FR2716777A1 - Member of foot-ground interface to assist the muscular work of a human being. - Google Patents

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Moscovitz Yigal
Faibish Sorin
Ishai Gideon
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Israel Ministry of Defence
Defence Israel
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Abstract

L'invention concerne un système exosquelettique destiné à aider un utilisateur à porter une charge utile pendant qu'il se déplace sur le sol, comprenant un membre de jambe droite fixé au pied droit de l'utilisateur de manière à transmettre les charges directement au sol par ledit membre de jambe droite, un membre de jambe gauche fixé au pied gauche de l'utilisateur de manière à transmettre les charges directement au sol par ledit membre de jambe gauche, un membre de pied droit, un membre de pied gauche, un appareil pour emmagasiner et restituer l'énergie relié à chaque membre de pied et une liaison charge utile/utilisateur reliée à la charge utile et auxdits membres de jambes droite et gauche pour guider le mouvement de l'appareil. Elle concerne en outre une méthode de commande de ce système exosquelettique.An exoskeletal system for assisting a user with carrying a payload while moving on the ground includes a right leg limb attached to the user's right foot to transmit loads directly to the ground. by said right leg member, a left leg member attached to the user's left foot so as to transmit loads directly to the ground by said left leg member, a right foot member, a left foot member, an apparatus to store and restore the energy connected to each foot member and a payload / user link connected to the payload and to said right and left leg members to guide the movement of the device. It further relates to a method of controlling this exoskeletal system.

Description

MEMBRE D'INTERFACE PIED-SOL POUR ASSISTER LE TRAVAILFOOT-FLOOR INTERFACE MEMBER TO ASSIST WORK

MUSCULAIRE D'UN ETRE HUMAINMUSCULAR OF A HUMAN BEING

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

La présente invention concerne des systèmes pour développer l'aptitude d'un être humain à marcher, sauter, appliquer des charges, porter des charges, ou similaire, et, plus particulièrement, sur des systèmes exosquelettiques reliés à un opérateur humain en un nombre limité de points, mais comprenant les pieds de l'opérateur, et qui servent à développer l'aptitude de l'opérateur à se transporter et à transporter des charges, y compris l'appareil lui-même, que l'opérateur peut désirer porter. Différentes technologies ont été mises au point au fil des années pour transporter rapidement et efficacement un être humain d'une place à une autre. De la même manière, il existe une technologie considérable pour exécuter différentes tâches par ailleurs difficiles, telles que le levage et le port de charges lourdes. Cependant, dans certaines applications, les technologies existantes sont inadaptées, dans la mesure o les circonstances conduisent à empêcher l'accès à une machine qui pourrait, autrement, transporter l'être humain et/ou exécuter la tâche désirée. Pour ne citer qu un exemple, on admet généralement que, dans différents contextes, le secouriste, le sportif, l'alpiniste, et autres, bien équipés peuvent jouer un rôle indispensable grâce à leur aptitude à traverser un terrain, autrement infranchissable, et accomplir des  The present invention relates to systems for developing the ability of a human to walk, jump, apply loads, carry loads, or the like, and more particularly to exoskeletal systems connected to a human operator in a limited number of of points, but including the feet of the operator, and which serve to develop the ability of the operator to transport and transport loads, including the device itself, that the operator may wish to wear. Different technologies have been developed over the years to quickly and efficiently transport a human being from one place to another. In the same way, there is considerable technology to perform other otherwise difficult tasks, such as lifting and carrying heavy loads. However, in some applications, existing technologies are unsuitable, as circumstances lead to preventing access to a machine that could otherwise transport the human and / or perform the desired task. To cite just one example, it is generally accepted that in many contexts the well-equipped first-aid worker, sportsman, mountaineer, and others can play an indispensable role in their ability to cross otherwise insurmountable terrain and accomplish of the

tâches qui vont au-delà des capacités des machines.  tasks that go beyond the capabilities of machines.

On souhaite, donc, depuis longtemps mettre au point une technologie qui augmenterait l'aptitude d'un être humain à marcher et à effectuer différentes tâches, telles que le levage et le port de diverses  It has long been desired to develop a technology that would increase the ability of a human being to walk and perform various tasks, such as lifting and wearing various types of equipment.

charges alors qu'il est debout.charges while standing.

Plusieurs tentatives ont été faites au cours de ces dernières décennies. Un système de ce type, appelé Hardiman, a été développé, il y a plusieurs décennies, par General Electric, et comprend un habit identique à celui d'un robot que l'opérateur porte sur tout son corps et qu'il commande par l'intermédiaire  Several attempts have been made in recent decades. A system of this type, called Hardiman, was developed several decades ago by General Electric, and includes a clothing identical to that of a robot that the operator wears all over his body and that he controls by 'intermediate

d'une série d'actionneurs et de servo-contrôleurs.  of a series of actuators and servo-controllers.

