EP0329748B1 - Appareil d'exercices physiques a modes multiples et procede de commande d'un tel appareil - Google Patents

Appareil d'exercices physiques a modes multiples et procede de commande d'un tel appareil Download PDF

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EP0329748B1
EP0329748B1 EP88907341A EP88907341A EP0329748B1 EP 0329748 B1 EP0329748 B1 EP 0329748B1 EP 88907341 A EP88907341 A EP 88907341A EP 88907341 A EP88907341 A EP 88907341A EP 0329748 B1 EP0329748 B1 EP 0329748B1
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EP
European Patent Office
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force
user
movement
bar
exercising
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP88907341A
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German (de)
English (en)
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EP0329748A1 (fr
Inventor
Louis Angelloz
Bernard Forel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MYOSOFT Sarl
Original Assignee
MYOSOFT Sarl
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Filing date
Publication date
Application filed by MYOSOFT Sarl filed Critical MYOSOFT Sarl
Priority to AT88907341T priority Critical patent/ATE68691T1/de
Publication of EP0329748A1 publication Critical patent/EP0329748A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0329748B1 publication Critical patent/EP0329748B1/fr
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/008—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using hydraulic or pneumatic force-resisters
    • A63B21/0083—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using hydraulic or pneumatic force-resisters of the piston-cylinder type
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/00058—Mechanical means for varying the resistance
    • A63B21/00069—Setting or adjusting the resistance level; Compensating for a preload prior to use, e.g. changing length of resistance or adjusting a valve

Definitions

  • the present invention relates to a physical exercise device offering the user a feedback against a given movement, and more particularly to a physical exercise device with multiple modes: isometric, led, assisted, with constant load or isotonic, with or without excitation of the ⁇ innervation loop.
  • the present invention also relates to the method for controlling such devices.
  • This device can advantageously be used either in hospitals or in physiotherapy centers to re-educate muscles following an illness or accident, or in sports clubs, fitness clubs or by private individuals to develop and maintain bodybuilding.
  • the rehabilitation essentially includes the following stages: joint rest with immobilization often plastered, a first joint mobilization during which the limb is moved without involving the patient's muscle, then an active mobilization during which the effort of the patient's muscle is assisted and finally the actual muscle strengthening during which the patient moves a limb against a resistant force.
  • an analytical bodybuilding phase that is to say involving only one or more specific muscles, followed by an overall bodybuilding phase.
  • Bodybuilding practiced in fitness centers essentially includes movements that people rarely do in their daily life such as working the abdominal muscles. Conversely, bodybuilding athletes, in addition to maintaining their general condition, tends to develop the particular muscles necessary for their respective sport such as those of the legs for a tennis player.
  • isometric bodybuilding contraction of the muscle without movement of the limb, constant load bodybuilding during which a weight is moved vertically by a set of cables and pulleys and this more or less quickly depending on the effort of the person, the isokinetic bodybuilding during which the speed of movement is imposed by the machine at a constant value and finally isotonic bodybuilding requiring more sophisticated exercise equipment imposing a feedback force and a speed of movement so that the tone of the muscle involved remains constant.
  • a movement is described as concentric when the limb performing it moves towards the body, and conversely, the movement is described as eccentric when the member moves away from the body.
  • each member has two muscles, one agonist and the other antagonist, such as the biceps and the triceps for the arm, we can thus define four muscular efforts distinct from a member compared to a lever, either for the forearm for example: contraction of the biceps to pull in a concentric movement of the lever, effort of the biceps to retain the lever moving in an eccentric movement, pushed by the triceps of the lever in an eccentric movement and retained by the triceps of the lever moving concentrically.
  • WO 8605404 is presented an apparatus comprising a lever on which the user exerts a muscular force and whose rotational movement is controlled by an electric motor with electronic control so that the speed is constant at a value initially chosen, as long as the force exerted on the lever is greater than a predetermined value measured by a force sensor mounted at the end of the lever.
  • this device is only isokinetic and allows the recording of the power developed by the user during the exercise only by additional means.
  • the apparatus presented in the presentation US 3848467 comprises a bar held by two cables to drums themselves connected by an axis to an electric servo motor with permanent magnet.
  • This servo motor acting alternately as a braking element then as a motor element allows concentric then eccentric movements at constant speed with, at each limit switch, a deceleration followed by a reversal of the direction of automatic movement. Range of motion, speed and acceleration at the end of the run are established before exercise according to the user's ability.
  • Electronic means allow the amount of work developed to be presented on a digital table, so the user can adjust the rest of his exercise according to his objectives. This device is however limited to isokinetic strength training exercises only.
  • the drum around which the cable is wound is connected to the motor by a hydraulic transmission applying to the drum a torque according to the speed of rotation of the motor.
  • a microprocessor controls the speed of the electric motor according to the instantaneous movement of the cable as seen by a motion or speed sensor and according to a program loaded from a microcomputer so that the muscular effort developed by the user pulling or retaining the cable is isometric, isokinetic or isotonic, and this at values varying according to repetitions and sessions.
  • this hydraulic transmission which has a large moment of inertia, it is difficult to realize more complex sequences immediately following a purely isokinetic movement at a well-determined point to a purely isotonic movement.
  • Another type of device comprises a lever controlled by a hydraulic cylinder itself piloted by a valve.
  • the movement of the valve is controlled by a stepping motor according to the instructions of a microcomputer which compares the angular position of the lever measured by a decoder placed at its end as well as the force exerted on the bar thanks to a sensor. pressure placed on the cylinder at pre-recorded values defining a type of exercise.
  • this device does not appear dynamic and precise enough to perform movements other than those with high counter-resistant forces.
  • a medical theory introduces the notion of ⁇ innervations complementary to the already known ⁇ and ⁇ innervations. While the innervation intervenes to contract the agonist muscle, the innervation ⁇ to relax the antagonistic muscle, the innervation ⁇ intervenes essentially to adjust the speed and precision of the movement during its realization. No device known at present offers the possibility to excite this ⁇ innervation in particular, during a given exercise.
  • the object of the present invention is, in a physical exercise apparatus operating according to a predetermined sequence associating with each position successively reached by an exercise element a value of movement speed and / or a value of feedback force, a method control allowing an excitation of this ⁇ innervation loop which remarkably improves the performance of patient or sports users.
  • the control process must also allow the realization of delicate movements such as ducts, assisted or stretched.
  • the device for implementing the above process must more particularly be able to respond with fine, dynamic and precise movements to the demands of users.
  • This device must also be versatile to be used both in medical circles for the rehabilitation of muscles and in sports training centers for bodybuilding.
  • control method is characterized in that it comprises a cycle which consists in causing during movement of the exercise element according to the initial predetermined sequence an abrupt return of between 0.1 and 5 degrees of the exercise element in the opposite direction to the force exerted by the user causing an increase in force, then to continue the movement of the element according to the predetermined sequence.
  • the control method comprises a cycle which consists in causing, during the movement of the exercise element according to the initial predetermined sequence, an abrupt advance comprised between 0.1 and 5 degrees of the element in front of the force exerted by the user causing a weakening of the force, to then cause a sudden return of between 0.1 and 5 degrees of the element in the opposite direction to the force exerted by the user causing an increase in the force, then continue moving the element according to the initial movement sequence.
  • this cycle is repeated several times throughout or in distinct parts only of the initial movement sequence.
  • this cycle is repeated at a frequency between 1 and 100 hertz.
  • the force sensor is located on the exercise bar at the end moved by the user and it makes it possible to measure the force exerted concentrically and eccentrically.
  • the servo-valve control signal is in the form of a square alternating signal of constant frequency whose width of the positive half-wave is modulated as a function of the command to be transmitted.
  • control method for the device described above means that, for each successive position of the bar, the latter continues its movement if and only if the force exerted on the bar is less than a value understood between 0.1 and 50 daN previously stored for the position.
  • control method for the device described above causes the bar to continue its movement if and only if the force exerted on said bar by the user is less than a value between zero and the result on a force sensor of the limb weight used to move the bar, value previously memorized.
  • control method for the control device described above causes the exercise bar to continue its movement if and only if the force exerted on the bar by the user is less than a value previously stored corresponding to the pain threshold.
  • the chassis of the exercise apparatus comprises a seat 50 adjustable in the horizontal plane, a backrest 55 adjustable in inclination, two lateral handles 56 that the user grips to maintain himself and a metal leg projecting forward.
  • the metal leg consists of a fixed bar 70 slightly oblique upwards and at the end of which is mounted in rotation by an axis 140 a lever 100.
