libre de Bruxelles et membre du Groupe de Recherche Robotics & Multibody Mechanics), dont le centre d’intérêt principal est la robotique portable, comme les exosquelettes, croit que la technologie d’assistance robotique est une des technologies majeures qui peuvent aider à maintenir les coûts de la santé sous contrôle.

En effet, ces technologies aident les personnes à rester mobiles, moins dépendants des soins et diminuent les risques des effets secondaires de l’immobilité.

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.

Utiliser un scanner 3D pour capturer l’anatomie individuelle

Scanner l’anatomie individuelle du sujet et concevoir une orthèse qui la copierait facilement est l’objectif. 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, il est possible d’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

« 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. 

« 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 prétention 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.

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.

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».

A propos d’Artec 3D

Groupe international dont le siège est basé au Luxembourg, Artec 3D est un leader global pour les scanners 3D portables, aux avant-postes des technologies 3D innovantes depuis 2007. Artec 3D développe et fabrique des scanners 3D de haute qualité simples à utiliser, des logiciels 3D conviviaux et un SDK qui offre les meilleures possibilités d’intégration, quelle que soit l’application.

Avec une présence mondiale et un grand nombre de clients par le monde, nous fournissons des technologies 3D pour différents secteurs tels que l’industrie, la santé, le design, l’art, la science, la préservation historique, ou encore la fabrication.

Pour plus d’informations, consultez le site : https://www.artec3d.com/fr

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