L'influence de la Société des ingénieurs mécaniques sur le développement de la robotique utilitaire

Fondée au début du XXe siècle, la SME a favorisé l'innovation et la collaboration entre les ingénieurs voués à l'amélioration de la mobilité et des capacités humaines. La robotique portable, y compris les exoskeletons, les prothèses motorisées et les combinaisons d'assistance, a progressé de prototypes de laboratoire à des systèmes disponibles sur le marché. La plupart de ces progrès peuvent être liés au travail de base des membres de PME qui ont établi les principes d'ingénierie, les protocoles d'essai et les philosophies de conception qui sous-tendent la robotique portable moderne.

L'influence de l'organisation s'étend à tous les domaines académiques, industriels et réglementaires. Par le biais de conférences, de publications et de groupes de travail, les PME ont façonné la façon dont les ingénieurs abordent la conception des appareils qui doivent fonctionner en étroite harmonie avec le corps humain.Les doubles défis de la performance mécanique et de la sécurité des utilisateurs ont exigé des normes rigoureuses, que les PME ont aidé à définir.

Historique des PME

Créée en 1914, la Société des ingénieurs mécaniques a pour mission de promouvoir le développement de pratiques de génie mécanique dans toutes les industries. Au cours de ses premières décennies, la PME s'est concentrée sur les systèmes mécaniques traditionnels, y compris la production d'électricité, la fabrication de machines et le transport.

Au milieu du XXe siècle, l'automatisation, les systèmes de contrôle et la robotique précoce ont incité les PME à former des comités techniques spécialisés, qui ont étudié comment les principes mécaniques pouvaient être appliqués aux machines qui interagissent avec l'homme de façon nouvelle. Le domaine de l'augmentation humaine a commencé à attirer l'attention des PME qui ont vu le potentiel des systèmes mécaniques pour améliorer, plutôt que de remplacer, les capacités humaines.

Au cours des années 1960 et 1970, les PME ont contribué à l'organisation de premiers colloques sur le génie de la réadaptation et les appareils d'assistance, qui ont réuni des ingénieurs en mécanique, des professionnels de la médecine et des chercheurs en biomécanique. La pollinisation croisée des idées a conduit aux premiers efforts systématiques pour concevoir des orthèses et des structures exosquelètes.

Dans les années 1990, les PME avaient créé des comités spécialisés en robotique et en automatisation. La robotique portable est apparue comme un domaine d'intérêt distinct, avec des ateliers de parrainage de PME sur la conception d'exosquelette, l'interaction homme-robot et l'augmentation de puissance. L'organisation a également collaboré avec des groupes tels que IEEE Robotics and Automation Society pour co-auteur de lignes directrices pour les tests et l'évaluation des performances.

Contributions à la robotique portable

Les PME ont contribué à l'établissement de normes industrielles, à la facilitation des collaborations en recherche et à l'organisation de conférences axées sur la robotique portable, qui ont accéléré la mise au point de dispositifs qui facilitent la mobilité, la réadaptation et le travail industriel.

Recherche et innovation

Les membres des PME ont contribué à des innovations révolutionnaires, notamment des exoskeletons et des prothèses, qui visent à renforcer la force, l'endurance et la dextérité humaines, au profit des secteurs médical et industriel. Parmi les exemples notables, mentionnons les exoskeletons à l'ombre inférieure qui rétablissent la capacité de marche des personnes atteintes de lésions de la moelle épinière, les combinaisons du haut du corps qui réduisent la fatigue lors de travaux aériens répétitifs et les systèmes à corps entiers qui permettent aux soldats ou aux premiers intervenants de transporter des charges lourdes sur de longues distances.

Des études publiées dans des revues de PME ont porté sur les profils de couple, les modèles d'activation musculaire et les dépenses en énergie métabolique lors de l'utilisation de l'exosquelette. Ces données biomécaniques ont été essentielles pour affiner la conception des appareils et améliorer le confort des utilisateurs. L'organisation a encouragé le partage ouvert des résultats des tests et des repères de performance, permettant ainsi au terrain de progresser plus rapidement que si chaque laboratoire travaillait isolément.

