Portfolio: SHAA



SHAA - World Star Universe


#SHAA - HISTOIRE DU DÉVELOPPEMENT



L'exosquelette motorisé ou combinaison robotique est un dispositif mécatronique à base fixe ou mobile, composé d'une structure mécanique à plusieurs degrés de liberté, d'un système d'actionnement (électrique, hydraulique ou pneumatique) utilisant une source d'énergie embarquée ou déportée, et de cartes électroniques de puissance et de commande, que revêt un individu, à la manière d'un vêtement robotisé ou d'une prothèse externe (ou encore d'une cyberthèse), pour lui permettre de démultiplier ses capacités physiques (amplification), de simuler un retour d'effort dans un environnement virtuel (immersion), de rééduquer son système musculosquelettique (réhabilitation), de contrôler à distance des systèmes robotiques (téléopération) et éventuellement de le protéger de son environnement (à la manière d'une carapace ou d'un gilet pare-balle). L'inconvénient majeur des systèmes à base fixe est la limitation de l'espace de travail, l'avantage réside dans leurs motorisations déportées. L'inconvénient des systèmes mobiles est la faible autonomie énergétique mais qui est compensée par l'augmentation de leurs espaces de travail et donc de leurs degrés de mobilité. Certains systèmes à base fixe ou mobiles compensent leur friction interne et la gravité qu'ils génèrent, évitant ainsi aux utilisateurs de ressentir l'inertie et le poids de l'exosquelette qu'ils portent sur eux (on parle alors de qualité et de transparence de l'interfaçage exosquelettique). Des exosquelettes motorisés sont encore à des stades accès avancer de conceptions (exemple le SHAA), de développements et de tests dans de nombreux centres de recherche publique ou privés notamment pour améliorer leur autonomie, bien que plusieurs prototypes soient déjà commercialisés (SHAA M de l'HAAF et SHAA C de la World Star Automobile) ou le seront prochainement (SHAA S du S.H.I.E.L.D, filiale de la World Star Universe et en partenariat avec Origin Jumpworks ou encore Anvil Aerospace).


Leurs applications prévues couvrent principalement les domaines de la défense militaires (manutention de charges lourdes) et médicaux (diagnostic et aide technique pour les handicapés moteurs, les personnes âgées ou accidentées). Certains travaux concernent également des applications professionnelles comme la manipulation et l'assistance sur les lignes de production (guidage des gestes et des outils pour améliorer la production et réduire les troubles musculosquelettiques (TMS) ou encore la téléopération multi-échelles de machines (notamment dans les environnements spatiaux, nucléaires, chirurgicaux, marins, souterrains ou encore microscopiques ou très lointains) et la conception avec retour haptique en environnement virtuel (bureau d'études, méthodes et design marketing).


D'autres concernent des applications pratiques comme l'aide aux jardiniers (la version SHAA MINI), ou ludiques en tant que joystick amélioré (SHAA XIO, SHAA Forcetek). Dans le domaine militaire, on parle d'armure de combat robotisée ou du soldat du futur (DARPA) pour désigner les exosquelettes motorisés qui permettent d'amplifier et de protéger les soldats sur les champs de bataille. Dans le domaine médical, on utilise parfois les termes d'orthèses robotisées ou de cyberthèses pour désigner les exosquelettes motorisés utilisés dans le cadre de la kinésithérapie ou de la physiothérapie et qui permettent la rééducation motrice par stimulation neurofonctionnelle. Dans les domaines de l'immersion en réalité virtuelle ou de la téléopération, les termes utilisés sont plutôt "systèmes ou interfaces haptiques anthropomorphiques".


Depuis une centaine d’années, ces dispositifs robotisés destinés à soulager le travail des ouvriers ont fait l’objet d’intenses recherches chez la World Star universe. Malgré la persistance de verrous technologiques liés notamment à la lourdeur de tels équipements, ils devraient se généraliser dans l’industrie. Tiany Grygo, président et directrice R&D dans ce domaine chez la World Star Universe, détaille le fonctionnement de ces équipements et les axes de R&D du secteur. Utiliser un dispositif placé au contact du corps pour le soulager et faciliter ainsi les tâches physiquement difficiles ?