  • This lever 100 is animated by an actuator 120 underlying and parallel to the bar 70. The user casts his feet in two pads 160 mounted at the end of the lever 100.
  • the adjustable seat 50 allows the user to make its articular axis coincide with the mechanical axis 140.
  • a keyboard 320 and a display screen 310 are mounted on a vertical lateral arm and offers the user the possibility of constantly reacting with the device, that is to say of viewing the efforts made and answering questions of the device.
  • the cylinder 120 includes an inner piston 130 connected to an axis 110 integral in rotation with the lever 100.
  • the piston prints on the lever 100 a concentric or eccentric movement respectively.
  • lines A and B are connected through a servo-valve to a hydraulic group shown in FIG. 4.
  • the angle of movement of the lever 100 is read by an encoder 150 which can be either a simple endless potentiometer or a more complex but more precise system comprising a photoelectric cell arranged in front of a graduated disc.
  • the signal representing the angle of movement of the lever is applied to the line ⁇ .
  • the maximum travel of this lever is 135 degrees, and it is generally reduced during the programming of electronic means to an amplitude of movement of the order of 100 degrees.
  • Force sensors preferably strain gauges
  • the signal representative of this force is applied to line F.
  • Lines ⁇ and F are connected to the electronic control means shown in FIG. 3.
  • These electronic and computer control means include a microprocessor 200, an optional amplification stage 400 and a microcomputer 300.
  • the microprocessor comprises, attached to an omnibus line 230, a processor 240 including a logic unit connected to registers and to a memory unit 260 through a memory controller 250, a watchdog 285, an analog / digital converter 220 receiving the force F and displacement ⁇ values in series after the multiplexer 210, an output interface 290 modulated by the width of the pulse and, finally, a serial interface 280 in relation to the pulse generator 270 and allowing communication through a RS-232-C line with the microcomputer 300 itself provided with a corresponding serial interface card 340.
  • the user can communicate with the microcomputer 300 using the display screen 310 and the keyboard 320 mentioned above.
  • the logic of the exercise machine described later with reference to FIG. 5 is first written using the microcomputer 300, then it is transferred through the RS-232-C link, from the line omnibus 230, logic unit 240 and memory controller 250 inside memory 260.
  • This logic is characteristic of a given kinematics: either a device for exercising the legs or for exercising the arms or adapted for exercising another part of the body.
  • the first phase of using the apparatus corresponding to the establishment of the various exercise parameters essentially involves the microcomputer 300 where the parameters corresponding to standard exercises are previously memorized.
  • the microcomputer is brought to request the microprocessor 200, during a pre-recording of the physical possibilities of this user for example.
  • the microcomputer proceeds, as the options taken by the user, establish various parameters such as the table indicating the values of the feedback forces to be exerted by the device in function of the angular position of the lever and / or the duration of a movement and / or the repetition of a movement.
  • the microcomputer also proceeds to the development of complex exercises linking, for example, an isometric then isotonic portion ended by a driven movement.
  • these various parameters are transferred to a section of the memory 260 and the command for the rest of the operations relating to the exercise is transferred to the microprocessor 200.
  • the microprocessor can compare almost instantaneously the information in force and in displacement received on lines F and ⁇ with the parameters stored in memory to produce a control signal for the hydraulic cylinder.
  • a watchdog 285 constantly checks that the central computer 240 is still in operation in which case it resets the microprocessor program at the start. This security is necessary to prevent the device from making disordered movements following damage to the electronic part.
  • the control signal s is in the form of a square alternating signal of constant frequency whose width of the positive half-wave is modulated by function of the command to be transmitted.
  • an impedance matching card 400 which includes an operational amplifier 410 connected to two complementary transistors 420 and 430 symmetrically mounted in common collector, and which amplifies in intensity s into a signal S.
  • FIG. 4 shows the hydraulic group supplying the jack 120 of FIG. 2. It comprises a reservoir 600 of hydraulic fluid 601, normally oil, a pump 602 supplying by a line E a servo-valve 605 which delivers according to the position from the distribution piston 650 the high pressure hydraulic fluid either on line A or on line B. The fluid coming back on the other line is directed by the same piston 650 on the return line R.
  • the control signal established by the means is applied electronics and computers described with reference to Figure 3.
  • This line S is connected to an inductor 610.
  • an armature 620 is held in the middle of the inductor 610 by a flexible tube 615 and it is provided in its lower part with a coaxial pilot lever 630 to the flexible tube 615.
  • This control lever continues up to the interior of the piston 650, where it is movable inside a chamber cut out of this piston.
  • This chamber is connected to each of the sides of the piston by two reversing channels 653 and 655 which open into this chamber through the orifices 652 and 654 respectively.
  • On the periphery of the piston 650 are cut two deep grooves 658 and 659 for communication.
  • the piston 650 as shown in Figure 4 is in a middle position so that no lines A, B or E, R are connected to each other.
  • the outputs corresponding to lines A, B, E and R, which in fig. 4 are shown on the same plane, are actually offset angularly around the periphery of the valve.
  • the servo valve operates as follows: the position of the armature 620 is adjusted by the screw 640 and the spring 642 so that, held by the tube 615, this armature is located exactly in the middle of the inductor, so that the end of the pilot lever 630 is in a middle position between the orifices 652 and 654.
  • the pressurized fluid arrives on the line E and, passing through the filter 656 goes through conduits cut in the valve casing towards the two respective sides of the piston 650.
  • the fluid continues its progression inside the conduits 653 and 655 emerging through the orifices 652 and 654 in the chamber inside from where it leaves the servo-valve on line R.
  • the left reversing channel 653 Due to the recess inside the piston 650, the left reversing channel 653 has a length identical to the right channel 655. As long as the control lever 630 is at a middle position between the orifices 652 and 654, the pressure exerted by the fluid on each of the sides of the piston is identical, the piston remains stationary, the lines A and B remain closed and the piston 130 of the jack does not move.
  • the inductor 620 moves to the right when the signal S is positive, in the opposite direction when the signal S is negative. Initially, the two positive and negative half-waves constituting the square alternating signal S are of equal width. The armature 620 therefore vibrates around its central position.
  • the inductor 610 moves the armature 620 to the right.
  • the control lever 630 moves to the left, which obstructs the orifice 652.
  • the hydraulic pressure increases slightly in duct 655 and on the right side of the piston which begins to move to the left until this control lever 630 is again in an intermediate position between the two orifices.
  • the inductor 610 moves the armature to the left, therefore the piston 650 to the right.
  • the vibration of the armature 620 also causes an equivalent vibration of the piston 650 which permanently cancels the static component, always disadvantageous, frictional forces acting between the piston and the cylinder.
  • the armature always oscillates, but around a position shifted to the right.
  • the piston then oscillates around a position offset to the left and the communication groove 659 connects line E to line B, groove 658 connects line A to line R and the piston 130 of the actuator advances.
  • the armature 620 oscillates around a position shifted to the left, the piston oscillates around a position shifted to the right, which puts in communication line E with line A as well as line B with return line R.
  • axis 110 of the hydraulic cylinder retracts.
  • the servo valve 605 essentially consists of three sections: a control device, a hydraulic amplifier and a distribution piston 650.
  • the control device comprises an inductor 610 acting on an armature 620 secured to the housing.
  • the servo-valve 605 by a flexible tube 615 and from which extends down a pilot lever 630 coaxial with the tube 615.
  • This control device converts a continuous electrical signal into a pivoting of the pilot lever.
  • the hydraulic amplifier comprises the two sides of the piston 650, the conduits 653 and 655 connecting these sides to an internal chamber of the piston into which these conduits open by two opposite orifices 652 and 654, and the end of the pilot lever 630 arriving in the internal chamber between the two orifices 652 and 654.
  • the distribution piston 650 is moved by the hydraulic pressures appearing on its sides as a function of the position of the end of the pilot lever 630 relative to the orifices 652 and 654 and puts in communication the hydraulic lines E, R and A, B through its grooves 658 and 659.
  • this servo-valve converts an electrical signal of low power (about 1.5 W) into a hydraulic output signal of high power. Thanks to very favorable dynamic characteristics (response time less than 6 ms), this valve makes it possible to effectively control very fast cycles. In addition, there is proportionality between the variation of the width of the positive alternation of the inductive input signal and the opening of the valve, i.e. the flow rate of hydraulic fluid delivered to the jack which allows to control the speed of movement. the axis 110 of the jack, therefore of the lever 100.
  • an exercise comprises a first phase of choice from among the various options offered by the logic residing in the microcomputer of the device and a second phase of work proper under the main control of the microprocessor.
