Dispositifs d'aide à la marche : Hyundai développe un exosquelette capable de restituer une mobilité corporelle complète

DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

"LabVIEW et l'architecture LabVIEW RIO nous ont permis de réduire le temps de développement et le temps des tests de l'algorithme de contrôle/commande de notre nouveau robot à une semaine, au lieu du mois entier qui aurait été nécessaire avec une approche de programmation textuelle. Nous sommes capables de prototyper plus vite et de nous conformer rapidement à l'évolution des exigences."

- DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

Le défi

Développer un système capable de mettre en œuvre des algorithmes complexes de contrôle/commande pour l'acquisition à distance de données provenant de différents capteurs en simultané, et contrôler en temps réel plusieurs actionneurs d'un exosquelette dans l'objectif d'aider la marche.

La solution​

Utiliser la plate-forme LabVIEW RIO, avec un système embarqué CompactRIO et un contrôleur temps réel avec architecture de contrôle FPGA fournie par la plate-forme Single-Board RIO, pour acquérir les données de différents capteurs et d'unités de contrôle périphériques, de matériels de communication haute vitesse, et d'actionneurs. Utiliser également le logiciel LabVIEW pour acquérir des données fiables via l'analyse en temps réel et l'application de différents algorithmes de contrôle/commande de robot afin de réduire considérablement le temps nécessaire au développement.

L'institut de recherche et de développement de Hyundai (Central Advanced Research and Engineering Institute) a pour mission de concevoir les technologies de mobilité futures. Ce centre de recherche n'a pas pour vocation de proposer une offre de véhicules traditionnels aux clients, mais de concevoir de nouveaux dispositifs d'aide à la mobilité dotés d'une large plage de vitesses pour différentes personnes, notamment pour les personnes âgées et les personnes à mobilité réduite. À mesure que la société vieillit, les systèmes d'aide à la mobilité deviennent indispensables. Nous développons donc des exosquelettes dotés de contrôleurs NI embarqués afin d'aider les personnes âgées et les patients souffrants de traumatismes de la moelle épinière.


Dans le domaine des exosquelettes, l'interface physique entre le corps humain et le robot entraîne de nombreuses difficultés techniques pour la conception mécanique, la construction de l'architecture de contrôle/commande et la conception d'algorithmes pour les actionneurs. L'exosquelette devant être porté comme une combinaison, l'espace et le poids prévus pour le matériel électrique sont extrêmement limités. De plus, la fréquence d'échantillonnage de contrôle totale doit être assez élevée pour ne pas entraver les mouvements de l'utilisateur et répondre adéquatement aux forces externes. Par ailleurs, même si de nombreux efforts des chercheurs en robotique ont été couronnés de succès, un grand nombre de questions restent toujours en suspens concernant les algorithmes de contrôle/commande des exosquelettes destinés à surmonter les limites actuelles du corps humain. Par conséquent, notre groupe a décidé de prendre en compte avant tout les exigences suivantes pour le choix du contrôleur principal pour notre exosquelette :

  • Grande vitesse de traitement des données obtenues des différents types de capteurs
  • Taille et poids
  • Visualisation des données en temps réel pour le développement des algorithmes de contrôle/commande
  • Connectivité à d'autres dispositifs intelligents pour proposer davantage de fonctions pratiques

 

Configuration du système

L'environnement matériel de contrôle et FPGA temps réel garantit la fiabilité et la stabilité du système par le biais d'E/S compatibles avec divers matériels de contrôle robotique. Pour vous donner un exemple, pendant la construction de nos exosquelettes, l'architecture de contrôle globale a subi de considérables modifications, à de nombreuses reprises, à cause du remplacement de capteurs ou des changements de méthode dans la communication des commandes. Cependant, nous avons tiré parti de l'association unique des fonctions du contrôleur temps réel et du FPGA rendue possible par les produits NI, afin de gérer efficacement ces changements et ainsi réduire notre période de développement.

 

De plus, l'adoption du matériel compact sbRIO-9651 System on Module (SOM) nous a permis de faire passer le poids du dispositif sous les 10 kg tout en maximisant l'efficacité de la batterie via une configuration faible puissance du système de base.

 

Pourquoi nous avons choisi LabVIEW

Le nombre de capteurs et d'actionneurs nécessaires augmente considérablement lorsqu'il s'agit de réaliser des tâches robotiques complexes, et la complexité des algorithmes de contrôle/commande augmente exponentiellement. C'est pour cette raison que le traitement simultané de données provenant de multiples capteurs et l'envoi d'instructions à de multiples actionneurs est devenu l'un des plus grands défis à relever dans le domaine de la robotique. LabVIEW supporte la visualisation concurrente qui permet le traitement intuitif du signal pour les capteurs installés sur les robots et la conception d'algorithmes de contrôle/commande en cours d'expérimentation. Enfin, les produits NI sont extensibles et compatibles, ce qui veut dire qu'il sera probablement possible d'utiliser des produits intelligents comme interfaces utilisateur (UI) dans le futur.

