Exosquelette Mécanique

Exosquelette mécanique

Exosquelette Mécanique

Les troubles musculosquelettiques (TMS) apparaissent très fréquemment au travail et il est nécessaire de les prévenir pour empêcher des lésions parfois irréversibles au travailleur. La manutention et notamment le maintien de charges lourdes en position statique est à l’origine d’un certain nombre de ces TMS.

Lors d’un premier stage, un prototype agissant uniquement sur l’articulation du coude a été conçu. Un deuxième stage a quant à lui permis de développer et d’optimiser la solution trouvée pour le coude afin de l’étendre aux autres articulations des membres supérieurs pour former un prototype d’exosquelette complet reportant les efforts sur le bas du dos. Elisa, désormais ingénieur mécanique chez MECAGINE, Justine et Lucie nous en disent plus.

Le projet continue ! Pour découvrir l’offre de stage PFE actuellement à pourvoir chez MECAGINE, rendez-vous sur notre site emploi (taper le mot-clé « stage »). Il est également possible de déposer une candidature spontanée.

Pourquoi concevoir un exosquelette 100% mécanique ?

Le projet exosquelette découle de l’observation de l’augmentation du nombre de troubles musculosquelettiques diagnostiqués dans le monde du travail ces cinquante dernières années.

Les TMS sont l’ensemble des affections qui peuvent toucher les muscles, les tendons, les os ou les nerfs à la suite d’efforts trop importants ou répétés. Une grande partie des TMS observés chez les travailleurs sont localisées dans les membres supérieurs, notamment au niveau des poignets, du dos et des épaules. L’activité de manutention est l’une des activités provoquant le plus de TMS chez les travailleurs puisqu’elle implique à la fois un effort intense et soutenu tout le long du transport de la charge.

Certaines contraintes biomécaniques, à l’origine des TMS, peuvent être limitées par les exosquelettes. MECAGINE étant positionné sur le marché de la mécanique de pointe, il était intéressant d’enrichir ses connaissances sur ce milieu innovant.

Phase 1 : prototype agissant sur l’articulation du coude

Le maintien de charges lourdes en position statique est à l’origine d’un certain nombre de TMS. L’objectif du stage d’Elisa était de concevoir un mécanisme d’exosquelette qui interviendrait lors de cette phase pour faciliter le travail des manutentionnaires et diminuer le risque de TMS. Elisa, désormais ingénieur en conception mécanique chez MECAGINE, nous présente son travail :

« Mon stage était divisé en 4 phases.

Une phase de pré-études durant laquelle j’ai précisé le besoin à l’aide d’un état de l’art et recherché différentes solutions pour y répondre par un brainstorming et des matrices de comparaison. Le choix a été fait de prototyper une solution par adhérence, car elle présente les avantages d’être compacte, simple, de permettre de nombreux états de fonctionnement et de limiter les à-coups et jeux perçus par l’utilisateur.

Une phase de design préliminaire durant laquelle une première version de la solution de frein a été conçue, prototypée et validée.

Une phase de design définitif durant laquelle la solution de frein a été optimisée et la structure générale du reste du prototype conçue.

Et enfin une phase de prototypage durant laquelle les différentes parties du prototype ont été fabriquées. »

« Ce projet était très complet et m’a permis d’expérimenter toutes les étapes de conception d’un produit innovant. J’ai ainsi pu appliquer les différentes techniques vues lors de mon cursus à Grenoble INP en apprenant à les adapter au monde professionnel, ce qui était très formateur.

Je suis contente de poursuivre l’aventure en CDI chez MECAGINE, où il me sera possible de travailler sur des projets variés et ainsi de continuer à expérimenter et à acquérir de nouvelles compétences. »

Phase 2 : prototype d’exosquelette complet

Le premier prototype agissait uniquement sur l’articulation du coude. Justine et Lucie, respectivement étudiantes en dernière année à l’INSA et à l’ESILV, ont ainsi développé et optimisé la solution trouvée pour le coude afin de l’étendre aux autres articulations des membres supérieurs pour former un prototype d’exosquelette complet reportant les efforts sur le bas du dos. Ecoutons Justine :