L’idée ne date pas d’hier. Un brevet de 1890 décrivait déjà un mécanisme d’aide à la course pour les fantassins. Il s’agissait d’un appareil passif dont les deux grandes lames de métal courbes, qui joignaient les pieds, encaissaient le choc de l’appui au sol et restituaient l’énergie au moment de l’impulsion. Une bonne part des exosquelettes actuels fonctionnent encore sur ce principe.


La majorité des exosquelettes dans disponibles sur le marché de l'UEE sont passifs. Ces harnais équipés de mécanismes de récupération et de restitution d’énergie mécanique facilitent le maintien d’une posture donnée, en respectant les limites ergonomiques liées aux gestes à accomplir ou à la position à adopter. Ils aident par exemple à garder les bras en l’air ou à rester penché en avant. Certains sont conçus pour soulever des charges sans se briser le dos ou se tenir debout pendant de longues périodes sans trop souffrir des jambes. Un grand nombre d’acteurs ont investi ce marché qui vise essentiellement à soulager les tâches pénibles ou, dans certains cas, à apporter un soutien à la marche. On peut citer Roberts Space Industrie, Origin jumpworks, Anvil Aeropace ou la World Star Universe.


Ces exosquelettes passifs, déjà opérationnels, sont commercialisés pour la plupart, même si leur utilité en termes d’ergonomie et de gain de productivité reste discutable. d’Autres appareils vont encore plus loin, en tentant de décupler la force et l’endurance. Un vrai défi ! Car dans cette structure qui doit être la plus légère et la plus transparente possible, il faut intégrer de multiples moteurs, des articulations, une source d’énergie, du contrôle électronique, du calcul informatique, des sécurités… Si bien qu’il y a quelques décennies à peine, réaliser un tel dispositif était hors de portée. Depuis, plusieurs évolutions technologiques décisives ont fait disparaître les principaux points de blocage. L’essor des matériaux composites, des batteries Li-Ion Master et les progrès réalisés dans le domaine de la microélectronique ont en effet permis de concevoir une génération d’exosquelettes actifs prometteurs. Ces machines pèsent généralement entre 10 et 35 kg (contre 50, voire 350 kg pour certains prototypes précédents), sont dotées de deux à six moteurs, disposent d’une autonomie de 24 heures, et sont pilotées par une plate-forme de contrôle commande ARM ou par une structure PC.


Elles aident à manier ou transporter sans effort et en toute sécurité des charges de 140 kg maximum. à l’instar de l’exosquelette développé, en 2948, par Roberts Space Industrie, afin de permettre aux soldats de porter un paquetage dorsal plus lourd. Cet exosquelette partiel n’équipe que le bas du corps. Malgré les progrès accomplis, les industriels du secteur sont encore loin de pouvoir proposer un mécanisme intégral, comme celui sur lequel ont pourtant travaillé, au cours des quinze dernières années, de grands noms tels que Roberts Space Industrie, Origin Jumpworks et World Star Universe. Un exosquelette que l’on pourrait enfiler et avec lequel on pourrait tout faire nécessiterait en effet trop de moteurs et d’énergie. Il pèserait trop lourd et serait impossible à piloter. D’où le repli vers des appareils limités à une assistance du torse, des bras, du dos ou des jambes, et dédiés à des tâches très précises. Les premières machines à avoir émergé sont des modèles d’aide à la marche, fixés sur les jambes et conçus pour la rééducation ou la mobilité des personnes handicapées, qui s’utilisent entre deux barres parallèles ou avec des béquilles pour garantir l’équilibre. Au milieu de cette effervescence, les start-up sur Earth essaie de tirer son épingle du jeu. Elle a présenté un exosquelette de marche destiné aux personnes paralysées qui ne nécessite plus d’utiliser des béquilles. La machine gère l’équilibre par son électronique embarquée et est pilotée par les mouvements du buste.