De plus, les PME ont financé des recherches en début de carrière par le biais de subventions et de concours d'étudiants. Des programmes comme le Défi de l'innovation en PME ont incité de jeunes ingénieurs à développer de nouveaux concepts pour la robotique portable.

Normes et pratiques exemplaires

Les PME ont élaboré des lignes directrices pour assurer la sécurité, l'efficacité et l'interopérabilité de la robotique portable, qui aident les fabricants à produire des appareils fiables et à promouvoir l'adoption de technologies portables. L'un des domaines les plus critiques de la normalisation a été les limites de la force d'interaction homme-robot. Les comités des PME ont travaillé à définir les forces maximales permises par un exosquelette pour les articulations d'un utilisateur sans causer de blessures.

Les PME ont publié des procédures recommandées pour mesurer les principales mesures de performance, telles que la puissance de couple, la durée de vie des batteries, la latence de réponse et la durabilité. Les essais normalisés permettent aux acheteurs de comparer les appareils de différents fabricants sur une base égale. Ils aident également les organismes de réglementation à évaluer si un appareil satisfait aux exigences de sécurité.

L'organisation a également abordé les normes d'interopérabilité, qui sont essentielles pour les systèmes qui combinent des composants de plusieurs fournisseurs. À mesure que la robotique portable devient plus modulaire, avec des actionneurs interchangeables, des capteurs et des contrôleurs, des définitions communes d'interface sont essentielles. Les comités des PME ont élaboré des spécifications pour les points d'attache mécaniques, les connecteurs électriques et les protocoles de communication de données.

Domaines techniques clés influencés par les PME

Au-delà des normes et de la recherche, les PME ont façonné la direction technique de la robotique portable en se concentrant sur des défis d'ingénierie spécifiques, notamment la conception des actionneurs, les algorithmes de contrôle, l'intégration des capteurs et la gestion de l'énergie.

Technologies d'actionnement

Les membres des PME ont été les premiers à utiliser des actionneurs élastiques de série, qui placent un ressort entre le moteur et la charge. Cette conception améliore le contrôle de la force et la sécurité en absorbant les chocs et en assurant la conformité. Les documents techniques des PME ont analysé les compromis entre différents types d'actionneurs, y compris les moteurs électriques, les muscles pneumatiques et les cylindres hydrauliques, dans le contexte des applications portables. L'organisation a aidé à établir des lignes directrices de conception pour la sélection des spécifications des actionneurs en fonction de l'articulation cible, de la plage de mouvement et du couple requis.

Systèmes de contrôle

Le contrôle d'un robot portable qui doit se déplacer en synchrone avec un utilisateur humain pose des défis uniques. Le robot ne peut pas simplement suivre un parcours préprogrammé; il doit déduire l'intention de l'utilisateur et réagir de façon appropriée. La PME a contribué au développement d'architectures de contrôle qui combinent les approches de flux et de rétroaction. Les publications de conférences sur les PME ont décrit des méthodes d'estimation des angles communs à partir de capteurs électromyographiques, de détection des transitions en phase de marche et de modulation des niveaux d'assistance en fonction de l'effort des utilisateurs.

Systèmes de capteurs

La robotique portable dépend d'un riche éventail de capteurs pour mesurer les forces, les positions et les signaux physiologiques. La PME a aidé à définir les exigences de performance pour les capteurs utilisés dans ces applications. Par exemple, les capteurs de force intégrés dans la plaque de base d'un exosquelette à l'échelle inférieure doivent être précis, exempts de dérive et robustes à une charge répétée.

Impact sur les soins de santé et la réadaptation

Les recherches menées par les PME et les chercheurs ont permis de rendre ces appareils plus accessibles et plus efficaces. Dans les milieux cliniques, la robotique portable est utilisée pour l'entraînement à la marche après l'AVC, les lésions de la moelle épinière ou les lésions cérébrales traumatiques. Les appareils offrent des modes de mouvement répétitifs et cohérents qui aident à la formation de voies neurales.