« Le stage était divisé en 4 phases : une phase de pré-études permettant de préciser le besoin à l’aide d’une analyse fonctionnelle et d’un état de l’art. Puis la recherche de solutions permettant de définir l’architecture du système, les solutions de blocage et de commande à l’aide de brainstormings et de matrices de comparaison. La troisième étape a consisté à dimensionner et concevoir l’ensemble des sous-parties de l’exosquelette. Et enfin une phase de prototypage durant laquelle les différentes parties du prototype ont été fabriquées et testées. »

Durant toute la durée du stage, un point hebdomadaire avec Nathan, le responsable technique de MECAGINE, a permis d’échanger quant aux différents choix techniques et de valider les avancées du projet. A noter qu’Elisa avait bénéficié d’un suivi similaire en 2019.

Présentation des prototypes

En 2019, Elisa avait réalisé un prototype d’exosquelette permettant de bloquer le mouvement de flexion extension du coude lors du port d’une charge allant jusqu’à 25kg :

« L’ensemble des pièces de la structure ont été réalisées en impression 3D par dépôt de matière. Le plastique utilisé est du PETG car il permet une impression facile et il a de meilleures caractéristiques mécaniques que le PLA (matière plastique d’origine végétale). Cette méthode de réalisation permet d’avoir des pièces à géométrie complexe mais légères et peu coûteuses.

Les pièces du système de frein ont été usinées masse dans de l’acier 100Cr6. Cet acier présente une bonne résistance à l’usure et à la fatigue et il se déforme peu après une trempe. Puis les pièces ont été trempées pour avoir une dureté superficielle de 62-63HRC. Ce type de trempe est souvent utilisée pour les roulements et permet donc à notre système d’être moins susceptible de se déformer et de s’user et ainsi de limiter les jeux. »

Exosquelette coude

En 2020, Justine et Lucie ont repris le travail d’Elisa. Lucie : « L’exosquelette de coude a été récupéré. Afin de le relier au prototype pour l’épaule développé cette année, il a fallu créer une nouvelle pièce permettant de fixer l’axe du bras et la commande de déblocage.

Les pièces du dos, placées dans un système proche d’un sac à sac à dos, ont été modifiées afin d’assurer la nouvelle fixation du pivot et l’impression 3D. La fixation au niveau des épaules est séparée en deux et assemblée sur la colonne. Le reste de l’exosquelette, à commencer par le pivot, y est fixé. Il est important que cette pièce s’étende au-delà de l’épaule pour permettre au pivot d’être fixe et aligné par rapport à l’épaule de l’utilisateur.

Enfin, pour fixer le pivot de l’épaule sur le sac à dos, une pièce de raccord en aluminium a été créée. Elle réutilise le système de fixation des axes.

Une fois toutes les pièces reçues et fabriquées, l’exosquelette a pu être monté. Cela a consisté en l’assemblage des pièces sur le pivot existant et le réglage du système de blocage. »

Bras robotisé prototype

Nathan, le responsable technique de MECAGINE, testant le prototype de bras exosquelette.

 

A noter que le montage ayant été fait après la fin du stage, les tests de bon fonctionnement du blocage ont été réalisés a posteriori, avec des résultats conformes au cahier des charges.

Conclusion

Justine estime que « Ce stage n’a fait que confirmer mon projet professionnel et mon goût pour l’innovation. Il a vraiment été le parachèvement de ma formation grâce à l’application de la majorité de ce que j’ai appris à l’INSA, tout en m’apprenant de nouvelles compétences.

Le sujet a également été très intéressant, en plus d’être complet. En effet, il a balayé tous les aspects de la conception, de la naissance de l’idée à la création du prototype. »

Lucie confirme : « Ce stage a été un excellent complément à ma formation d’ingénieur. Il m’a permis d’apprendre et découvrir la conception mécanique en bureau d’étude, mais également d’appliquer mes compétences et méthodes de travail déjà acquises. J’ai travaillé de façon autonome mais aussi en équipe. Le travail collectif a été enrichissant, notamment avec ma binôme Justine qui m’a beaucoup apporté. […] Je me suis sentie très à l’aise dans cette société et bien accueillie par les personnes, employés, stagiaires ou collaborateurs. »

 

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