Design formalization of an industrial exoskeleton, and application to the upper-limb assistance
Formalisation du problème de conception d’un exosquelette industriel et application à l’assistance aux efforts des membres supérieurs
Résumé
The automotive industry is a very competitive field, and requires constant improvements in production processes to match customers’ expectations.A significant number of assembly steps remain manual, and despite considerable efforts to adapt the products or processes, some workstations remain physically stressful and may lead to occupational diseases. This thesis focuses on a new type of assistive device to lower physical stress on operators: exoskeletons. Rigid or flexible wearable devices, they offer an alternative solution for physical assistance that combines mechatronic power with the human highly autonomous intelligence and dexterity. Despite the increasing interests for this technology, they are still not widely used do to their complexity and limited adaptability.A categorization of needs linked to a detailed state of the art highlighted several technological locks that we then try to remove or avoid. To achieve this objective, we propose to portray the design process of a new exoskeleton through a formalization, from the industrial needs until a relevant exoskeleton conceptThis formalization have been applied to a recurring practical need from the automotive assembly lines, the clipping of door trim. The identified constraint concerns the application of a frontal effort using upper-limbs, where mechanical stress should be reduced. This led us to two patented concepts: the concept of a kinematic architecture for an upper-limb exoskeleton structure, and the concept of a quasi-passive blocking join that allows to fix and rigidify the exoskeleton structure to transmit assistive efforts.
Le secteur automobile, très compétitif, requiert une constante évolution des moyens de production. Au regard du nombre important de postes manuels, des efforts considérables sont mis en œuvre pour adapter les produits et les processus de fabrication afin de limiter les postes de travail dits ‘’lourds’’ dont la charge physique est propice à l'apparition de maladies professionnelles.Ce travail de thèse se focalise sur un nouveau type d'assistance avec le potentiel de soulager les opérateurs : les exosquelettes. Dispositifs d'assistance rigides ou souples portés par l'opérateur, ils proposent une alternative combinant la puissance mécatronique au très haut degré d'autonomie et à la dextérité humaine. Malgré un intérêt grandissant pour ces nouveaux dispositifs, ils sont encore peu utilisés du fait de leur complexité et faible adaptabilité. Une classification des besoins couplée à un état de l'art détaillé des technologies actuelles ainsi que des tendances ont mis en évidence certains verrous technologiques que nous essayons de lever. Nous proposons une démarche de formalisation permettant, à partir des besoins identifiés et des contraintes de l'environnement industriel, de produire un concept d’exosquelette pertinent. Cette formalisation a ensuite été appliquée à un besoin représentatif présent sur les lignes d’assemblage véhicule, le clippage des garnitures de portières. Le type de contrainte identifié est celui de l’application d’un effort frontal au travers des membres supérieurs, dont il faut chercher à en réduire la charge physique. Ce travail a mené à la réalisation de deux concepts brevetés : un concept d'architecture cinématique pour la structure de l'exosquelette assistant les membres supérieurs, ainsi qu'un concept de liaison pivot quasi-passive à blocage commandé permettant de bloquer et rigidifier la structure de l’exosquelette sur demande pour transmettre les efforts d’assistance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)