Les PME ont également influencé la conception de prothèses à articulations motorisées. Les chevilles et les genoux modernes utilisent des capteurs pour détecter la phase utilisateur et la marche et ajuster l'amortissement ou la puissance en conséquence. Cette technologie est à l'origine de la recherche des PME sur la biomécanique et le contrôle des actionneurs de locomotion. L'organisation s'est efforcée de réduire le coût et la complexité de ces appareils, en les mettant à la disposition d'une population plus large.

Les exoskeletons à l'extrémité supérieure conçus par les membres de la PME aident les patients à se remettre des blessures à l'épaule, des réparations des poignets de rotateur ou des affections neurologiques qui nuisent au fonctionnement des bras. Ces appareils permettent de supporter le poids du bras tout en permettant au patient de s'exercer à atteindre et à saisir les mouvements.

Impact sur l'industrie et les applications militaires

Dans la fabrication et la logistique, les exoskeletons sont utilisés pour soutenir le dos, les épaules et les genoux pendant les tâches répétitives ou pénibles. Les travailleurs de l'assemblage automobile portent des exoskeletons passifs ou actifs pour réduire la pression lors du travail des composants de levage ou de frais généraux. PME a publié des études de cas qui quantifient les réductions de fatigue musculaire et de taux de blessures dans les installations qui ont adopté ces appareils. L'organisation a également relevé les défis ergonomiques d'intégrer les exoskeletons dans les workflows existants, y compris des considérations pour la durée des quarts, la maintenance et la formation des utilisateurs.

Le personnel militaire utilise des exoskeletons pour améliorer l'endurance et la force pendant les opérations exigeantes.L'Institut national de l'imagerie biomédicale et de la bioingénierie a collaboré avec des chercheurs affiliés à des PME pour évaluer la performance des exoskeletons dans des conditions de terrain.Les soldats transportant des paquets lourds, des munitions et de l'équipement pendant de longues périodes éprouvent une fatigue réduite et un risque moindre de blessures lorsqu'ils utilisent des exoskeletons à faible teneur en plomb.

Dans le secteur industriel, les PME ont contribué à l'élaboration de programmes de formation pour les travailleurs qui utilisent des exoskelets. L'adaptation, l'ajustement et l'entretien sont essentiels pour la sécurité et l'efficacité. Les lignes directrices des PME couvrent la façon de choisir l'appareil approprié pour une tâche donnée, comment inspecter l'équipement avant chaque utilisation et comment reconnaître les signes d'usure excessive.

Défis techniques relevés par les PME

Le développement de la robotique portable a nécessité la résolution de problèmes d'ingénierie difficiles. Les PME ont relevé ces défis par des initiatives de recherche ciblées et des comités techniques.

Gestion de l'énergie

Les PME ont parrainé des recherches sur les conceptions d'actionneurs écoénergétiques, les systèmes de freinage régénératif qui captent l'énergie pendant la décélération et les systèmes hybrides de puissance qui combinent les batteries avec des supercondensateurs. L'organisation a publié des lignes directrices pour prédire la durée de vie des batteries selon différents profils d'utilisation, permettant aux utilisateurs de planifier leurs opérations en conséquence.

Interface homme-robot

Les comités des PME ont étudié la conception des poignets, des sangles et des harnais qui distribuent des forces sans causer de points de pression ni restreindre le flux sanguin. La recherche publiée dans des revues de PME a examiné les propriétés mécaniques des matériaux d'interface, y compris la respirabilité, la friction et la conformité. L'organisation a également abordé le placement de capteurs et d'actionneurs pour minimiser les interférences avec les mouvements naturels.

Fiabilité du système

Les PME ont élaboré des protocoles d'essai pour les essais accélérés de la vie, l'exposition environnementale et l'analyse du mode de défaillance. Ces protocoles aident les fabricants à identifier les points faibles de leur conception avant que les produits ne arrivent sur le marché. Les publications des PME ont documenté les mécanismes de défaillance communs, tels que la fracturation des câbles, la fatigue des connecteurs et la surchauffe des actionneurs, ainsi que les mesures d'atténuation recommandées de la conception.

Orientations futures

À mesure que la technologie progresse, les PME continuent de soutenir les innovations en robotique portable. Les développements futurs visent à créer des appareils plus intuitifs, légers et abordables qui peuvent s'intégrer sans heurts dans la vie quotidienne et les environnements de travail.