L'habit est encombrant, techniquement complexe et inflexible. Seuls les bras de l'habit possèdent des capacités bilatérales, les jambes de la machine étant utilisées comme simples structures de  The suit is bulky, technically complex and inflexible. Only the arms of the coat have bilateral capacities, the legs of the machine being used as simple structures of

support reposant sur un système maltre-esclave.  support based on a slave-slave system.

Plus récemment, un système appelé Pitman a été proposé par le Groupe américain Advanced Weapons  More recently, a system called Pitman has been proposed by the American Advanced Weapons Group

Technoloqv Group du Laboratoire National de Los Alamos.  Technoloqv Group of the Los Alamos National Laboratory.

Ce système, tout comme son prédécesseur Hardiman, comprend un habit porté par l'utilisateur. A la différence de l'habit Hardiman, le Pitman est plus flexible et comporte de nombreux sous-systèmes qui offrent une protection contre les balles perforantes, les armes biologiques et chimiques, et les effets nucléaires et laser. La proposition Pitman n'explique pas comment commander le mouvement de l'habit. D'autres développements ont été réalisés dans la création d'une structure anthropomorphique qui améliorera les capacités d'un être humain, sans impliquer toutefois des habits encombrants et inflexibles, mais comprenant plutôt des éléments quelque peu éloignés de l'opérateur, permettant à l'opérateur de se plier, de courir, et d'effectuer aisément d'autres mouvements différents du corps, pratiquement sans  This system, like its predecessor Hardiman, includes a wear worn by the user. Unlike the Hardiman suit, the Pitman is more flexible and has many subsystems that offer protection against piercing bullets, biological and chemical weapons, and nuclear and laser effects. The Pitman proposal does not explain how to control the movement of the habit. Other developments have been made in the creation of an anthropomorphic structure that will improve the capabilities of a human being, without however involving cumbersome and inflexible clothes, but rather including elements somewhat remote from the operator, allowing the operator to bend, run, and easily perform other different body movements, virtually without

contrainte de la part du système.constraint on the part of the system.

Les efforts pour développer ce type de systèmes exosquelettiques se sont principalement limités au développement de bras mécanisés. Le travail réalisé par Stephen Jacobsen, à l'Université de l'Utah, sur un bras anthropomorphique à 10 degrés de liberté,  Efforts to develop this type of exoskeletal systems have been mainly limited to the development of mechanized arms. The work done by Stephen Jacobsen, at the University of Utah, on an anthropomorphic arm with 10 degrees of freedom,

actionné hydrauliquement, en est une illustration. Le bras est de type esclave télécommandé et correspond de fa-  hydraulically actuated, is an illustration. The arm is remotely controlled slave type and corresponds

çonbi-univoque avec son maitre. Le maitre réfléchissant la charge est équivalent au bras de l'opérateur. Lorsque l'esclave saisit un objet, le maître exosquelettique25 applique des charges aux bras et aux doigts de l'opérateur qui sont directement proportionnelles aux charges appliquées à l'objet. Un inconvénient de ce système, que l'on retrouve sur tous les systèmes maître/esclave, réside dans sa grande complexité, qui exige, tel qu'il se présente, deux ensembles  one-to-one with his master. The master reflecting the load is equivalent to the arm of the operator. When the slave grabs an object, the exoskeletal master applies loads to the arms and fingers of the operator that are directly proportional to the loads applied to the object. A disadvantage of this system, which is found on all master / slave systems, lies in its great complexity, which requires, as it stands, two sets

d'actionneurs, de capteurs, et d'électronique.  actuators, sensors, and electronics.

Plus récemment, H. Kazerooni, d'abord à l'Institut de Technologie du Massachussetts, et plus récemment à l'Université de Californie, à Berkeley, a développé des bras mécanisés utilisant des systèmes basés sur l'actionnement direct de l'esclave. Les extendeurs" actionnés augmentent la force naturelle du bras de l'utilisateur. Le contact physique à l'interface entre l'extendeur et l'opérateur autorise le transfert de la puissance mécanique et des signaux d'information. La commande de l'extendeur est donc assurée sans manette, clavier, ou système maître/esclave. Dans le système de Kazerooni, l'utilisateur introduit son bras dans un cylindre en caoutchouc placé à l'intérieur de l'extendeur. Des capteurs de force piézoélectriques, placées entre le cylindre et l'enveloppe extérieure de l'extendeur, détectent les charges interactives entre le bras de l'utilisateur et la machine. Un second ensemble de capteurs de force détermine le poids et l'accélération de la charge manoeuvrée. Des processeurs parallèles définissent la dynamique du mouvement de l'opérateur, en adaptant  More recently, H. Kazerooni, first at the Massachusetts Institute of Technology, and more recently at the University of California at Berkeley, developed mechanized arms using slave-based systems. . The "actuated" extenders increase the natural strength of the user's arm.The physical contact at the interface between the extender and the operator allows the transfer of mechanical power and information signals. This is ensured without a joystick, keypad, or master / slave system.In Kazerooni's system, the user enters his arm into a rubber cylinder inside the extender.Piezoelectric force sensors, placed between the the outer casing of the extender, detect interactive loads between the user's arm and the machine, and a second set of force sensors to determine the weight and acceleration of the manipulated load. dynamic movement of the operator, adapting

l'impédance de la machine à celle de l'opérateur.  the impedance of the machine to that of the operator.