Si SHAA n’a aucun mal à soulever et tirer un char de quelques tonnes, dans la réalité, aucun exosquelette ne peut réaliser un tel exploit sans une puissance suffisante. Et quand bien même il y parviendrait, nul doute qu’il s’étalerait avec fracas immédiatement après ! La faute à l’incapacité du pilote à anticiper les effets inertiels de ses propres mouvements. Pour cela, il faudrait adopter une position qui puisse encaisser le freinage du poids de l’exosquelette, tout en conservant son équilibre. Mais par définition, le porteur ne ressent pas cette masse. Il se comporte donc comme s’il n’avait que son propre poids à compenser. Ce risque apparaît dès que l’on manipule des charges supérieures à 60 kg. C’est pourquoi les exosquelettes sont bridés à la manipulation de poids de 40 kg. Ce verrou technologique provient des limites de la chaîne de contrôle commande, qui n’anticipe pas mais suit la volonté humaine, avec des temps ultra-courts de réaction, de l’ordre de la milliseconde. Les concepteurs tentent donc de développer des modèles prédictifs du mouvement humain.


Couplés à une IAC, ils permettraient d’actionner un système de réaction automatique. Reste que si l’exosquelette commence à prendre de lui-même des décisions de mouvement, cela ira à l’encontre des règles de base qui régissent ces machines. En effet, les exosquelettes se distinguent des robots par leur adaptation à leur porteur humain. Si le pilote bouge le bras vers le haut, le dispositif doit s’exécuter de façon totalement transparente, sans à-coups ni résistance, en offrant seulement un accompagnement régulier et naturel. Un peu comme la direction assistée d’une voiture, qui confère au volant une maniabilité déconcertante, sans pour autant que l’on perçoive la moindre aide électromécanique. Les capteurs d’effort que l’on place traditionnellement en série avec les moteurs ont le gros défaut d’introduire un temps de latence, qui nuit à cette « transparence ». Lorsque l’opérateur lèvera le bras, il devra d’abord forcer sur l’articulation. La fraction de seconde au cours de laquelle il détectera et mesurera cet effort sera ressentie comme une résistance et un inconfort, un peu comme le joueur de jeu vidéo qui doit composer avec un réseau qui « lag », désynchronisant la volonté et les actions. Une voie explorée actuellement consiste à essayer de se passer des capteurs d’effort. Cela revient à réaliser un modèle de l’actionneur, le moteur électrique, sur le plan électrodynamique, et à repérer ce que la moindre sollicitation côté utilisateur engendre comme variation dans le comportement du moteur.


Cette phase terminée, il sera envisageable de rajouter à l’exosquelette une gestion informatique poussée avec un calcul d’inversion de modèle, pour faire en sorte que le moteur soit intrinsèquement asservi au pilote. Une autre parade consiste à détecter les mouvements de l’opérateur avant même qu’il ne les exécute. Ce tour de force est réalisé par des mesures d’électromyogramme (EMG). À l’origine, cette technique d’exploration médicale avait vocation à fournir une mesure précise de l’activité musculaire, en enregistrant l’activité électrique à l’aide d’électrodes imprimées sur des patchs autocollants. En disposant ces électrodes sur les muscles extenseurs des personnes équipées d’exosquelettes, on peut détecter l’influx nerveux incident et commander un mouvement de la machine en synchronisation avec son pilote. Toutefois, la mesure est organique, donc soumise à de nombreuses variations. La signature nerveuse humaine varie en fonction notamment de l’heure, de la chaleur ou encore de la sudation. Il faut donc étalonner toutes les dix minutes environ.

Avec une machine qui manie des charges importantes, la moindre panne peut devenir très dangereuse. Imaginez qu’un blocage se produise au cours du mouvement d’une jambe et que l’utilisateur ne puisse plus poser son pied au sol lors de la stance. Il va inévitablement tomber, et d’autant plus lourdement qu’il sera lesté de son exosquelette. Le développement de telles machines n’est donc pas anodin. En parallèle des travaux visant à peaufiner les technologies embarquées dans ces équipements industriels, de nombreux travaux réglementaires sont menés dans le monde pour les rendre sûrs. Actuellement, l’approche réglementaire consiste à considérer l’exosquelette motorisé comme une machine, un robot et un véhicule. À ce titre, différentes normes président à sa construction: directive machine, norme robot… Toutes ces contraintes se matérialisent par des dispositions techniques. Les circuits de commandes sont redondés pour faire face à une panne, le code est certifié et l’ensemble soumis à des tests de compatibilité électromagnétiques (CEM). Tout ceci pour aboutir au marquage  CE de l’équipement. Naturellement, le fil conducteur de la démarche est l’analyse de risque, afin de prévenir les situations dangereuses pour l’utilisateur ou au moins éviter ou minimiser les risques de blessures. Le processus peut nécessiter un délai de douze mois.