  • the user activates an on / off button, if this has not already been done, which initializes the hydraulic group and also the electronic and computer means by carrying out subroutines. initialization characteristics of the microprocessor used.
  • the device Under the control of the program residing in the microcomputer, the device offers a first choice corresponding to box 10 between concentric and / or eccentric movements. Then the device asks to define the amplitude of the movement by specifying a starting angle X between 0 and 135 degrees and a final angle Y between X and 135 degrees. A confirmation of the responses is required by the device. This corresponds to box 20 of the organization chart.
  • the user is then offered the option of excitation of the innervation ⁇ (box 25).
  • he must also define the type of excitation and the zones during movement of the lever during which he wishes this excitation to be carried out (box 26).
  • This option consists of superimposing on the curve defining the force to be applied as a function of the movement of the lever a series of short-duration pulses of adjustable amplitude.
  • a first type of pulse consists of a movement of restricted amplitude, of the order of 0.3 degrees, of the lever in the opposite direction to the initial movement.
  • a second type of impulse causes the arm to move abruptly forward the arm in front of the force exerted by about 1 degree which relaxes the muscle, followed immediately by an abrupt backward movement of the arm by about 0.5 degree against the force, which creates a brief contraction of the muscle and finally a return to the normal curve.
  • These pulses can be individual or, preferably, repeated at a frequency between 10 and 100 hertz.
  • the device offers a menu of different exercises corresponding on the flowchart in boxes 31 to 38.
  • the user responds with the corresponding number in the menu to the exercise to choose between: isometric 31, movement led 32, assisted movement 33 , stretching 34, warming up 35 corresponding to constant load exercises, dynamic exercises 36 and combinations of movements predefined in boxes 37 and beyond.
  • the device When the user has opted for an isometric movement, the device asks him to define one or the different positions where he wishes the machine to stop to perform an isometric contraction (box 41), as well as the duration of these stops to be chosen between 3 and 20 seconds (box 51). After having validated these options, the command of the device passes to the microprocessor and the lever 110 goes towards the first exercise point where the user applies a force on this lever (box 61). The results of this effort as measured by the force sensors located in the stops 160 are displayed on the screen of display 310 (box 71).
  • the device checks if a new position has been requested (box 81) and in the positive case (option 1) moves the lever to the second position and is about to measure the force exerted at this point by the user (box 61 bis). This cycle is repeated at each previously determined position (box 41). Once all the positions have been completed, the appliance stops (box 91) or returns to the initial menu.
  • the device When the user has opted for a driven movement (box 32), the device asks him the maximum force Fo with which he is authorized to move the limb (box 42). Command then passes to the microprocessor and the apparatus begins the movement of this member from the initial position X (box 52). For each unit of movement traveled, the device determines whether it has not reached the end of its travel (question 62) in which case it stops (option 1), otherwise it measures the force F exerted by the member on the force sensor (box 72). If this force F comes to exceed the predetermined force Fo, therefore that the member has a stiffness (option b) it immediately stops this movement; otherwise it continues this movement (option a). It is therefore understood that, by following this command sequence, the device will drive the member on the move as long as stiffness on the part of the user does not appear.
  • the device begins by measuring the weight of the user's limb as seen by the force sensor (box 43), then asks the user or the rehabilitator to enter a force of Fo reference between zero and the weight previously measured (box 53).
  • the device can also be programmed so that it moves the lever at slow speed while making a measurement at each of the angles of movement of the lever of the resultant of the weight of this member as read by the force sensor (box 43).
  • a second reference force value curve Fo as a function of the angular displacement is then introduced (box 53).
  • the command of the device then passes to the microprocessor and the user is then invited to move his member by himself.
  • a measurement of the instantaneous force F is carried out (box 63). If the force F is less than the reference force Fo, let option e correspond to the fact that the user manages to lighten the weight of his member on the lever or even completely cancel the support he exerts on this lever in moving his member by himself, then the lever moves to follow the member (box 83). If the movement attempt results in insufficient lightening, that is to say that the force F read by the sensor is greater than Fo, then the lever remains stationary in standby (option c).
  • a stretching exercise consists in bringing the limb to a limit position of the articular amplitude, and in forcing the movement of the limb beyond this point of stiffness without however exceeding a preset pain threshold.
  • a reference force Fo which the machine must not exceed during the stretching is chosen by the user or the re-educator.
  • a duration D of the stretch is also indicated on the apparatus (box 44).
  • the command of the apparatus passes to the microprocessor and the lever 110 begins to move towards the extreme position Y while measuring progressively the force F applied to the sensor (box 54). If this force F remains lower than the force Fo indicated previously (option f), the lever continues its movement towards the extreme position. This cycle is repeated as long as the lever has not reached, or even exceeded, the stiffness position, therefore that the force F remains lower than the reference force Fo.
  • Option 35 corresponds to constant load exercises commonly used to warm up the muscles before more sophisticated exercises.
  • control of the device is transferred to the microprocessor which slowly moves the lever to the starting X position.
  • the user is then invited to move the lever with a force equal to Fo (box 65, 75 and 85, option i, j).
  • the lever goes back at slow constant speed (box 105)
  • the repetition counter p is increased by one unit (box 115)
  • the new p-value is compared to I (box 125).
  • the device When the user has opted for dynamic exercises (option 36), the device first asks him if he wishes to perform these exercises in direct mode or in opposition, that is to say to print a movement by applying a displacement force to the lever or to oppose a movement of the lever (box 46).
  • the device still under the control of the microcomputer, goes into acquisition and recording mode: the arm leaves its neutral position to stop at the starting position X. A message then appears inviting the user to produce its maximum effort.
  • the arm After a short immobilization time, the arm starts to move at a constant speed, for example 75 degrees / second, and the device memorizes the values given by the force sensor throughout the stroke of the lever. A curve of the force developed as a function of the angular displacement of the lever appears on the display screen 310 (box 66). Because this curve was recorded at constant speed, it also represents the power developed by the user at each point.
  • box 67 the user is asked whether he wants to make corrections to this curve or not. If so (option 1), the stored curve is compared to a standard curve, the choice of which is offered. Recent medical research in this area tends to prove that these standard curves are different depending on whether the user practices a sport intensively.
  • the purpose of comparing these curves is to generate a new curve representing the variations in the setpoint value Fo as a function of the movement of the arm.
  • the logic residing in the microcomputer automatically determines the minimum force Fmin exerted between the angular position equal to 50 and 90 degrees.
  • the standard curve retained, either standard or corresponding to a determined sportsman is adjusted according to this minimum value Fmin increased or decreased by a selected percentage. Finally, final corrections can be applied to all or to selected portions of the curve (box 86).
  • the exercise command is then transferred to the microprocessor, and the user is asked to move the arm.
  • a comparison is made between the measurement of the force F as read by the sensor and the reference value corresponding to this point (box 116). If the instantaneous force F is less than Fo, the lever remains stationary (option 0 at the exit of box 116). In the other case the jack moves so that the developed power remains identical to the recorded power (box 136). In other words, if the user develops in each angular position of the lever a force identical to that developed during the recording, the lever moves at constant speed, otherwise this speed increases or decreases so that the value of the applied force returns to that of the predetermined curve.
  • the arm Once at the end of the race (box 146), the arm returns to the starting position at constant speed if only a concentric or eccentric exercise has been requested in 10, or the exercise is repeated up and down. A test is carried out to stop the exercise when the number of repetitions corresponds to that required (boxes 156 to 186).
  • option 37 corresponds to exercises combining the elementary exercises described above.
  • option 37 can correspond to a technique called "contracted-relaxed" in which the muscle is stretched to a painful threshold in a similar way to option 34, then a static contraction is requested for a period of approximately 6 seconds with display of results analogous to option 31, then the user performs a muscle relaxation and the apparatus continues an additional stretching.
  • the principles according to the invention can be applied with little modification to an apparatus exercising the two legs separately, or even, to apparatus for exercising the legs. arms or for exercise equipment involving other muscle groups.

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Description

  • La présente invention est relative à un appareil d'exercices physiques offrant à l'utilisateur une contre-réaction à un mouvement donné, et plus particulièrement à un appareil d'exercices physiques à modes multiples: isométrique, conduit, assisté, à charge constante ou isotonique, avec ou sans excitation de la boucle d'innervation γ. La présente invention se rapporte aussi au procédé de commande de tels appareils.
  • Cet appareil peut avantageusement être utilisé soit dans les hôpitaux ou dans les centres de kinésithérapie pour rééduquer des muscles suite à une maladie ou un accident, soit dans des clubs sportifs, des clubs de maintien de la forme physique ou par des privés pour développer et entretenir la musculation.
