Résumé technique : Comparaison multicritère basée sur la simulation d'exosquelettes mono-articulaires et bi-articulaires

Énoncé du problème

Le développement de dispositifs robotiques portables d'assistance visant à réduire le coût métabolique de la locomotion humaine constitue un défi majeur. Une approche systématique de conception est nécessaire pour saisir les interactions complexes entre la dynamique du dispositif, les profils de couple d'assistance et la performance humaine. La réalisation de comparaisons rigoureuses sur un large éventail de conceptions d'exosquelettes et de profils de couple via des expériences physiques impliquant des humains en boucle est généralement irréalisable en raison des coûts élevés de prototypage, de la difficulté à recruter un nombre suffisant de volontaires, des préoccupations de sécurité et de l'impossibilité de mesurer des données physiologiques internes (par exemple, la mécanique des fibres musculaires) sans capteurs invasifs. De plus, les études existantes manquent souvent d'un cadre de conception mécatronique systématique qui prenne en compte des contraintes physiques réalistes, telles que la saturation du couple des actionneurs, la consommation d'énergie et l'inertie du dispositif.

Méthodologie

Les auteurs proposent une approche de conception multicritère basée sur la simulation utilisant le cadre OpenSim pour évaluer et comparer systématiquement des exosquelettes hanche-genou mono-articulaires et bi-articulaires.

1. Modélisation et simulation musculo-squelettique :

• Sujets et conditions : Des simulations ont été réalisées sur sept sujets marchant à des vitesses auto-sélectionnées dans deux conditions : sans charge et en portant une charge de 38 kg au niveau du tronc.
• Modèle : Un modèle musculo-squelettique à 39 degrés de liberté et 80 muscles (basé sur Rajagopal et al.) a été mis à l'échelle pour chaque sujet.
• Flux de travail : L'étude a utilisé un flux de travail OpenSim standard : mise à l'échelle, cinématique inverse, algorithme de réduction des résidus (RRA) et contrôle musculaire calculé (CMC).
• Intégration du dispositif d'assistance : L'algorithme CMC a été modifié pour inclure les couples d'assistance provenant de « actionneurs de couple » dans la fonction objectif. Cela a permis à l'optimiseur d'utiliser l'assistance de l'exosquelette pour suivre la cinématique tout en minimisant l'activation musculaire et l'utilisation des actionneurs de réserve.
• Configurations du dispositif :
  • Mono-articulaire : Modélisé comme un manipulateur série à deux liens avec des actionneurs montés directement aux articulations de la hanche et du genou.
  • Bi-articulaire : Inspiré des muscles bi-articulaires humains, cette conception place tous les actionneurs à la hanche (proximal) et délivre de la puissance au genou (distal) via un mécanisme parallélogramme. Cela vise à réduire l'inertie distale de la jambe et à permettre la transformation de puissance entre les articulations.

2. Optimisation multicritère (Optimisation de Pareto) :

• Objectifs : L'étude a optimisé simultanément deux objectifs conflictuels : maximiser la réduction du coût métabolique et minimiser la consommation d'énergie du dispositif.
• Contraintes : Des limites physiques réalistes ont été introduites en contraignant systématiquement le couple de crête des actionneurs (variant de 30 Nm à 70 Nm). Cela a introduit une saturation des actionneurs, brisant la cartographie cinématique linéaire entre les deux types de dispositifs.
• Méthode : Une méthode de contrainte $\epsilon$ a été utilisée pour générer des courbes de front de Pareto, représentant l'ensemble des solutions non dominées où l'amélioration d'un objectif dégrade l'autre.

3. Analyses secondaires :

• Régénération : Le potentiel de régénération d'énergie (récupération du travail négatif) a été superposé aux solutions de Pareto avec des efficacités allant jusqu'à 65 %.
• Inertie : Les effets métaboliques néfastes de la masse et de l'inertie ajoutées du dispositif ont été estimés à l'aide d'un modèle de Browning et al. et superposés aux fronts de Pareto. Un facteur d'augmentation modifié (MAF) a été introduit pour quantifier le bénéfice métabolique net en tenant compte de ces pénalités d'inertie.
• Charges articulaires : Les forces et moments de réaction articulaire ont été calculés pour évaluer l'impact de l'assistance sur la santé des articulations (spécifiquement les articulations du genou, fémoro-patellaire et de la hanche).

Contributions clés

1. Cadre de conception systématique : Introduction d'une approche d'optimisation de Pareto pour comparer rigoureusement les conceptions d'exosquelettes dans des conditions réalistes (limites de couple, consommation d'énergie et inertie), allant au-delà des simulations « idéales » sans contraintes.
2. Comparaison bi-articulaire vs mono-articulaire : Une comparaison directe et équitable de deux architectures cinématiques distinctes. L'étude démontre que, si les dispositifs idéaux (sans contraintes) présentent des performances similaires, leur comportement diverge considérablement sous saturation des actionneurs et contraintes d'inertie.
3. Effets d'inertie et de régénération : Quantification de la manière dont l'inertie du dispositif et les capacités de régénération de puissance modifient l'espace de conception optimal. L'étude introduit un facteur d'augmentation modifié pour mieux évaluer l'efficacité métabolique nette.
4. Adaptation à la charge : Analyse de la manière dont les charges lourdes (38 kg) affectent les profils d'assistance optimaux, la coordination musculaire et les performances du dispositif.