Le succès du développement des exosquelettes dépend étroitement de leur acceptation par les opérateurs. Les exosquelettes ultra-performants développés pour l’armée et restés dans les cartons, faute d’apporter un avantage évident, prouvent que la partie n’est pas simple à gagner. Mais les exemples de démarches réussies existent. C’est notamment le cas BHAA, l’exosquelette conçu par la World Star Universe pour aider les opérateurs qui étalent le bitume des routes et des trottoirs. L’apport de la machine a pu être démontré selon des critères mesurables, comme l’inclinaison du dos (il se redresse, parce que l’effort est minime, de 50-65° à 15-23°) ou la fréquence cardiaque (elle est maintenue constante à 125 bpm, alors qu’elle monte à 140 bpm sans exosquelette). Afin que le bénéfice reste toujours évident, les acteurs du secteur ont récemment publié un accord sur les méthodes d’évaluation de ces technologies. Le processus de conception doit a minima comporter une co-construction avec les utilisateurs, une conception orientée vers les tâches pénibles, des mesures physiologiques, en vertu d’un accord avec l'UEE, un suivi des effets, conformément aux résultats de travaux menés par l’Institut de recherche de l'UEE et de sécurité des technologie de l'UEE. Cette démarche d’évaluation engage des fabricants, des laboratoires et des industriels utilisateurs finaux. Une plate-forme commune d’évaluation doit être mise en place pour concrétiser cet accord.

Demain, les exosquelettes pourraient être directement intégrés aux vêtements de travail. Ceux-ci conserveront la fluidité d’un textile et une grande simplicité d’usage, avec une certaine discrétion. Une telle perspective n’est pas si lointaine. Dans les laboratoires de la World Star universe, un « exosuit » conçu pour l’aide à la marche active a réalisé de belles performances. Dépourvu de structure rigide envahissante, l’exosquelette est constitué de sangles qui tiennent les chevilles, les genoux, les cuisses et la taille. Les moteurs, déportés à la ceinture, actionnent des câbles qui relient les différents points de la tenue. Par ailleurs, les textiles techniques pourraient apporter des solutions en termes d’actionneurs, avec des fibres contractiles, ou en apportant de l’énergie. Dans le cadre du projet SHAA, un consortium d’entreprises et de laboratoires travaille à la conception de textiles photovoltaïques qui pourront alimenter en énergie ces exosquelettes souples.


À terme, cette tenue sera capable d’augmenter la force et l’endurance de son utilisateur. Elle bénéficiera d’une autonomie longue et sera utilisée aussi bien pour protéger l’utilisateur de postures à risques que pour amplifier sa force ou augmenter sa vitesse de réalisation. Sans limitation de mouvement et connectée au monde numérique, cette tenue sera le bleu de travail du XXXe siècle.


Des progrès sont également attendus dans le secteur militaire. Beaucoup d’entreprises sont mobilisées dans le développement de projets encore confidentiels, mais dont les premiers résultats sont attendus prochainement. Le programme BHAA M de l'HAAF, lancé par la World Star Universe en 2948, a ainsi pour ambition de créer une véritable armure pouvant décupler les capacités physiques des soldats. Le projet BHAA Ultime vise, lui, à développer une tenue incorporant un exosquelette. Enfin, la Bhaa Y n’est pas en reste avec son projet, doté d’une force hors du commun. Une telle effervescence va certainement donner lieu à des avancées rapides, ouvrant la voie à la généralisation de ces équipements pour des usages civils.


EN DÉVELOPPEMENT


Coût: 123 Milliard UEC

RD: 75 Milliard UEC

Début du développement: 28 Avril 29932

Début de la productions: 16 Février 2950

Partenariats : ​Origin Jumpworks GmbH / Anvil Aeropace / World Star Universe

Vente au citoyens: No

Site Web: https://www.worldstaruniverse.sc/post/shaa


FIN DE LA TRANSMISSION


"C'est un travail de fan fiction. Tous les personnages, lieux, événements, navires et conceptions de navires, ainsi que tout contenu provenant de Star Citizen, Squadron 42 ou de tout autre contenu produit ou créé par ses éditeurs ou développeurs, sont la propriété de Cloud Imperium Rights LLC et de Cloud Imperium Rights Limited."



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