  • La rééducation comprend essentiellement les étapes suivantes: le repos articulaire avec immobilisation souvent plâtrée, une première mobilisation articulaire pendant laquelle le membre est déplacé sans faire intervenir le muscle du patient, puis une mobilisation active pendant laquelle l'effort du muscle du patient est assisté et enfin le renforcement musculaire proprement dit pendant lequel le patient déplace un membre contre une force résistante. On distingue dans cette dernière étape une phase de musculation analytique, c'est-à-dire ne faisant intervenir que un ou plusieurs muscles spécifiques, suivie d'une phase de musculation globale.
  • La musculation pratiquée dans les centres d'entretien de la condition physique comprend essentiellement des mouvements que les personnes n'effectuent que rarement dans leur vie quotidienne tel le travail des muscles abdominaux. A l'inverse, la musculation des sportifs, outre le maintien de leur condition générale, tend à développer les muscles particuliers nécessaires à leur sport respectif tels que ceux des jambes pour un joueur de tennis.
  • On distingue usuellement la musculation isométrique: contraction du muscle sans mouvement du membre, la musculation à charge constante pendant laquelle un poids est déplacé verticalement par un jeu de câbles et de poulies et ce plus ou moins rapidement selon l'effort de la personne, la musculation isokinétique pendant laquelle la vitesse du mouvement est imposée par la machine à une valeur constante et enfin la musculation isotonique nécessitant des appareils d'exercices plus sophistiqués imposant une force de contre-réaction et une vitesse de mouvement de telle sorte que le tonus du muscle impliqué reste constant. Un mouvement est décrit comme concentrique lorsque le membre qui l'effectue se déplace vers le corps, et à l'inverse, le mouvement est décrit comme excentrique lorsque le membre s'éloigne du corps.
  • En gardant à l'esprit que tout membre dispose de deux muscles, l'un agoniste l'autre antagoniste, tels que le biceps et le triceps pour le bras, on peut ainsi définir quatre efforts musculaires distincts d'un membre par rapport à un levier, soit pour l'avant bras par exemple: contraction du biceps pour tirer dans un mouvement concentrique le levier, effort du biceps pour retenir le levier se déplaçant dans un mouvement excentrique, poussée par le triceps du levier dans un mouvement excentrique et retenue par le triceps du levier se déplaçant concentriquement.
  • Des définitions données précédemment on peut comprendre la grande variété d'exercices musculaires ainsi que la multitude des enchaînements possibles, d'où l'intérêt porté aux appareils d'exercices physiques polyvalents permettant de réduire les investissements nécessaires pour un hôpital ou un club sportif.
  • Des progrès en électronique, notamment pour la commande de moteurs électriques, hydrauliques ou mécaniques, ainsi que pour la mesure des mouvements accomplis et la présentation des résultats de manière claire, ont incité les fabricants à développer des appareils d'exercices de physique plus adaptés aux besoins.
  • Ainsi, dans l'exposé WO 8605404 est présenté un appareil comprenant un levier sur lequel l'utilisateur exerce une force musculaire et dont le mouvement en rotation est contrôlé par un moteur électrique à commande électronique de telle sorte que la vitesse soit constante à une valeur choisie initialement, et ce tant que la force exercée sur le levier est supérieure à une valeur prédéterminée mesurée par un capteur de force monté en bout du levier. Mais cet appareil n'est que isocinétique et ne permet l'enregistrement de la puissance developpée par l'utilisateur au cours de l'exercice que par des moyens annexes.
  • L'appareil presenté dans l'exposé US 3848467 comprend une barre tenue par deux câbles à des tambours eux-mêmes reliés par un axe à un servo-moteur électrique à aimant permanent. Ce servo-moteur agissant alternativement en tant qu'élément de freinage puis en tant qu'élément moteur permet des mouvements concentriques puis excentriques à vitesse constante avec, à chaque fin de course, une désaccélération suivie d'une inversion du sens du mouvement automatique. L'amplitude du mouvement, la vitesse et l'accélération en fin de course sont établies avant l'exercice selon les possibilités de l'utilisateur. Des moyens électroniques permettent de présenter sur un tableau numérique la quantité de travail developpée, donc à l'utilisateur de moduler la suite de son exercice en fonction de ses objectifs. Cet appareil est toutefois limité aux seuls exercices de musculation isocinétique.
  • Dans une version améliorée de l'appareil précédent, décrite dans l'exposé WO 860024, le tambour autour duquel est enroulé le câble est relié au moteur par une transmission hydraulique appliquant au tambour un couple selon la vitesse de rotation du moteur. Un microprocesseur contrôle la vitesse du moteur électrique en fonction du mouvement instantané du câble tel que vu par un capteur de mouvement ou de vitesse et en fonction d'un programme chargé à partir d'un microordinateur de telle sorte que l'effort musculaire developpé par l'utilisateur tirant ou retenant le câble soit isométrique, isocinétique ou isotonique, et ce à des valeurs évoluant selon les répétitions et les séances. Mais, de part l'emploi de cette transmission hydraulique qui a un grand moment d'inertie, il est difficile de réaliser des séquences plus complexes faisant immédiatement suivre en un point bien déterminé un mouvement purement isocinétique à un mouvement purement isotonique.
  • Un autre type d'appareil, décrit dans l'exposé FR 2494008, comprend un levier contrôlé par un vérin hydraulique lui même piloté par une soupape. Le mouvement de la soupape est commandé par un moteur pas-à-pas selon les instructions d'un microordinateur qui compare la position angulaire du levier mesurée par un décodeur placé en son extrémité ainsi que la force exercée sur la barre grâce à un capteur de pression placé sur le vérin à des valeurs pré-enregistrées définissant un type d'exercice. Toutefois, du fait des erreurs introduites lors de la mesure de la pression et de celles introduites lors de la transformation de cette pression en une valeur de force selon une formule introduite dans l'ordinateur et du fait de l'utilisation d'un moteur pas-à-pas pour commander la soupape du vérin hydraulique, cet appareil n'apparaît pas suffisamment dynamique et précis pour réaliser des mouvements autres que ceux à forces contre-résistantes élevées.
  • Encore un autre type d'appareiil de ce genre est décrit dans WO-A-86/06947.
  • Par ailleurs, une théorie médicale introduit la notion d'innervations γ complémentaires aux innervations α et β déjà connues. Alors que l'innervation α intervient pour contracter le muscle agoniste, l'innervation β pour relâcher le muscle antagoniste, l'innervation γ intervient essentiellement pour ajuster en vitesse et en précision le mouvement lors de sa réalisation. Aucun appareil connu à l'heure actuelle n'offre la possibilité d'exciter cette innervation γ en particulier, au cours d'un exercice donné.
  • La présente invention a pour but, dans un appareil d'exercice physique fonctionnant selon une séquence prédéterminée associant à chaque position atteinte successivement par un élément d'exercice une valeur de vitesse de déplacement et/ou une valeur de force de contre réaction, un procédé de commande permettant une excitation de cette boucle d'innervation γ ce qui améliore de manière remarquable les performances des utilisateurs patients ou sportifs. De plus, le procédé de commande doit aussi permettre la réalisation de mouvements délicats tels que conduits, assités ou étirés.
  • L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé précédent doit plus particulièrement être capable de répondre par des mouvements fins, dynamiques et précis aux sollicitations des utilisateurs. Cet appareil doit aussi être polyvalent pour être utilisable à la fois dans les milieux médicaux pour la rééducation de muscles et dans les centres d'entraînement sportif pour la musculation.
  • Selon un premier mode d'exécution préféré de l'invention, le procédé de commande, selon le préambule de la revendication 1, se caractérise en ce qu'il comprend un cycle qui consiste à provoquer lors du déplacement de l'élément d'exercice selon la séquence prédéterminée initiale un brusque retour compris entre 0,1 et 5 degré de l'élément d'exercice dans le sens opposé à la force exercée par l'utilisateur causant une augmentation de la force, puis à poursuivre le déplacement de l'élément selon la séquence prédéterminée.
  • Selon un second mode d'exécution préféré, le procédé de commande comprend un cycle qui consiste à provoquer lors du déplacement de l'élément d'exercice selon la séquence prédéterminée initiale une brusque avancée comprise entre 0,1 et 5 degré de l'élément devant la force exercée par l'utilisateur causant un affaiblissement de la force, à provoquer ensuite un brusque retour compris entre 0,1 et 5 degré de l'élément dans le sens opposé à la force exercée par l'utilisateur causant une augmentation de la force, puis à poursuivre le déplacement de l'élément selon la séquence de déplacement initiale.