Résultats clés

1. Performance idéale vs limitée par le couple :

• Dans des conditions idéales (sans limites de couple), les exosquelettes mono-articulaires et bi-articulaires ont atteint des réductions similaires du coût métabolique (~22 % sans charge, ~20 % avec charge).
• Dans des conditions limitées par le couple, les deux configurations ont pu atteindre des réductions métaboliques proches de l'idéal, mais avec une consommation d'énergie significativement plus faible. Cependant, la conception mono-articulaire nécessitait des limites de couple de crête plus élevées pour atteindre des performances comparables à la conception bi-articulaire.

2. Consommation d'énergie et sensibilité à la charge :

• Mono-articulaire : La consommation d'énergie était plus sensible aux conditions de charge. La répartition de la puissance a considérablement changé, les actionneurs de hanche devenant dominants sous charge. Les profils de couple et de puissance des solutions mono-articulaires non dominées ont montré une forte variation et étaient moins prévisibles selon les conditions de charge.
• Bi-articulaire : La consommation d'énergie était moins sensible à la charge. La répartition de la puissance entre les actionneurs de hanche et de genou restait relativement uniforme, quelle que soit la charge. Les profils de couple étaient plus cohérents et prévisibles entre les conditions sans charge et avec charge.

3. Forces de réaction articulaire :

• Les deux types de dispositifs ont considérablement réduit les forces de réaction de crête aux articulations du genou, fémoro-patellaire et de la hanche.
• Mono-articulaire : A démontré une performance supérieure dans la réduction des forces et moments de réaction de crête par rapport à la conception bi-articulaire, en particulier aux articulations du genou et fémoro-patellaire.
• Bi-articulaire : A montré des moments de réaction de crête plus faibles dans la direction extension-flexion par rapport aux dispositifs mono-articulaires.

4. Régénération et inertie :

• Régénération : L'inclusion de la régénération (jusqu'à 65 % d'efficacité) a considérablement amélioré la consommation d'énergie (de 6,54 % à 25,76 %). Les actionneurs de genou mono-articulaires ont montré un potentiel de régénération plus élevé que les actionneurs de hanche, tandis que les actionneurs bi-articulaires ont montré un potentiel similaire aux deux articulations.
• Inertie : L'inertie ajoutée a considérablement dégradé l'efficacité métabolique. Les dispositifs mono-articulaires ont perdu 42,51 % à 55,51 % de leur efficacité due à l'inertie, tandis que les dispositifs bi-articulaires ont perdu 35,12 % à 49,67 %.
• Déplacement de Pareto : Les effets d'inertie ont déplacé le front de Pareto pour les dispositifs mono-articulaires, modifiant l'ensemble des solutions non dominées. En revanche, les configurations optimales de Pareto bi-articulaires sont restées largement inchangées, bien que leur efficacité globale ait été réduite.

5. Coordination musculaire :

• Les couples d'assistance ont indirectement affecté les muscles non directement assistés (par exemple, les fléchisseurs plantaires de la cheville et les abducteurs de la hanche).
• La charge a provoqué des mises à l'échelle prévisibles et des décalages temporels dans les profils de couple et les activations musculaires.
• La capacité de la conception bi-articulaire à maintenir les actionneurs proximaux a réduit l'inertie réfléchie, s'alignant sur l'efficacité anatomique humaine.

Importance et affirmations

L'article affirme que son approche multicritère basée sur la simulation fournit une méthodologie rigoureuse et équitable pour comparer les conceptions d'exosquelettes, surmontant les limites des études purement expérimentales.

• Directives de conception : Les résultats suggèrent que les exosquelettes bi-articulaires sont avantageux pour leur distribution d'inertie favorable et leur robustesse face aux conditions de charge variables, ce qui les rend potentiellement plus faciles à contrôler avec des stratégies génériques à travers différentes tâches.
• Compromis : Bien que les exosquelettes mono-articulaires puissent offrir une meilleure réduction des forces de réaction articulaire de crête (potentiellement bénéfique pour la santé des articulations), ils sont plus sensibles aux pénalités d'inertie et nécessitent des capacités de couple plus élevées pour égaler les bénéfices métaboliques des conceptions bi-articulaires.
• Réalisme : L'étude souligne que l'ignorance de la saturation des actionneurs et des effets d'inertie conduit à des conclusions de conception trompeuses. Le cadre proposé permet aux concepteurs de visualiser les compromis entre les économies métaboliques, la consommation d'énergie et le poids/l'inertie du dispositif avant le prototypage physique.
• Validation future : Les auteurs déclarent que ces résultats de simulation servent de directives de conception pour identifier des configurations prometteuses pour une validation expérimentale future impliquant des humains en boucle, plutôt que de revendiquer une efficacité clinique immédiate.

L'étude conclut que, si les conceptions bi-articulaires offrent des performances supérieures en termes d'efficacité métabolique et d'insensibilité à la charge, les conceptions mono-articulaires peuvent toujours être viables si les propriétés d'inertie sont soigneusement gérées (par exemple, en plaçant les actionneurs de genou plus proximalement) et si l'objectif principal est la réduction des forces de réaction articulaire de crête.