Les centrales inertielles (IMU) montées sur les chaussures servent d'entrées sensorielles nécessaires à la synchronisation de l'assistance robotique avec le mouvement humain. Ces capteurs effectuent la détection en temps réel d'événements critiques de la marche, spécifiquement le décollement des orteils et le milieu de la phase oscillante. En identifiant ces moments instantanément, l'unité de contrôle de l'exosquelette peut segmenter le cycle de marche et déclencher les forces d'assistance exactement quand l'utilisateur en a besoin.
La fonction principale de ces capteurs est de combler le fossé entre l'intention humaine et l'action robotique. En surveillant en permanence l'orientation et l'accélération des membres, ils permettent à l'exosquelette de fournir un soutien ciblé de la flexion plantaire lors de la poussée et une assistance à la dorsiflexion pendant la phase oscillante de la jambe.
La mécanique de la détection de la marche
Investigation de la technologie des capteurs
Pour comprendre la fonction, il faut d'abord comprendre le matériel. Les IMU de haute précision intègrent généralement des accéléromètres triaxiaux, des gyroscopes et des magnétomètres.
Ces composants internes travaillent ensemble pour capturer des données cinématiques 3D. Cela permet au système de reconstruire le mouvement et l'orientation précis du pied en temps réel.
Identification des événements critiques
L'utilité principale de l'IMU montée sur la chaussure est la détection en ligne de moments spécifiques d'un pas. Le système est programmé pour rechercher le décollement des orteils (lorsque le pied quitte le sol) et le milieu de la phase oscillante (lorsque la jambe se déplace vers l'avant).
Cette détection ne se limite pas à un membre sain. Les capteurs sont capables de surveiller les membres parétiques (atteints) et non parétiques, garantissant que le système s'adapte aux schémas de marche asymétriques souvent rencontrés dans les contextes de rééducation.
Segmentation en temps réel
Les données brutes sont d'une utilité limitée sans contexte. Les données de l'IMU sont traitées par des algorithmes pour segmenter le mouvement continu de la marche en phases distinctes.
Cela crée une carte dynamique en temps réel du cycle de marche de l'utilisateur. Le système de contrôle utilise cette carte pour déterminer où se trouve l'utilisateur dans sa foulée à chaque milliseconde.
Synchronisation des forces d'assistance
Optimisation de la poussée
Une fois que l'IMU détecte l'événement de "décollement des orteils", l'exosquelette déclenche le soutien à la flexion plantaire.
Cela imite l'action des muscles du mollet qui poussent le pied vers le bas. Fournir une assistance à ce moment précis maximise la force propulsive, rendant la marche plus économe en énergie pour l'utilisateur.
Sécurisation de la phase oscillante
Après la poussée, l'IMU détecte la phase de "milieu de la phase oscillante". Lors de la détection, le système active le soutien à la dorsiflexion.
Cette assistance relève les orteils vers le haut. Ceci est essentiel pour prévenir le "pied tombant" ou les trébuchements, garantissant que le pied dégage le sol en toute sécurité pendant que la jambe se balance vers l'avant pour le pas suivant.
Comprendre les compromis
Complexité algorithmique
Bien que les IMU fournissent des données cinématiques objectives, la sortie brute est complexe. Elle nécessite des algorithmes sophistiqués pour traiter les données d'accélération et de rotation en un signal propre et utilisable.
Si les algorithmes ne parviennent pas à reconstruire le modèle 3D avec précision, le système peut mal interpréter un mouvement. Cela nécessite une grande efficacité de calcul pour garantir qu'il n'y ait aucun décalage entre la détection et l'action.
Dépendance à la précision du capteur
La qualité du contrôle dépend entièrement de la précision du capteur. Les IMU de faible qualité peuvent souffrir de "dérive" ou de bruit, entraînant une détection d'événements inexacte.
Pour maintenir le timing précis requis pour la flexion plantaire et la dorsiflexion, le matériel doit utiliser des composants de haute précision capables de maintenir la précision sur de longues périodes d'utilisation.
Faire le bon choix pour votre objectif
La mise en œuvre des IMU montées sur les chaussures dépend fortement des besoins spécifiques de votre application d'exosquelette.
- Si votre objectif principal est l'efficacité énergétique : Privilégiez la précision de la détection du décollement des orteils, car un timing précis de la flexion plantaire offre la plus grande amélioration de puissance à l'utilisateur.
- Si votre objectif principal est la sécurité et la prévention des chutes : Privilégiez la sensibilité de la détection du milieu de la phase oscillante pour garantir que l'actionnement de la dorsiflexion se produise de manière fiable afin d'éviter les trébuchements.
- Si votre objectif principal est la rééducation : Assurez-vous que vos algorithmes de traitement peuvent gérer les données asymétriques des membres parétiques, car leurs signatures cinématiques diffèrent souvent des schémas de marche sains.
Le succès réside dans la sélection de capteurs de haute précision capables de convertir instantanément les données d'accélération brutes en informations de timing de marche exploitables.
Tableau récapitulatif :
| Composant/Caractéristique | Fonction dans les exosquelettes souples | Avantage pour l'utilisateur |
|---|---|---|
| Capteurs triaxiaux | Capture l'accélération et l'orientation 3D | Reconstruction précise du mouvement |
| Détection du décollement des orteils | Déclenche l'assistance à la flexion plantaire | Augmente la force propulsive et l'efficacité |
| Détection du milieu de la phase oscillante | Déclenche l'assistance à la dorsiflexion | Prévient le pied tombant et les trébuchements |
| Segmentation de la marche | Cartographie en temps réel des phases de marche | Support robotique synchronisé et adaptatif |
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Références
- Lizeth H. Sloot, Conor J. Walsh. Effects of a soft robotic exosuit on the quality and speed of overground walking depends on walking ability after stroke. DOI: 10.1186/s12984-023-01231-7
Cet article est également basé sur des informations techniques de 3515 Base de Connaissances .
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