Interaction humaine-robot améliorée

Les conférences des PME ont présenté des recherches sur les réseaux neuronaux qui classifient les habitudes de démarche en temps réel, permettant à l'exosquelette de passer facilement entre le debout, la marche et l'escalier. Les systèmes futurs intégreront probablement des algorithmes prédictifs qui ajusteront les niveaux d'assistance en fonction du terrain, de la fatigue et des préférences des utilisateurs.

Amélioration de l'efficacité énergétique

La recherche sur les matériaux légers, les systèmes de transmission efficaces et les circuits régénératifs énergétiques continue de repousser les limites de ce qui est possible. La Fédération internationale de la robotique a souligné l'importance de l'efficacité énergétique pour une adoption généralisée, et les contributions des PME et des consommateurs dans ce domaine sont essentielles. Les futurs exoskeletons peuvent utiliser des rapports de transmission variables qui optimisent l'efficacité pour différentes tâches, ou ils peuvent intégrer des systèmes de stockage de l'énergie qui captent et réutiliser l'énergie cinétique.

Accessibilité plus large

Les PME ont lancé des programmes pour réduire les coûts de fabrication par la conception de montage, l'utilisation de composants standard et des techniques de production évolutives. L'organisation a également préconisé des politiques de remboursement d'assurance qui couvrent les exosqueletteurs pour les conditions médicales. Les groupes de travail des PME explorent des modèles par abonnement ou des programmes à usage partagé qui pourraient rendre les exosquelettes accessibles à plus de personnes.

Intégration à la santé numérique

Les PME ont collaboré avec ISO et d'autres organismes de normalisation pour définir les formats de données et les protocoles de confidentialité des systèmes robotiques portables. Cette intégration permet aux cliniciens de surveiller à distance les progrès des patients, aux fabricants d'améliorer la conception des appareils en fonction des données réelles et aux utilisateurs de partager des informations avec leurs équipes de soins.

Éducation et développement des effectifs

Les PME ont également investi dans l'éducation et le développement de la main-d'oeuvre pour s'assurer que la prochaine génération d'ingénieurs est prête à faire progresser la robotique portable. L'organisation offre des programmes de certification en robotique, parraine des concours de conception d'étudiants et fournit des ressources en ligne pour l'auto-étude.

Grâce à ses programmes de mentorat, la PME met en relation des ingénieurs expérimentés avec des étudiants et des professionnels en début de carrière. Ce réseau de mentorat a aidé de jeunes chercheurs à explorer les complexités du travail interdisciplinaire et a favorisé des collaborations qui s'étendent à des institutions et à des pays.

L'organisation a également abordé la nécessité d'une formation continue parmi les ingénieurs praticiens.À mesure que la technologie robotique portable évolue rapidement, les professionnels doivent mettre à jour leurs compétences régulièrement. PME offre des ateliers et des webinaires sur des sujets tels que la théorie de contrôle avancée, l'étalonnage des capteurs et les tests de facteurs humains.

Conclusion

La Société des ingénieurs mécaniques demeure un moteur pour façonner l'avenir de la robotique portable, en veillant à ce que ces technologies servent la société et les besoins d'une manière efficace et éthique. Depuis ses premiers travaux en génie de la réadaptation jusqu'à ses efforts actuels en matière d'élaboration de normes, de financement de la recherche et d'éducation, la PME a créé l'infrastructure qui permet l'innovation pour prospérer.

Dans l'avenir, les PME doivent faire face au défi d'équilibrer les progrès technologiques rapides avec une prise en compte attentive des implications sociales et éthiques.L'organisation a déjà commencé à aborder les questions de confidentialité des données, de biais algorithmique et de possibilité d'exosquelettes pour exacerber les inégalités si l'accès est limité.

L'avenir de la robotique portable dépendra de la collaboration continue entre les disciplines et les secteurs. Le rôle des PME en tant que convoquatrice et porteuse de normes lui permettra de faciliter cette collaboration. Les ingénieurs, les cliniciens, les décideurs et les utilisateurs auront tous leur mot à dire pour façonner la prochaine génération d'appareils.