CONCEPTION, MODÉLISATION PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS ET RÉALISATION D'UN PROTOTYPE D'EXOSQUELETTE DES MEMBRES SUPÉRIEURS POUR LA PRÉVENTION CONTRE LES TROUBLES MUSCULOSQUELETTIQUES

Résumé

Auteur : RAFIKI AMI DE DIEU
Niveau: G3
Département: Genié mecanique
Année Ac: 2025-2026 , | 2026-02-15 17:09:35

Mots clés

Exosquelette, Arduino, méthode des éléments finis, robotique

Intérêt

Ce projet présente des intérêts, tant sociaux et scientifiques que personnels et parmis eux on peut citer:
1. La réduction de la pénibilité : En assistant des mouvements répétitifs et en supportant les charges statiques, l'exosquelette diminue directement la fatigue musculaire.
2. Prévention contre les maladies professionnelles: l'exosquelette limite l'apparition des troubles musculosquelettiques et ainsi prolonge la carrière des travailleurs manuels dans des bonnes conditions.
3. La validation par la méthode des éléments finis : Ce sujet permet de démontrer que la méthode des éléments finis aide à optimiser une structure mécanique complexe pour ainsi la rendre à la fois légère et résistante et éviter le surdimensionnement.
4. Interactions entre humain et machine: étant une notion liée à la mécatronique, ce projet utilise des capteurs de force pour créer permettre une interaction fluide entre l'homme et la machine et ainsi la machine devient une extension de l'anatomie humaine.
5. Personnellement, ce sujet me permettra d'appliquer plusieurs notions de ce qu'on aura appris durant ces quatres années, notamment la mécanique des solides, la fabrication de machines, l'électricité générale, l'électronique, l'informatique et les systèmes embarqués. Ça sera pour moi une façon de prouver que la formation a eu des résultats.

Problématique

Bien que l'automatisme apporte de plus en plus de l'aide aux humains pour effectuer des tâches complexes et demandant beaucoup d'efforts, il y a toujours des endroits où l'effort humain est nécessaire. Et dans ces domaines, on remarque que la répétition des mouvements avec des charges, même modérées et le maintient des positions inconfortable pour une durée prolongée nécessitent les efforts des muscles des membres supérieurs notamment le coude et les épaules. Et à long terme, ceci produit des effets suivants.

1. En soulevant une charge, même légère, plusieurs fois par jour, on développe une fatigue musculaire dynamique due aux micro-traumatismes.
2. En maintenant une posture inconfortable plusieurs heures par jour ça crée une fatigue musculaire statique due à une coupure partielle du flux sanguin à cause de la contraction constante de muscles sollicités.
3. Bien que les exosquelette présentent une réponse à ces problèmes cités, leur poids propre peut, dans certains cas, augmenter la charge à l'utilisateur au lieux de le soulager réellement.

Plan provisoire

Introduction Générale
Contexte du sujet
Problématique
Objectif
Intérêts du sujet

Chap 1. Généralités et État de l'art
Anatomie et Biomécanique du membre supérieur
Analyse des troubles musculosquelettiques
Aperçu sur les solutions existantes
Cahier de charge du prototype.

Chap 2. Conception mécanique et modélisation
Conception assistée par ordinateur
Choix des matériaux
Modélisation par éléments finis
Optimisation structurelle

Chap 3. Étude électronique et asservissement
Architecture du système
Choix des composants
Algorithme de contrôle
Schéma de cablage et alimentation énergétique

Chapitre 4. Réalisation et essaies expérimentaux
Fabrication du prototype
Protocole de test
Présentation des résultats
Analyse critique et limites du système

Conclusion générale
Synthèse des travaux
Recommandations

Hypothèses

Hypothèse 1: Un dispositif d'assistance actif peut réduire les sollicitations musculaires lors des tâches de maintien statique prolongé et des mouvements répétitifs et ainsi réduire les risques liés aux troubles musculosquelettiques.
Hypothèse 2: Les épaules supportent mieux les efforts que l'avant bras et les coudes; donc les efforts doivent être transférés aux épaules.
Hypothèse 3: L'aluminium est un meilleur choix de matériaux que le plastique pour ce sujet.
Hypothèse 4: l'exosquelette peut rediriger les efforts dues à son poids propre.
Hypothèse 5: On a pas besoin des moteurs très puissants pour entraîner l'exosquelette.
Hypothèse 6: Le prix ne sera pas trop élevé

Méthodes

Pour rendre le sujet réaliste et faisable sur le plan technique et financière avant la date limite, on se limitera sur un seul bras.
En utilisant la méthode déductive, la loi de Hooke,la formule du moment de force et les lois électriques nous permettront de dimensionner les longueurs et les sections ainsi que le choix du moteur à utiliser.
Et par la methode expérimentale, en commençant par le code Arduino et les simulations par SolidWorks et COSMSOL Multiphysics on pourra alors construire le prototype en ayant déjà vérifié si les hypothèses 2 et 4 sont consistantes.

Bibliographie

1.ADAPTATION DU MOUVEMENT HUMAIN À DE NOUVELLES DYNAMIQUES GRAVITO-INERTIELLES INDUITES PAR L'INTERACTION AVEC UN EXOSQUELETTE DE MEMBRE SUPÉRIEUR ACTIONNÉ par Simon Bastide (Université Paris-Sacley 2021)

2.UPPER-LIMB POWERED EXOSKELETON DESIGN par Joel C. Perry, Jacob Rosen, Member, IEEE et Stephen Burns. (IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 12, NO. 4, AUGUST 2007)

3.UPPER LIMB POWERED EXOSKELETON par Joel C. Perry et Jacob Rosen.(Department of Electrical Engineering, University of Washington, Box 352500, Seattle, Washington, 98195-2500, USA )

4.A REVIEW ON DESIGN OF UPPER LIMB EXOSKELETONS par Muhammad Ahsan Gull, Shapping Bai et Thomas Bak
(1 Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Aalborg University, 9220 Aalborg, Denmark;
2 Department of Electronics Systems, Aalborg University, 9220 Aalborg, Denmark)

5. DEVELOPMENT AND CONTROL OF UPPER LIMB EXOSKELETON ROBOTS par Ranathunga Arachchilage Ruwan Chandra Gopura

Directeur & Encadreur

Directeur: AKWIR Alain NKIEDIEL
Encadreur: AMANI Pascal

Status

Décision ou observation: À reformuler
Feu vert: AUCUN
Déposé : NON
Défendu: NON
Finalisé: NON