  • Avantageusement, ce cycle est répété plusieurs fois tout au long ou en des parties distinctes seulement de la séquence de déplacement initiale. De préférence, ce cycle est répété à une fréquence comprise entre 1 et 100 hertz.
  • Suivant une forme de réalisation de l'invention, l'appareil d'exercice physique pour la mise en oeuvre du procédé mentionné comprend une barre d'exercice dont l'une des extrémités est montée en rotation sur un chassis et l'autre extrémité est déplacée par l'utilisateur, un vérin hydraulique contrôlant le mouvement de la barre en lui appliquant une force en contre-réaction à celle appliquée par l'utilisateur et qui est piloté par une valve hydraulique régulant la circulation de fluide hydraulique, et des moyens électroniques et informatiques de commande de la valve pilote du vérin selon une séquence déterminée à partir du résultat de la comparaison à chaque instant ou pour chaque position de la barre d'exercice telle que lue par un décodeur entre d'une part la vitesse instantanée de cette barre et/ou la force qui lui est effectivement exercée telle que lue par un capteur de force et, d'autre part, des valeurs optimales de ces grandeurs préalablement mémorisées dans les moyens informatiques. Cet appareil se caractérise en ce que la valve pilotant le vérin est une servo-valve essentiellement constituée de trois sections:
    • ― un dispositif de commande comprenant un inducteur agissant sur un induit solidaire du carter de la servo-valve par un tube flexible et à partir duquel se prolonge vers le bas un levier de pilotage coaxial au tube,
    • ― un piston de distribution mettant en communication les lignes hydrauliques par des rainures externes,
    • ― un amplificateur hydraulique comprenant les deux côtés du piston, deux conduits traversés par un courant de fluide hydraulique sous pression et reliant ces côtés à une chambre dans laquelle les conduits débouchent par deux orifices opposés et l'extrémité du levier de pilotage arrivant dans la chambre entre les deux orifices.
  • De préférence, le capteur de force est localisé sur la barre d'exercice en l'extrémité déplacée par l'utilisateur et il permet de mesurer la force exercée de manière concentrique et excentrique.
  • Utilement, le signal de commande de la servo-valve se présente sous la forme d'un signal alternatif carré de fréquence constante dont la largeur de l'alternance positive est modulée en fonction de la commande à transmettre.
  • Selon un mode d'exécution, le procédé de commande pour l'appareil décrit précédemment fait que, pour chaque position successive de la barre, celle-ci poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur la barre est inférieure à une valeur comprise entre 0,1 et 50 daN préalablement mémorisée pour la position.
  • Selon un autre mode d'exécution avantageux, le procédé de commande pour l'appareil décrit précédemment fait que la barre poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur ladite barre par l'utilisateur est inférieure à une valeur comprise entre zéro et la résultante sur un capteur de force du poids du membre employé pour déplacer la barre, valeur préalablement mémorisée.
  • Selon une autre forme d'exécution préférentielle, le procédé de commande pour l'appareil de commande décrit précédemment fait que la barre d'exercice poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur la barre par l'utilisateur est inférieure à une valeur préalablement mémorisée correspondant au seuil de douleur.
  • L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation d'un appareil d'exercices des muscles jambiers pris à titre d'exemple nullement limitatif et décrit par les figures suivantes:
    • ― la figure 1 est une vue en perspective d'une réalisation pour le travail des muscles jambiers,
    • ― la figure 2 est un schéma de principe de la cinématique de l'appareil,
    • ― la figure 3 est un schéma de principe de la commande électronique,
    • ― la figure 4 est un schéma du groupe hydraulique commandé par les moyens électroniques et pilotant le vérin hydraulique de la figure 1, et
    • ― la figure 5 présente l'organigramme de la logique de contrôle de l'appareil.
  • En référence à la figure 1, le châssis de l'appareil d'exercices comprend un siège 50 réglable dans le plan horizontal, un dossier 55 réglable en inclinaison, deux poignées latérales 56 que l'utilisateur aggripe pour se maintenir et une jambe métallique se projettant vers l'avant.
  • La jambe métallique est constituée d'une barre fixe 70 légèrement oblique vers le haut et à l'extrémité de laquelle est monté en rotation par un axe 140 un levier 100. Ce levier 100 est animé par un vérin 120 sous-jacent et parallèle à la barre 70. L'utilisateur câle ses pieds dans deux patins 160 montés à l'extrémité du levier 100.
  • Le siège réglable 50 permet à l'utilisateur de faire coïncider son axe articulaire avec l'axe mécanique 140.
  • Un clavier 320 et un écran de visualisation 310 sont montés sur un bras latéral vertical et offre la possibilité à l'utilisateur de réagir en permanence avec l'appareil, c'est-à-dire de visualiser les efforts accomplis et de répondre aux questions de l'appareil.
  • Tel que représenté sur la figure 2, le vérin 120 comprend un piston intérieur 130 relié à un axe 110 solidaire en rotation avec le levier 100. Selon que le liquide hydraulique arrive sur la ligne A ou sur la ligne B, le piston imprime au levier 100 un mouvement concentrique ou excentrique respectivement. Ces lignes A et B sont reliées au travers d'une servo-valve à un groupe hydraulique représenté sur la figure 4.
  • L'angle de déplacement du levier 100 est lu par un codeur 150 qui peut être au choix soit un simple potentiomètre sans fin ou un système plus complexe mais plus précis comprenant une cellule photoélectrique disposée devant un disque gradué. Le signal représentatif de l'angle de déplacement du levier est appliqué sur la ligne ϑ. Le débattement maximum de ce levier est de 135 degré, et il est généralement ramené lors de la programmation des moyens électroniques à une amplitude de mouvement de l'ordre de 100 degré.
  • Des capteurs de force, de préférence des jauges de contraintes, sont montés à la fois dans les patins inférieurs et supérieurs 160 qui bloquent le pied, ce qui permet de mesurer aussi bien la force exercée de manière concentrique qu'excentrique. Le signal représentatif de cette force est appliqué sur la ligne F. Les lignes ϑ et F sont reliées aux moyens électroniques de commande représentés sur la figure 3.
  • Ces moyens de commande électroniques et informatiques comprennent un microprocesseur 200, un étage d'amplification en option 400 et un microordinateur 300.
  • Le microprocesseur comprend, rattaché à une ligne omnibus 230, un processeur 240 incluant une unité logique reliée à des registres et à une unité de mémoire 260 au travers d'un contrôleur de mémoire 250, un chien de garde 285, un convertisseur analogue/numérique 220 recevant les valeurs de force F et de déplacement ϑ en série après le multiplexeur 210, une interface de sortie 290 à modulation par la largeur de l'impulsion et, enfin, une interface série 280 en relation avec le générateur d'impulsions 270 et permettant au travers d'une ligne RS-232-C des communications avec le microordinateur 300 muni lui-même d'une carte interface série correspondante 340.
  • L'utilisateur peut communiquer avec le microordinateur 300 grâce à l'écran de visualisation 310 et au clavier 320 cités précédemment.
  • La logique de l'appareil d'exercices physiques décrite plus tard en référence à la figure 5 est d'abord rédigée à l'aide du microordinateur 300, puis elle est transférée au travers de la liaison RS-232-C, de la ligne omnibus 230, de l'unité logique 240 et du contrôleur de mémoire 250 à l'intérieur de la mémoire 260. Cette logique est caractéristique d'une cinématique donnée: soit un appareil pour exercer les jambes ou pour exercer les bras ou adapté pour exercer une autre partie du corps.
  • La première phase de l'utilisation de l'appareil correspondant à l'établissement des différents paramètres de l'exercice fait essentiellement intervenir le microordinateur 300 où sont préalablement mémorisés les paramètres correspondants à des exercices types. Eventuellement, selon le choix effectué par l'utilisateur, le microordinateur est amené à solliciter le microprocesseur 200, lors d'un pré-enregistrement des possibilités physiques de cet utilisateur par exemple. Lors de cette phase initiale, le microordinateur procède, au fur et à mesure des options prises par l'utilisateur, à l'établissement de divers paramètres tels que le tableau indiquant les valeurs des forces de contre-réaction à exercer par l'appareil en fonction de la position angulaire du levier et/ou la durée d'un mouvement et/ou la répétition d'un mouvement. Le microordinateur procède aussi à l'élaboration d'exercices complexes enchaînant par exemple, une portion isométrique puis isotonique terminée par un mouvement conduit. A la fin de cette phase d'initialisation, ces différents paramètres sont transférés dans une section de la mémoire 260 et le commandement de la suite des opérations relatives à l'exercice est transféré au microprocesseur 200.
