Cours sur le contrôle d’exosquelettes à l’ETH Zurich avec l’Auxivo EduExo Pro

Contexte

L'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH), l’une des universités les plus prestigieuses dans les domaines de la technologie et de l’ingénierie, propose un cours de robotique portant sur les principes et applications des exosquelettes portables. Ce cours, intitulé «Haptic Control of an Arm Exoskeleton», est dispensé par le Sensory-Motor Systems Labdu Prof. Dr. Robert Riener. Il s’adresse aux étudiants en génie mécanique et comprend des séances de travaux pratiques hebdomadaires tout au long du semestre.

Chaque séance accueille quatre à six étudiants travaillant en binôme, et le cours est proposé douze fois par semestre, permettant ainsi à environ 60 étudiants d’y participer. Les séances durent généralement entre 2,5 et 3 heures.

Pour ce cours, l’université a choisi l’Auxivo EduExo Pro comme support principal pour l’enseignement des systèmes de contrôle d’exosquelettes. Conçu pour l’enseignement et la recherche, cet exosquelette a permis aux étudiants d’explorer concrètement les effets de différentes stratégies de contrôle sur l’interaction utilisateur-exosquelette. Ils ont ainsi pu expérimenter de manière pratique les avantages et les limites de divers contrôleurs, renforçant leur compréhension de la robotique d’assistance portable.

Objectifs pédagogiques

Le cours vise à:

• Introduire les bases de la robotique portable et de l’augmentation humaine.

• Offrir une expérience concrète de programmation et de contrôle d’exosquelettes.

• Développer la compréhension de la biomécanique et de son rôle dans la conception des exosquelettes.

• Encourager l’innovation et la résolution de problèmes dans le contexte des interfaces homme-machine.

Structure du cours

Le cours combine contenu théorique et travaux pratiques en laboratoire. Chaque séance débute par une visite du laboratoire, suivie d’une introduction aux exosquelettes et un aperçu des exercices pratiques.

Les étudiants commencent par se familiariser avec le code fourni de manière autonome avant de passer à la pratique. Ils travaillent de façon indépendante, discutent de leurs solutions et résolvent les problèmes rencontrés. Les encadrants sont disponibles si nécessaire. Une fois les exercices terminés et le code opérationnel, les étudiants enfilent l’exosquelette pour tester en situation réelle leur implémentation. Selon le comportement observé, ils adaptent leur code afin de tenir compte des ajustements nécessaires entre les essais sur table et le comportement de l’exosquelette une fois porté.

Exercices étudiants

Les exercices proposés sont inspirés de problématiques concrètes rencontrées en robotique portable et en recherche en rééducation:

1. Implémentation de la transparence: utilisation du capteur de force et du moteur du coude de l’EduExo Pro pour mettre en œuvre un contrôleur d’admittance, visant à compenser les forces d’interaction et assurer la transparence.

2. Assistance au mouvement basée sur l’EMG: développement d’algorithmes exploitant les signaux d’activité musculaire (captés par le capteur EMG) pour assister les mouvements de l’utilisateur.

3. Fusion de capteurs: combinaison des données de force et d’EMG pour améliorer la robustesse du système et le soutien à l’utilisateur.

L’EduExo Pro

L’EduExo Pro est un kit d’exosquelette portable spécialement conçu pour l’enseignement et la recherche. Proposé en kit, il peut être assemblé et programmé par les étudiants eux-mêmes, leur offrant un accès direct à tous les composants techniques. Une fois monté, il couvre les articulations de l’épaule et du coude.

Le kit inclut un manuel complet de plus de 180 pages traitant de contenus théoriques et pratiques. Les sections théoriques abordent l’histoire des exosquelettes, la conception mécanique et électronique, l’anatomie, l’interaction homme-robot et les principes de contrôle. Les parties pratiques proposent des exercices permettant d’appliquer immédiatement ces notions tout en découvrant les limites rencontrées en conditions réelles.

L’EduExo Pro est compatible avec les environnements de développement open source Arduino, ce qui facilite son intégration dans divers contextes pédagogiques. Son prix abordable permet aux établissements d’équiper plusieurs groupes d’étudiants en parallèle, favorisant ainsi une approche pédagogique plus active et concrète.

Le kit éducatif EduExo Pro. Contenu du kit, incluant le manuel complet et toutes les pièces nécessaires au montage et à la programmation de l’exosquelette.

Set-up expérimental

Pour ce cours, plusieurs unités EduExo Pro ont été préassemblées afin que les étudiants puissent se concentrer sur l’implémentation des systèmes de contrôle. Ils devaient programmer le microcontrôleur de l’exosquelette, lire les données de plusieurs capteurs, puis utiliser ces données pour piloter un actionneur.

Les éléments clés suivants ont été présentés en détail:

• Moteur servo: commande la flexion/extension du coude pour fournir un soutien actif.

• Capteur de force: mesure les forces d’interaction entre l’utilisateur et l’exosquelette, pour permettre un contrôle en boucle fermée.

• Capteur EMG: enregistre l’activité musculaire pour détecter l’intention de mouvement.

• Microcontrôleur Arduino: permet l’acquisition de données capteurs et l’implémentation de la logique de commande.

Documentation et enseignement

Le cours pratique s’appuie sur un script de 12 pages présentant les bases théoriques, les stratégies de contrôle et les étapes de l’implémentation. Ce document central accompagne les étudiants tout au long de la séance, facilitant la compréhension des notions techniques et des procédures expérimentales. Il inclut également un aperçu du matériel, basé sur le manuel de l’EduExo Pro, ainsi qu’un cadre de code partiel à compléter pour réaliser les différents systèmes de contrôle.

L’enseignement est assuré par un doctorant spécialiste du sujet, assisté par un tuteur étudiant. Cette configuration permet à la fois un accompagnement individualisé et une dynamique d’apprentissage autonome et collaborative entre les binômes.

Résultats

L’intégration de l’exosquelette EduExo Pro dans le programme a permis une approche pédagogique fondée sur la pratique et la résolution de problèmes. En travaillant avec du matériel réel et en développant leurs propres contrôleurs, les étudiants se confrontent directement aux défis techniques de l’interaction homme-machine.

Cette expérience concrète vient enrichir les connaissances théoriques et renforce les compétences techniques et analytiques des étudiants.

Le cours a permis de:

• Renforcer l’apprentissage: les étudiants acquièrent une compréhension pratique du contrôle d’exosquelettes, faisant le lien entre théorie et application.

• Développer des compétences clés: les étudiants sortent du cours avec une expertise concrète, les préparant à des carrières dans la robotique, les technologies médicales ou d’autres domaines connexes.

Avantages de l’EduExo Pro

L’utilisation de l’EduExo Pro a facilité la mise en œuvre du cours, grâce à un déploiement rapide, simple et économique. Son architecture ouverte a permis une intégration fluide dans le programme existant, sans nécessiter de modifications majeures de l’infrastructure.

La documentation claire et l’environnement de programmation open source ont réduit le temps nécessaire à la prise en main du matériel. Son coût abordable a permis d’équiper plusieurs groupes, offrant ainsi à chaque équipe d’étudiants un dispositif pour les manipulations, maximisant l’engagement des étudiants et les expériences pratiques.

«L'EduExo Pro est une excellente plateforme d'enseignement, qui nous permet de relier les connaissances théoriques à l'expérience pratique. Les étudiants l'adorent!» - Prof. Dr. Robert Riener, directeur du Sensory-Motor Systems Lab à l’ETH Zurich, professeur à l’ETH Zurich et à l’hôpital universitaire Balgrist, initiateur du CYBATHLON

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