Les capteurs de pression à film mince fonctionnent comme l'interface sensorielle de l'exosquelette avec le sol. Ils surveillent en continu les forces de réaction du sol et leur distribution spécifique sur la semelle pour identifier avec précision la phase de la démarche de l'utilisateur. Ces données en temps réel constituent l'entrée fondamentale du contrôle d'impédance adaptatif, permettant au système de se stabiliser mécaniquement dès que le pied entre en contact stable avec le sol.
En traduisant la pression physique en logique numérique, ces capteurs permettent à l'exosquelette de distinguer entre la station debout stable (phase d'appui) et le mouvement (phase d'oscillation), garantissant que l'assistance n'est appliquée que lorsqu'elle est sûre et mécaniquement efficace.
La mécanique de la détection de la démarche
Surveillance des forces de réaction du sol
Le rôle principal de ces capteurs est de mesurer les forces de réaction du sol (GRF) en temps réel.
Plutôt que de simplement détecter un "contact", ils quantifient l'intensité du contact entre l'extrémité de l'exosquelette et la surface de marche.
Ces données permettent au système de confirmer que l'utilisateur est fermement planté, plutôt que de simplement frôler un obstacle.
Identification du centre de pression
Au-delà de la simple force, ces capteurs suivent les changements du centre de pression (CoP).
En analysant la répartition du poids sur le pied, le système peut déterminer le moment précis où le cycle de la démarche change.
Cette distinction est essentielle pour séparer la phase d'appui (support du poids) de la phase d'oscillation (mouvement de la jambe vers l'avant).
Permettre une logique de contrôle adaptative
Pilotage de la machine à états finis
Les données de pression alimentent directement la logique de contrôle de l'exosquelette, souvent structurée en tant que Machine à États Finis (FSM).
Le système utilise des seuils spécifiques, tels que la détection d'une force dépassant 20N pendant une durée définie, pour valider un changement d'état.
Cela garantit que le contrôleur ne passe à un état de "support" que lorsque la physique de l'environnement garantit la stabilité.
Déclenchement des mécanismes de stabilité
Une fois que les capteurs confirment une phase d'appui stable, l'exosquelette active ses dispositifs de sécurité.
Cela peut impliquer l'activation d'un mécanisme de verrouillage ou l'ajustement de la rigidité de la jambe par un contrôle d'impédance adaptatif.
Sans cette confirmation par les capteurs, l'activation de ces verrous pourrait faire trébucher l'utilisateur ou le bloquer en plein mouvement.
Comprendre les compromis
Sensibilité de calibration
L'efficacité de l'exosquelette dépend entièrement de la calibration précise des seuils de pression.
Si le seuil est réglé trop bas, le système peut enregistrer un "faux positif" et verrouiller la jambe de manière inappropriée pendant une oscillation.
Inversement, si le seuil est trop élevé, le système peut ne pas activer le support lorsque l'utilisateur en a le plus besoin, entraînant une instabilité.
Latence de réponse
Bien que les capteurs à film mince soient généralement rapides, la latence totale du système comprend le traitement du signal et l'actionnement du verrouillage mécanique.
Les concepteurs doivent s'assurer que le temps entre "pression détectée" et "stabilité engagée" est imperceptible pour l'utilisateur.
Tout décalage important peut perturber le rythme naturel de la marche, donnant l'impression que l'exosquelette est un fardeau plutôt qu'un outil.
Faire le bon choix pour votre objectif
Pour optimiser les performances d'un exosquelette à jambe unique, vous devez ajuster l'intégration des capteurs en fonction de vos priorités opérationnelles spécifiques.
- Si votre objectif principal est la sécurité maximale : Privilégiez des seuils de pression et des vérifications de durée plus élevés pour garantir que le mécanisme de verrouillage ne s'active jamais, sauf si l'utilisateur est dans une position statique complètement stable.
- Si votre objectif principal est la mobilité fluide : Concentrez-vous sur l'échantillonnage à haute fréquence du centre de pression (CoP) pour déclencher instantanément les changements d'impédance adaptatifs, permettant une transition plus douce entre les pas.
La valeur ultime de ces capteurs ne réside pas seulement dans la détection de la pression, mais dans le fait de donner à l'exosquelette "l'intelligence" nécessaire pour se déplacer en synchronisation avec l'opérateur humain.
Tableau récapitulatif :
| Rôle clé | Mécanisme fonctionnel | Bénéfice système |
|---|---|---|
| Détection de phase de la démarche | Surveille les forces de réaction du sol (GRF) | Distingue les phases d'appui et d'oscillation |
| Contrôle de stabilité | Suit le centre de pression (CoP) | Déclenche les mécanismes d'impédance adaptative et de verrouillage |
| Logique système | Alimente la machine à états finis (FSM) | Prévient les faux déclenchements et assure des transitions d'état sûres |
| Synchronisation utilisateur | Échantillonnage de pression à haute fréquence | Assure un rythme de mouvement fluide et naturel |
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Références
- Mohammadhadi Sarajchi, Konstantinos Sirlantzis. Design and Control of a Single-Leg Exoskeleton with Gravity Compensation for Children with Unilateral Cerebral Palsy. DOI: 10.3390/s23136103
Cet article est également basé sur des informations techniques de 3515 Base de Connaissances .
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