  • De part sa rapidité d'exécution des étapes du programme pré-mémorisé, le microprocesseur peut comparer de manière quasi instantanée les informations en force et en déplacement reçues sur les lignes F et ϑ avec les paramètres mis en mémoire pour produire un signal s de commande du vérin hydraulique. Un chien de garde 285 vérifie en permanence que la centrale de calcul 240 est toujours en activité auquel cas il réinitialise le programme du microprocesseur au début. Cette sécurité est nécessaire pour éviter que l'appareil ne réalise des mouvements désordonnés suite à une détérioration de la partie électronique. De par le choix de la servo-valve qui va être décrite en référence à la figure 4, le signal de commande s se présente sous la forme d'un signal alternatif carré de fréquence constante dont la largeur de l'alternance positive est modulée en fonction de la commande à transmettre.
  • Selon les caractéristiques de la servo-valve, on peut soit utiliser le signal s pour la commander, soit on a besoin d'utiliser une carte 400 d'adaptation d'impédance qui comprend un amplificateur opérationnel 410 relié à deux transistors complémentaires 420 et 430 montés symétriquement en collecteur commun, et qui amplifie en intensité s en un signal S.
  • La figure 4 présente le groupe hydraulique alimentant le vérin 120 de la figure 2. Il comprend un réservoir 600 de fluide hydraulique 601, normalement de l'huile, une pompe 602 alimentant par une ligne E une servo-valve 605 qui délivre selon la position du piston de distribution 650 le fluide hydraulique à haute pression soit sur la ligne A ou sur la ligne B. Le fluide venant en retour sur l'autre ligne est dirigé par le même piston 650 sur la ligne de retour R. Sur la ligne S est appliqué le signal de commande établi par les moyens électroniques et informatiques décrits en référence à la figure 3.
  • Cette ligne S est reliée à un inducteur 610. Dans la servo-valve 605, un induit 620 est maintenu au milieu de l'inducteur 610 par un tube flexible 615 et il est muni en sa partie inférieure d'un levier de pilotage 630 coaxial au tube flexible 615. Ce levier de pilotage se poursuit jusqu'à l'intérieur du piston 650, où il est mobile à l'intérieur d'une chambre taillée dans ce piston. Cette chambre est reliée à chacun des côtés du piston par deux canaux inverseurs 653 et 655 qui débouchent dans cette chambre par les orifices 652 et 654 respectivement. Sur le pourtour du piston 650 sont taillées deux rainures profondes 658 et 659 de communication. Le piston 650 tel qu'il est representé sur la figure 4 est dans une position médiane de telle sorte qu'aucune ligne A, B ou E, R ne soient reliées entre elles. Les sorties correspondantes aux lignes A, B, E et R, qui à la fig. 4 sont représentées sur le même plan, sont en réalité décalées angulairement sur le pourtour de la valve.
  • Telle que décrite précédemment, la servo-valve fonctionne de la manière suivante: la position de l'induit 620 est ajustée par la vis 640 et le ressort 642 de telle sorte que, tenu par le tube 615, cet induit se situe exactement au milieu de l'inducteur, donc que l'extrémité du levier de pilotage 630 soit en une position médiane entre les orifices 652 et 654. Le fluide sous pression arrive sur la ligne E et, en passant au travers du filtre 656 se dirige au travers de conduits taillés dans le carter de la valve vers les deux côtés respectifs du piston 650. Le fluide poursuit sa progression à l'intérieur des conduits 653 et 655 débouchant par les orifices 652 et 654 dans la chambre intérieure d'où il quitte la servo-valve sur la ligne R. De par l'évidement à l'intérieur du piston 650, le canal inverseur gauche 653 a une longueur identique au canal droit 655. Tant que le levier de commande 630 est à une position médiane entre les orifices 652 et 654, la pression exercée par le fluide sur chacun des côtés du piston est identique, le piston reste immobile, les lignes A et B restent fermées et le piston 130 du vérin ne se déplace pas.
  • L'inducteur 620 se déplace vers la droite lorsque le signal S est positif, dans l'autre sens lorsque le signal S est négatif. Initialement, les deux alternances positives et négatives constituant le signal S alternatif carré sont de largeur égale. L'induit 620 vibre donc autour de sa position centrale.
  • Lors d'une alternance positive de S, l'inducteur 610 déplace vers la droite l'induit 620. Il s'ensuit par conséquence un déplacement vers la gauche du levier de commande 630 ce qui obstrue l'orifice 652. La pression hydraulique augmente légèrement dans le conduit 655 et sur le côté droit du piston qui commence à se déplacer vers la gauche jusqu'à ce que ce levier de commande 630 soit à nouveau en une position intermédiaire entre les deux orifices. A l'inverse, lors d'une alternance négative de S, l'inducteur 610 déplace l'induit vers la gauche, donc le piston 650 vers la droite.
  • Ainsi, la vibration de l'induit 620 provoque aussi une vibration équivalente du piston 650 ce qui annule en permanence la composante statique, toujours désavantageuse, des forces de frottement s'exerçant entre le piston et le cylindre.
  • Si, maintenant, la largeur de l'alternance positive de S augmente par rapport à l'alternance négative, alors l'induit oscille toujours, mais autour d'une position décalée vers la droite. Le piston oscille alors autour d'une position décalée vers la gauche et la rainure de communication 659 relie la ligne E à la ligne B, la rainure 658 relie la ligne A à la ligne R et le piston 130 du vérin avance. A l'inverse, si la largeur de l'alternance positive de S diminue, alors l'induit 620 oscille autour d'une position décalée vers la gauche, le piston oscille autour d'une position décalée vers la droite, ce qui met en communication la ligne E avec la ligne A ainsi que la ligne B avec la ligne de retour R. l'axe 110 du vérin hydraulique se rétracte.
  • En d'autres termes, la servo-valve 605 est essentiellement constituée de trois sections: un dispositif de commande, un amplificateur hydraulique et un piston de distribution 650. Le dispositif de commande comprend un inducteur 610 agissant sur un induit 620 solidaire du carter de la servo-valve 605 par un tube flexible 615 et à partir duquel se prolonge vers le bas un levier de pilotage 630 coaxial au tube 615. Ce dispositif de commande convertit un signal électrique continu en un pivotement du levier de pilotage. L'amplificateur hydraulique comprend les deux côtés du piston 650, les conduits 653 et 655 reliant ces côtés à une chambre interne du piston dans laquelle ces conduits débouchent par deux orifices opposés 652 et 654, et l'extrémité du levier de pilotage 630 arrivant dans la chambre interne entre les deux orifices 652 et 654. Le piston de distribution 650 est déplacé par les pressions hydrauliques apparaîssant sur ses côtés en fonction de la position de l'extrémité du levier de pilotage 630 par rapport aux orifices 652 et 654 et met en communication les lignes hydrauliques E,R et A,B de par ses rainures 658 et 659.
  • On peut ainsi constater que cette servo-valve convertit un signal électrique de faible puissance (environ 1,5 W) en un signal hydraulique de sortie de grande puissance. Grâce à des caractéristiques dynamiques très favorables (temps de réponse inférieur à 6 ms), cette valve permet de contrôler efficacement des cycles très rapides. De plus, il y a proportionnalité entre la variation de la largeur de l'alternance positive du signal d'entrée inductif et l'ouverture de la valve, soit le débit de fluide hydraulique délivré au vérin ce qui permet de contrôler la vitesse de déplacement de l'axe 110 du vérin, donc du levier 100.
  • En combinant ces possibilités particulières des servo-valves à des capteurs de force de haute précision situés de préférence sur les patins 160, alors il est seulement possible de demander à l'appareil de réaliser des mouvements fins, précis tout en réagissant immédiatement au comportement de l'utilisateur.
  • La manière dont l'appareil fonctionne peut être mieux comprise en se reportant à l'organigramme de la figure 5. En général un exercice comprend une première phase de choix parmi diverses options proposées par la logique résidant dans le microordinateur de l'appareil et une deuxième phase de travail proprement dite sous le contrôle principal du microprocesseur.