 

Exosquelettes d'aide à la marche

Initialement, les exosquelettes suivants ont été développés :

  • Exosquelette modulaire de hanche : Robot modulaire d'aide à la marche pour les personnes souffrant de douleurs aux hanches
  • Exosquelette modulaire de genou : Robot modulaire d'aide à la marche pour les personnes souffrant de douleurs aux genoux
  • Exosquelette de soutien : Robot modulaire d'aide à la marche combinant les parties hanche et genou, destiné aux personnes âgées ou aux personnes éprouvant des difficultés à utiliser la partie inférieure de leur corps
  • Exosquelette médical : Robot modulaire d'aide à la marche combinant les parties hanche et genou, destiné aux patients n'ayant pas la capacité d'utiliser la partie inférieure de leur corps sans assistance

 

À la suite de la démonstration de l'exosquelette de soutien pour les personnes âgées à NIWeek 2015, nous avons présenté un exosquelette médical destiné aux personnes paraplégiques, conçu également à l'aide de LabVIEW et du CompactRIO. En janvier 2016, lors d'une démonstration clinique commune avec l'association coréenne pour les lésions de la moelle épinière, la Korea Spinal Cord Injury Association, un patient paraplégique équipé de cet exosquelette médical a réussi à s'asseoir, se lever et marcher sur une surface plane. Le participant à cet essai clinique souffre d'une paralysie de la partie inférieure du corps (lésions aux 2ème et 3ème vertèbres lombaires) avec paralysie motrice et sensorielle, mais il a réussi à marcher après un court entraînement, avec l'aide de l'exosquelette médical. Forts de ce succès et des progrès actuels dans le développement, nous pensons pouvoir fabriquer un produit plus léger et plus efficace avec des fonctionnalités supplémentaires d'ici à 2018, et commencer la production de masse en 2020.

 

Tirer parti des technologies de l'Internet des objets pour les développements futurs

Parmi nos projets de recherche, certains visent à intégrer du matériel intelligent dans l'interface utilisateur pour relever les prochains défis. À l'heure actuelle, la conception des exosquelettes pour les personnes souffrant de handicaps au niveau inférieur de leur corps est telle que les béquilles font office d'interfaces utilisateur sans fil pour le changement de configuration : marcher, s'asseoir, monter ou descendre des marches, ou mode normal. L'intégration de matériel intelligent dans ces interfaces utilisateur peut aider les utilisateurs à procéder au réglage de paramètres additionnels comme la longueur du pas, la durée du pas, ou la profondeur/largeur pour s'asseoir sur une chaise. De même, les données relatives à la marche ou au niveau normal d'activité sont très utiles pour le traitement ou la réadaptation. Les experts et médecins en réadaptation peuvent configurer des paramètres plus avancés, comme imposer un temps de marche minimum ou ajuster le mouvement des articulations, et continuer à utiliser ces paramètres pour le traitement.

 

Nous avons commencé à développer la nouvelle génération d'exosquelettes basés sur la technologie sans fil pour rendre possible l'analyse de la démarche. Lorsqu'une personne est équipée de cet exosquelette, il est possible d'identifier ses intentions et l'état de la marche en recueillant des données à partir d'une zone située entre le sol et la plante du pied. La technologie qui transmet ces données via la communication sans fil ZigBee est déjà au point. Cette technologie peut désormais être étendue à l'aide de la technologie de l'Internet des objets (IoT). Autrement dit, vous pouvez envoyer les informations acquises via la technologie sans fil à l'exosquelette et lui demander d'aider l'utilisateur dans ses mouvements. De plus, le recueil de données pertinentes peut aider les utilisateurs à identifier une série personnelle d'activités et d'états selon l'endroit où ils se trouvent, et ces informations peuvent être intégrées au robot pour élargir l'éventail de services. Lorsqu'un patient est équipé de cet exosquelette pour sa réadaptation, les médecins peuvent surveiller l'état du patient et du robot et entraîner ou ajuster le robot en temps réel pour améliore l'efficacité du traitement, illustrant ainsi l'implémentation des technologies basées sur les données.

 

Informations sur l’auteur

DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company
37, Cheoldobangmulgwan-ro
Uiwang-si, Gyeonggi-do 437-815
South Korea
Tel: +82 (031) 596 0920
mecjin@hyundai.com

Figure 1. Configuration du système d'exosquelette
Figure 2. Le traitement en temps réel par le biais de la plate-forme CompactRIO a permis à Hyundai de relever un de leur plus importants défis, à savoir rendre les robots capables de reconnaître les intentions humaines.
Figure 3. Face avant LabVIEW pour le contrôle de robot
Figure 4. Diagramme LabVIEW pour le contrôle de robot
Figure 5. Exosquelette Hyundai pour membres inférieurs
Figure 6. Concept d'exosquelette modulaire et exosquelette pour membres inférieurs
Figure 7. Exosquelette de soutien
Hyundai wearable robotics are designed to offer users a better quality of life.
The NI System on Module (SOM) provides Hyundai a powerful heterogeneous architecture in a small form factor to control their wearable robotics.
Hyundai used CompactRIO to quickly implement and adjust to rapidly changing control requirements.