Mains robotiques et prothétiques : la technologie d’entraînement de précision est la clé

Les exigences imposées aux mains artificielles sont donc extrêmement élevées. Elles ne doivent pas donner l’impression d’un corps étranger technique, mais s’intégrer de manière fluide et intuitive dans la vie quotidienne. Atteindre cet objectif demande aux développeurs de relever un large éventail de défis techniques, fonctionnels et ergonomiques.

Le développement des mains prothétiques et celui des mains robotisées sont comparables à de nombreux égards, la principale différence réside dans le type de commande. 

Les mains prothétiques sont commandées directement par l'utilisateur et ne fonctionnent qu'en combinaison avec la personne qui les porte. Les signaux de commande nécessaires sont générés par l'activité électrique des muscles restants, activité qui se retrouve dans des signaux myoélectriques. Ces signaux sont extrêmement faibles et se situent typiquement dans la plage de ±80 µV. Ils sont captés par des électrodes, amplifiés, puis convertis en mouvements des unités d'entraînement motorisées. Pour qu'une prothèse fonctionne de manière fiable et précise au quotidien, une phase d'entraînement et d'apprentissage pour l'utilisateur est essentielle.

Les performances d'une main prothétique en termes de vitesse, de force, de précision ou de reproductibilité dépendent fortement de sa conception mécanique et électrique. Les facteurs décisifs incluent le nombre d'entraînements utilisés, le concept de transmission de la force, l'efficacité globale et la technologie du moteur sélectionné. 

Les mains robotiques actuelles quant à elles se distinguent des mains prothétiques par leur complexité système nettement supérieure. Elles sont considérées comme « modernes » ou « à la pointe de la technologie » parce qu'elles ont besoin de bien plus d'unités d'entraînement par main, typiquement entre 12 et 20. Ces unités sont placées directement dans la main elle-même et dans le poignet. Elles disposent par ailleurs de plus de degrés de liberté, d’architectures de commande avancées et de stratégies de commande intuitives, et présentent des systèmes de retour sensoriel étendus. Cette densité élevée d'actionneurs permet d’obtenir une dextérité exceptionnelle et des mouvements moteurs fins qui ressemblent de près à ceux de la main humaine.

La conception mécanique est complétée par des concepts de commande intelligents, des systèmes de régulation en boucle fermée et un retour sensoriel. Le retour tactile, la détection sensible de la prise et les premières formes de proprioception, c’est-à-dire la perception que la main a d'elle-même, constituent des prérequis clés pour des mouvements sûrs, précis et intuitifs. 

Selon l’application, la réversibilité ou la non réversibilité jouent un rôle crucial dans la conception des mains robotisées. Différentes tâches exigent différentes caractéristiques de transmission. Les systèmes réversibles permettent une souplesse naturelle au sein de la chaîne cinématique, autorisant une interaction plus sûre avec l'environnement et une meilleure détection de force. Les systèmes non réversibles, en revanche, peuvent maintenir des charges sans consommation continue d'énergie et offrent une plus grande stabilité pour des tâches exigeantes ou intensives. Le choix d’un de ces deux concepts constitue donc une décision de conception clé lors du développement de systèmes de préhension robotisés.

Les exigences de performance soulignent encore davantage les différences : une main robotisée doit fonctionner nettement plus vite qu'une main prothétique afin d'exécuter de manière fiable des mouvements dynamiques, précis et adaptatifs.

En plus de la fonctionnalité et de la précision, le poids et l'efficacité énergétique jouent un rôle déterminant. Malgré leur haut degré de complexité, les mains robotiques et prothétiques modernes doivent rester légères, avec typiquement entre 300 et 500 grammes, tout en permettant une longue durée de vie de la batterie. Cela n'est possible qu'avec des systèmes d'entraînement présentant une densité de puissance très élevée et une technologie de moteur et de réducteur efficace. Ces caractéristiques sont précisément celles qu’offrent, par exemple, les moteurs de la famille SXR de FAULHABER : avec leur technologie innovante de bobinage hexagonal au facteur de remplissage en cuivre élevé et des options de combinaison de diamètre compatible, ils atteignent une efficacité exceptionnelle.

La facilité d'utilisation au quotidien et la robustesse sont également importantes pour les mains robotisées. Les exigences fondamentales comprennent un design étanche et facile à nettoyer et une grande longévité mécanique, autant en prothétique qu'en robotique. Ce n'est que lorsque la technologie, la fiabilité et le confort de l'utilisateur sont réunis qu'une main peut véritablement être considérée comme étant « à la pointe de la technologie ».