  • Une fois installé dans le fauteuil, l'utilisateur actionne un bouton marche/arrêt, si cela n'a pas été déjà fait, ce qui initialise le groupe hydraulique et aussi les moyens électroniques et informatiques par l'accomplissement de sous-programmes d'initialisation caractéristiques du microprocesseur utilisé. Sous la commande du programme résidant dans le microordinateur, l'appareil propose un premier choix correspondant à la case 10 entre des mouvements concentriques et/ou excentriques. Puis l'appareil demande de définir l'amplitude du mouvement en précisant un angle de départ X compris entre 0 et 135 degré et un angle final Y compris entre X et 135 degré. Une confirmation des réponses est éxigée par l'appareil. Ceci correspond à la case 20 de l'organigramme.
  • L'utilisateur se voit ensuite proposer l'option de l'excitation de l'innervation γ (case 25). Dans le cas positif, il doit de plus définir le type d'excitation et les zones lors du déplacement du levier au cours desquelles il souhaite que cette excitation soit effectuée (case 26). Cette option consiste à superposer sur la courbe définissant la force à appliquer en fonction du déplacement du levier une série d'impulsions de courte durée et d'amplitude réglable.
  • Un premier type d'impulsion consiste en un mouvement d'amplitude restreinte, de l'ordre de 0,3 degré, du levier en sens inverse du mouvement initial.
  • Un deuxième type d'impulsion provoque lors du déplacement du bras une brusque avance du bras devant la force excercée d'environ 1 degré ce qui décontracte le muscle, suivi immédiatement d'un brusque retour en arrière du bras d'environ 0,5 degré contre la force, ce qui crée une contraction brève du muscle et enfin un retour à la courbe normale.
  • Ces impulsions peuvent être individuelles ou, de préférence, répétées à une fréquence comprise entre 10 et 100 hertz.
  • Puis l'appareil propose un menu de différents exercices correspondant sur l'organigramme aux cases 31 à 38. L'utilisateur répond par le numéro correspondant dans le menu à l'exercice à choisir entre: isométrique 31, mouvement conduit 32, mouvement assisté 33, étirement 34, échauffement 35 correspondant à des exercices à charge constante, exercices dynamiques 36 et des combinaisons de mouvements prédéfinies dans les cases 37 et au-delà.
  • Lorsque l'utilisateur a opté pour un mouvement isométrique, l'appareil lui demande de définir l'une ou les différentes positions où il désire que la machine s'arrête pour y effectuer une contraction isométrique (case 41), ainsi que la durée de ces arrêts à choisir entre 3 et 20 secondes (case 51). Après avoir validé ces options, le commandement de l'appareil passe au microprocesseur et le levier 110 se dirige vers le premier point d'exercice où l'utilisateur applique un effort sur ce levier (case 61). Les résultats de cet effort tels que mesurés par les capteurs de force situés dans les butées 160 sont affichés sur l'écran de visualisation 310 (case 71). Puis l'appareil vérifie si une nouvelle position a été demandée (case 81) et dans le cas positif, (option 1) déplace le levier en la deuxième position et s'apprête à mesurer l'effort exercé en ce point par l'utilisateur (case 61 bis). Ce cycle est répété à chaque position déterminée précédemment (case 41). Une fois toutes les positions accomplies, l'appareil s'arrête (case 91) ou revient au menu initial.
  • Lorsque l'utilisateur a opté pour un mouvement conduit (case 32), l'appareil lui demande la force maximum Fo avec laquelle elle est autorisée à déplacer le membre (case 42). Le commandement passe alors au microprocesseur et l'appareil commence le déplacement de ce membre à partir de la position initiale X (case 52). Pour chaque unité de déplacement parcourue, l'appareil détermine s'il n'est pas arrivé en fin de course (question 62) auquel cas elle s'arrête (option 1), sinon il mesure la force F exercée par le membre sur le capteur de force (case 72). Si cette force F vient à dépasser la force Fo prédéterminée, donc que le membre présente une raideur (option b) elle arrête immédiatement ce mouvement; sinon elle poursuit ce déplacement (option a). On comprend donc que, en suivant cette séquence de commande, l'appareil va conduire le membre en déplacement tant qu'une raideur de la part de l'utilisateur n'apparaît pas.
  • Si l'utilisateur a opté pour un mouvement assisté (case 33), l'appareil commence par effectuer une mesure du poids du membre de l'utilisateur tel que vu par le capteur de force (case 43), puis demande à l'utilisateur ou au rééducateur d'entrer une force de référence Fo comprise entre zéro et le poids mesuré précédemment (case 53). L'appareil peut aussi être programmé de telle sorte qu'il déplace le levier à vitesse lente tout en effectuant une mesure en chacun des angles de déplacement du levier de la résultante du poids de ce membre telle que lue par le capteur de force (case 43). Une seconde courbe de valeur de force de référence Fo en fonction du déplacement angulaire est ensuite introduite (case 53).
  • Le commandement de l'appareil passe alors au microprocesseur et l'utilisateur est alors invité à déplacer de par lui même son membre. Une mesure de la force F instantanée est réalisée (case 63). Si la force F est inférieure à la force de référence Fo, soit l'option e correspondant au fait que l'utilisateur parvient à alléger le poids de son membre sur le levier voir annuler complètement l'appui qu'il exerce sur ce levier en déplaçant tout seul son membre, alors le levier se déplace pour suivre le membre (case 83). Si la tentative de mouvement se traduit par un allègement insuffisant, c'est-à-dire que la force F lue par le capteur est supérieure à Fo, alors le levier reste immobile en attente (option c). Enfin, si à la suite d'un découragement l'utilisateur laisse son membre reposer complètement sur le levier, ce qui se traduit par la lecture d'une force F égale ou éventuellement supérieure à la valeur de la résultante du poids mesuré précédemment, alors l'exercice se transforme automatiquement en un mouvement conduit (option d).
  • Il apparaît de manière évidente que le choix d'une valeur presque nulle pour Fo correspond à l'intention de l'utilisateur de déplacer son membre sans assistance. A l'inverse, le choix pour Fo d'une valeur proche du poids du membre correspond à l'intention de l'utilisateur de ne fournir qu'un très faible effort pour passer éventuellement rapidement à un seul mouvement conduit. La stimulation de l'innervation γ associée à cet exercice permet de meilleurs résultats.
  • Un exercice d'étirement consiste à amener le membre vers une position limite de l'amplitude articulaire, et à forcer le mouvement du membre au-delà de ce point de raideur sans toutefois excéder un seuil de douleur préétablie. Au début de cette option 34, une force Fo de référence que ne doit pas dépasser la machine lors de l'étirement est choisie par l'utilisateur ou le rééducateur. Une durée D de l'étirement est aussi indiquée à l'appareil (case 44).
  • Le commandement de l'appareil passe au microprocesseur et le levier 110 commence à se déplacer vers la position extrême Y tout en mesurant au fur et à mesure la force F appliquée sur le capteur (case 54). Si cette force F reste inférieure à la force Fo indiquée précédemment (option f), le levier continue son déplacement vers la position extrême. Ce cycle se répète tant que le levier n'a pas atteint, voire dépassé, la position de raideur donc que la force F reste inférieure à la force Fo de référence.
  • Lorsque le point de douleur maximal autorisé est atteint, l'utilisateur exerce naturellement sur le levier une force F au moins égale à Fo (option g). L'appareil immobilise alors le levier 110 (case 74) et maintient cette position pendant une durée D indiquée précédemment (case 84), puis revient en arrière pour relâcher l'étirement (case 94). Si pour une raison ou pour une autre l'utilisateur vient à contracter le muscle de son membre lors du déplacement du levier, donc imprime sur le capteur une force F supérieure à Fo, (option h) alors le levier s'arrête et revient automatiquement en arrière (case 94). A ce stade l'appareil est disponible pour un nouveau choix d'exercice (case 104).
  • L'option 35 correspond à des exercices à charge constante utilisés couramment pour échauffer les muscles avant des exercices plus sophistiqués. Après avoir entré la force Fo contre-résistante (case 45) et le nombre de répétitions I (case 55), le commandement de l'appareil est transféré au microprocesseur qui déplace lentement le levier à la position X de départ. L'utilisateur est alors invité à déplacer le levier avec une force égale à Fo (case 65, 75 et 85, option i, j). Lorsque le levier arrive en fin de course (option k à la sortie de la case 95), le levier revient en arrière à vitesse constante lente (case 105), le compteur de répétition p est augmenté d'une unité (case 115), la nouvelle valeur p est comparée à I (case 125). Tant que cette valeur p est inférieure à I (option m), l'utilisateur est invité à recommencer le mouvement (retour à la case 65), sinon l'exercice s'arrête (case 135). Cet exercice étant réalisé à force constante, la vitesse de déplacement du levier varie en fonction de la puissance développée par l'utilisateur.
