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Aujourd’hui, les concepteurs cherchent à fabriquer des prothèses non seulement efficaces sur le plan fonctionnel, mais également durables, confortables, légères et esthétiques.

Chetan Kale, ingénieur R&D chez Portescap, examine comment les solutions de mouvement standard peuvent répondre à toutes ces exigences dans des solutions qui offrent également une longue durée de vie des batteries et une faible maintenance.

La technologie des prothèses s’est énormément développée ces dernières années. Aujourd’hui, par exemple, une personne amputée de la main peut bénéficier d’une prothèse qui reproduira toute une série de fonctions normales de la main. Cette fonctionnalité s’appuie sur un système mécatronique qui combine une haute densité de puissance avec des performances optimales, en tenant compte des considérations d’efficacité, de fiabilité, de précision, de taille, de bruit et de poids global.

Sur la base des exigences essentielles de préhension de la prothèse donnée, un actionneur linéaire à 180 degrés est le point de départ de chacun des éléments de mouvement. Un tel actionneur comprendra généralement un moteur qui transfère le mouvement rotatif à une vis de commande en utilisant une paire d’engrenages droits. La vis de commande est fixée à un engrenage droit et transmet le mouvement au piston doté d’un filetage interne. Le piston se déplace en avant et en arrière grâce au mécanisme de vis et d’écrou entre la vis de commande et le piston. Ce mouvement linéaire du piston est ce qui crée l’actionnement du doigt.

Plusieurs paramètres clés doivent être pris en compte dans cette solution intégrée. L’ouverture et la fermeture de la paume se traduisent par l’exigence d’un certain nombre de cycles par jour, et 100 à 500 cycles peuvent être des valeurs types. Ensuite, il y a le temps nécessaire pour actionner la main afin de saisir un objet : le temps de cycle. Pour la préhension à grande vitesse, ce temps de cycle peut être de 1 à 2 secondes. Cela implique une vitesse d’actionnement (le mouvement des doigts) d’environ 12-15 mm/s. La force de maintien est une autre considération, peut-être dans la plage 30 à 80 N. Et si la prothèse doit être alimentée par batterie, la tension et le courant d’alimentation doivent également être pris en compte.

La vitesse linéaire de l’actionneur dépend du poids de l’objet que l’utilisateur manipule. Des vitesses linéaires plus élevées permettent à l’utilisateur de saisir rapidement des objets. La force et la vitesse dépendent du choix effectué par le concepteur pour le moteur, le réducteur et la taille de la vis de commande utilisée pour l’actionneur linéaire.

La sélection de la combinaison moteur/réducteur n’est pas une tâche aisée, le concepteur devant trouver le bon équilibre des caractéristiques de performance pour assurer la force de maintien et la vitesse linéaire nécessaires à la préhension, tout en optimisant l’ensemble en fonction de l’espace disponible et de l’autonomie requise.

Sélection du moteur électrique

La régulation du moteur est un paramètre critique qui définit les caractéristiques vitesse-couple. Une régulation plus faible du moteur se traduit par un moteur plus puissant, mais il est important de se rappeler qu’à mesure que le couple (charge) augmente, la vitesse diminue. Le taux de chute de vitesse est moindre dans le cas d’une meilleure régulation du moteur. Une bonne régulation du moteur permet d’obtenir une densité de puissance élevée, ce qui entraîne moins de pertes de puissance et un meilleur rendement.

Les moteurs à courant continu à balais sans fer constituent une solution idéale dans les applications de prothèse de la main. Ils sont également très efficaces, fiables et rentables et permettent d’assurer une bonne régulation du moteur. Un moteur à courant continu à balais sans fer, avec son réducteur incorporé, fonctionne à bruit réduit et offre une densité de puissance élevée. Cela garantit une utilisation optimale de l’espace et un faible poids, le moteur étant capable de répondre non seulement aux critères de performance mécanique de l’application, mais aussi aux exigences de taille et de portabilité de la prothèse. Un moteur plus léger réduit le poids total des mains prothétiques et aide l’utilisateur à utiliser la prothèse avec un minimum d’effort.

Pour un positionnement et un contrôle de mouvement précis, il est recommandé d’utiliser un codeur approprié avec le moteur et le réducteur. Les moteurs avec réducteurs et codeurs intégrés permettent à l’utilisateur de déplacer les doigts avec plus d’agilité pour saisir les objets. Les codeurs magnétiques offrent un degré de précision élevé, idéal pour les applications prothétiques qui nécessitent un positionnement incroyablement précis avec une rétroaction de mouvement en boucle fermée. Les informations précises sur la position sont nécessaires pour que l’utilisateur puisse saisir des objets tel qu’un œuf avec la précision délicate nécessaire pour éviter la casse.

L’optimisation de l’ensemble mécatronique pour les mains prothétiques est un équilibre délicat entre des exigences de performance différentes (et parfois contradictoires). Pour le concepteur, il peut être extrêmement avantageux de collaborer avec un fournisseur de technologies de mouvement qui peut l’aider à adapter ou à personnaliser l’ensemble afin de fournir la meilleure solution. Grâce à son expertise dans toutes les technologies abordées et au savoir-faire permettant de les réunir pour fournir une solution mécatronique optimisée, Portescap peut contribuer à donner vie à une application prothétique.

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