Au cours des dernières années, les conceptions de mains à plusieurs articulations de haute précision ont joué un rôle majeur dans l'avancement du développement. L'objectif a été de reproduire la mobilité naturelle de la main humaine de façon aussi réaliste que possible. Les mains modernes présentent désormais plusieurs articulations commandées indépendamment, pour un mouvement sélectif de chacun des doigts. Cela augmente considérablement la dextérité et permet d'exécuter des tâches de préhension et de manipulation complexes.

Les modes de préhension à pas fins garantissent également que des opérations de préhension à la fois délicates et puissantes puissent être exécutées en toute sécurité. En même temps, les moteurs, les réducteurs et la technologie de commande ont fait de réels progrès et ont rendu les systèmes d'entraînement plus compacts, plus efficaces et plus précis. Cela a un impact direct sur la qualité du mouvement et permet des mouvements de main fluides et naturels.

Malgré tous les progrès, reproduire techniquement la main humaine reste l'un des plus grands défis en robotique et en prothétique. Une importance particulière est accordée à l'interaction entre la technologie, la fonctionnalité et l'acceptation par l'utilisateur.

Un aspect critique est la génération de bruit. La main doit paraître naturelle et ne pas être perçue comme perturbatrice au quotidien. Les moteurs, les réducteurs et les composants mécaniques doivent donc présenter un niveau de bruit extrêmement faible. Cela constitue un facteur déterminant pour l'acceptation, en particulier en prothétique.

Aujourd'hui, de réels progrès dans le développement des mains robotisées et prothétiques sont principalement réalisés aux interfaces entre les disciplines. La médecine, la science des matériaux, l'informatique, la technologie des capteurs et celle des entraînements doivent étroitement collaborer pour créer des solutions à la fois techniquement sophistiquées et adaptées à un usage quotidien.

L'expertise médicale apporte une compréhension de l'anatomie, de la biomécanique et des besoins des utilisateurs. La science des matériaux permet de concevoir des structures légères, robustes et esthétiques. L'informatique et les technologies de régulation fournissent un contrôle intelligent, des systèmes capables d'apprendre et un traitement efficace des données. Seule cette interaction étroite conduit à des solutions qui non seulement fonctionnent mais sont également acceptées.

Le développement des mains robotiques figure parmi les tâches les plus exigeantes de la robotique moderne. Il nécessite des connaissances approfondies en mécanique, en électronique, en régulation, en intelligence artificielle et en interaction homme-machine. Actuellement, des sujets tels que la cinématique et la dynamique des systèmes à plusieurs doigts, les actionneurs de précision, l'intégration des capteurs et le choix des matériaux bénéficient également d'une attention particulière.

À l'avenir, la robotique souple, les mécanismes d'inspiration biologique et les matériaux intelligents à rigidité adaptative prendront une importance croissante. Par ailleurs, l'expertise en électronique solide et en systèmes embarqués est indispensable, depuis les pilotes de moteurs et les microcontrôleurs jusqu'au contrôle en temps réel et aux architectures économes en énergie. La régulation et la planification du mouvement évoluent également vers des systèmes adaptatifs basés sur l'apprentissage qui combinent des approches classiques avec des méthodes d’IA.

La main artificielle de l'avenir est façonnée par l'excellence technique, la pensée interdisciplinaire et une compréhension approfondie de l'être humain. C'est précisément dans ce champ de tension que se décide la question de savoir si une machine hautement avancée devient une solution réellement centrée sur la personne. En poussant cette idée un peu plus loin, il devient également évident que d'autres articulations et schémas de mouvement imposent des exigences tout aussi élevées en mécanique qu’en technologie d'entraînement.

C'est pourquoi le FAULHABER BXI a été conçu dans de nouvelles dimensions avec des fonctionnalités parfaitement coordonnées. Il a été développé spécifiquement pour répondre aux exigences élevées imposées aux articulations dans les applications robotiques actuelles et futures. Le système d'entraînement comprend une unité unique associant moteur, réducteur planétaire à plusieurs étages intégré et codeur haute résolution. Sa principale force réside dans sa compacité : une performance maximale dans un espace minimal. En effet, ce sont les systèmes d'entraînement intelligents et compacts qui permettent à la robotique de progresser.