  • Lorsque l'utilisateur a opté pour des exercices dynamiques (option 36), l'appareil lui demande d'abord s'il souhaite effectuer ces exercices en mode direct ou en opposition, c'est-à-dire imprimer un mouvement en appliquant une force de déplacement au levier ou s'opposer à un mouvement du levier (case 46).
  • Puis l'appareil, toujours sous le contrôle du microordinateur, passe en mode d'acquisition et d'enregistrement: le bras quitte sa position neutre pour s'arrêter à la position de départ X. Un message apparaît alors invitant l'utilisateur à produire son effort maximum. Après un court temps d'immobilisation, le bras se met en mouvement à vitesse constante, par exemple 75 degré/seconde, et l'appareil mémorise les valeurs données par le capteur de force tout au long de la course du levier. Une courbe de la force developpée en fonction du déplacement angulaire du levier apparaît sur l'écran de visualisation 310 (case 66). Du fait que cette courbe a été enregistrée à vitesse constante, elle représente aussi la puissance developpée par l'utilisateur en chacun des points.
  • En la case 67, il est demandé à l'utilisateur s'il veut effectuer des corrections sur cette courbe ou non. Dans l'affirmative (option 1), la courbe mémorisée est comparée à une courbe type dont le choix est proposé. Des recherches médicales récentes dans ce domaine tendent à prouver que ces courbes types sont différentes selon que l'utilisateur pratique intensivement un sport. La comparaison de ces courbes a pour but de générer une nouvelle courbe représentant les variations de la valeur de consigne Fo en fonction du déplacement du bras. Pour ce faire, la logique résidant dans le microordinateur détermine automatiquement la force minimum Fmin exercée entre la position angulaire égale à 50 et 90 degré. Puis la courbe type retenue, soit standard soit correspondant à un sportif determiné, est ajustée en fonction de cette valeur minimale Fmin augmentée ou diminuée d'un pourcentage choisi. Enfin, d'ultimes corrections peuvent être appliquées sur toute ou sur des portions choisies de la courbe (case 86).
  • La commande de l'exercice est alors transférée au microprocesseur, et l'utilisateur est invité à déplacer le bras. En tout point du déplacement, une comparaison est faite entre la mesure de la force F telle que lue par le capteur et la valeur de consigne correspondant à ce point (case 116). Si la force F instantanée est inférieure à Fo, le levier reste immobile (option 0 à la sortie de la case 116). Dans l'autre cas le vérin se déplace de telle sorte que la puissance developpée reste identique à la puissance enregistrée (case 136). En d'autres termes, si l'utilisateur développe en chaque position angulaire du levier une force identique à celle développée lors de l'enregistrement, le levier se déplace à vitesse constante, sinon cette vitesse augmente ou diminue de telle sorte que la valeur de la force appliquée revienne à celle de la courbe prédéterminée.
  • Une fois arrivé en fin de course (case 146), le bras revient en position de départ à vitesse constante si seul un exercice concentrique ou excentrique a été demandé en 10, ou l'exercice se repète en montée et en descente. Un test est effectué pour arrêter l'exercice lorsque le nombre de répétitions correspond à celui requis (case 156 à 186).
  • Les options 37 et les suivantes correspondent à des exercices combinant les exercices élémentaires décrit précédemment. A titre d'exemple, l'option 37 peut correspondre à une technique dite "contracté-relâché" dans laquelle le muscle est étiré jusqu'à un seuil douloureux de manière analogue à l'option 34, puis une contraction statique est demandée pour une période d'environ 6 secondes avec affichage des résultats de manière analogue à l'option 31, puis l'utilisateur effectue un relâchement musculaire et l'appareil poursuit un étirement additionnel.
  • Décrite dans le cadre d'un appareil d'exercice pour les muscles jambiers, les principes selon l'invention peuvent s'appliquer avec peu de modifications à un appareil exerçant les deux jambes séparément, voire même, à des appareils pour l'exercice des bras ou pour des appareils d'exercices concernant d'autres groupes musculaires.

Claims (11)

1. Procédé de commande d'un appareil d'exercices physiques comprenant un élément d'exercice formé par une barre dont l'une des extrémités est montée en rotation sur un châssis et l'autre extrémité est déplacée par un utilisateur, un dispositif moteur contrôlant le mouvement de l'élément d'exercice en lui appliquant une force en contre-réaction à celle appliquée par l'utilisateur, des moyens de commande pilotant le dispositif moteur selon une séquence prédéterminée associant à chaque position atteinte successivement par l'élément d'exercice une valeur de vitesse de déplacement et/ou une valeur de force de contre-réaction, caractérisé en ce qu'il comprend un cycle qui consiste à provoquer lors du déplacement de l'élément d'exercice selon la séquence prédéterminée initiale un brusque retour compris entre 0,1 et 5 degrés de l'élément d'exercice dans le sens opposé à la force exercée par l'utilisateur causant une augmentation de la force, puis à poursuivre le déplacement de l'élément selon la séquence de déplacement prédéterminée.
2. Procédé de commande d'un appareil d'exercices physiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un cycle qui consiste à provoquer lors du déplacement de l'élément d'exercice selon la séquence prédéterminée initiale une brusque avancée comprise entre 0,1 et 5 degrés de l'élément devant la force exercée par l'utilisateur causant un affaiblissement de la force, à provoquer ensuite un brusque retour compris entre 0,1 et 5 degrés de l'élément dans le sens opposé à la force exercée par l'utilisateur causant une augmentation de la force, puis à poursuivre le déplacement de l'élément selon la séquence de déplacement initiale.
3. Procédé de commande d'un appareil d'exercices physiques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cycle est répété plusieurs fois tout au long de la séquence de déplacement de l'élément d'exercice ou sur une ou plusieurs parties distinctes de la séquence.
4. Procédé de commande d'un appareil d'exercices physiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cycle est répété à une fréquence comprise entre 1 et 100 hertz.
5. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une barre d'exercice dont l'une des extrémités est montée en rotation sur un châssis et l'autre extrémité est déplacée par l'utilisateur, un vérin hydraulique contrôlant le mouvement de la barre en lui appliquant une force en contre-réaction à celle appliquée par l'utilisateur et qui est piloté par une valve hydraulique régulant la circulation de fluide hydraulique, et des moyens électroniques et informatiques de commande de la valve pilote du vérin selon une séquence déterminée à partir du résultat de la comparaison à chaque instant ou pour chaque position de la barre d'exercice telle que lue par un décodeur entre d'une part la vitesse instantanée de cette barre et/ou la force qui lui est effectivement exercée telle que lue par un capteur de force et d'autre part des valeurs optimales de ces grandeurs préalablement mémorisées dans les moyens informatiques, caractérisé en ce que la valve pilotant le vérin est une servo-valve essentiellement constituée de trois sections:
― un dispositif de commande comprenant un inducteur (610) agissant sur un induit (620) solidaire du carter de la servo-valve (605) par un tube flexible (615) et à partir duquel se prolonge vers le bas un levier de pilotage (630) coaxial au tube (615),
― un piston de distribution (650) mettant en communication les lignes hydrauliques par des rainures externes (658, 659),
― un amplificateur hydraulique comprenant les deux côtés du piston (650), deux conduits (653, 655) traversés par un courant de fluide hydraulique sous pression reliant ces côtés à une chambre dans laquelle les conduits (653, 655) débouchent par deux orifices opposés (652, 654), et l'extrémité du levier de pilotage (630) arrivant dans la chambre entre les deux orifices.
6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur de force est localisé sur la barre d'exercice en l'extrémité déplacée par l'utilisateur.
7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur de force permet de mesurer la force exercée de manière concentrique ou excentrique par l'utilisateur.
8. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le signal de commande (S) de la servo-valve (605) se présente sous la forme d'un signal alternatif carré de fréquence constante dont la largeur de l'alternance positive est modulée en fonction de la commande à transmettre.
9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour chaque position successive de la barre, celle-ci poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur la barre par l'utilisateur est inférieure à une valeur de cette force comprise entre 0,1 et 50 daN, préalablement mémorisée pour la position.
10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la barre d'exercice poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur la barre par l'utilisateur est inférieure à une valeur préalablement mémorisée comprise entre zéro et la résultante sur un capteur de force du poids du membre employé par l'utilisateur pour déplacer la barre.
11. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la barre d'exercice poursuit son mouvement si et seulement si la force exercée sur la barre par l'utilisateur est inférieure à une valeur préalablement mémorisée correspondant à un seuil de douleur.
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