Parce que la réflexion de charqe intervient naturellement, le bras humain ressent une version réduite des charges  Because the reflection of charqe intervenes naturally, the human arm feels a reduced version of the charges

appliquées à l'extendeur.applied to the extender.

Bien que le système de commande de charge de Kazerooni soit nettement moins complexe que les systèmes précédents, un tel système ne peut cependant pas être appliqué pour augmenter les aptitudes des jambes de l'utilisateur, qui requièrent un système plus sophistiqué pour capter et interpréter correctement les  Although the Kazerooni charge control system is significantly less complex than previous systems, such a system can not be applied to increase the user's leg skills, which require a more sophisticated system to capture and interpret correctly. the

problèmes de stabilité inhérents à un tel système.  stability problems inherent in such a system.

Dans de nombreuses applications, c'est l'amélioration du fonctionnement des jambes de l'utilisateur, telle l'aptitude à marcher rapidement et pendant un temps prolongé, qui constitue le point important. Ces systèmes permettent à l'utilisateur de  In many applications, it is the improvement of the operation of the user's legs, such as the ability to walk quickly and for a prolonged time, which is the important point. These systems allow the user to

détecter le centre de gravité de l'ensemble homme-  detect the center of gravity of the whole man-

machine et d'accoupler dynamiquement l'utilisateur à la machine. Un système au moins a été développé pour améliorer les capacités des jambes de l'utilisateur. Le système, connu sous le nom de Spring Walker, est décrit dans le brevet américain No. 5 016 869. Le Spring Walker se caractérise par des prolongateurs de jambes I0 reliés à un ensemble de ressorts et de poulies qui emmagasinent et libèrent alternativement l'énergie nécessaire pourproduire une locomotionplusefficace. Le Springwalker, qui comprend une paire d'articulations orientées vers l'arrière, autorise des sauts équivalents à ceux du trampoline et de grands pas, en utilisant les ressorts emmagasinant l'énergie, l'utilisateur étant supporté par la machine. La commande du dispositif est réalisée par une liaison mécanique  machine and dynamically couple the user to the machine. At least one system has been developed to improve the capabilities of the user's legs. The system, known as Spring Walker, is described in U.S. Patent No. 5,016,869. The Spring Walker is characterized by I0 leg extensions connected to a set of springs and pulleys that alternately store and release the spring. energy needed to produce efficient locomotion. The Springwalker, which includes a pair of rear-facing joints, allows jumps equivalent to those of the trampoline and large steps, using the energy storage springs, the user being supported by the machine. The control of the device is achieved by a mechanical connection

directe entre l'utilisateur et lamacnine. Bien que le dispo-  direct between the user and lamacnine. Although the

sitif soit utile dans certains contextes précis, le Spring- walker souffre d'un problème de stabilité en position de repos.  Although it is useful in certain specific contexts, the Spring-Walker suffers from a stability problem in the rest position.

Le dispositif est de lui-même instable lorsqu'il n'est pas en mouvement. De plus, le couplage de l'utilisateur et de la machine est tel que la liberté de mouvement de25 l'utilisateur est très limitée.  The device itself is unstable when not in motion. In addition, the coupling of the user and the machine is such that the freedom of movement of the user is very limited.

Il existe donc un besoin largement reconnu, et qu'il serait extrêmement avantageux de satisfaire, d'un système exosquelettique à l'impédance commandée pour améliorer l'aptitude de l'utilisateur à marcher, courir, sauter, etc., qui fournirait une amplification de la charge mécanique, incluant par exemple, l'aptitude à porter des charges utiles, y compris le poids du système lui-même et au moins une partie du poids de l'utilisateur, qui garantira équilibre et stabilité, et que l'utilisateur pourra  There is thus a widely recognized need, and that it would be extremely advantageous to satisfy, from an exoskeletal system to the controlled impedance to improve the user's ability to walk, run, jump, etc., which would provide a amplification of the mechanical load, including, for example, the ability to carry payloads, including the weight of the system itself and at least a portion of the user's weight, which will ensure balance and stability, and user can

revêtir et retirer rapidement et facilement.  put on and take off quickly and easily.

RESUME DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION

Selon la présente invention, il est proposé un appareil exosquelettique pour aider l'utilisateur à porter une charge utile tout en se déplaçant sur le sol, comprenant: (a) un membre de jambe droite relié au pied droit de l'utilisateur de manière à transmettre directement au sol des charges du membre de jambe droite; (b) un membre de jambe gauche relié au pied gauche de l'utilisateur de manière à transmettre directement au sol des charges du membre de jambe gauche; et (c) une liaison charge utile/utilisateur reliée à la charge et, de plus, au membre de jambe droite et au membre de jambe gauche, ladite liaison charge utile/utilisateur étant placée de manière que les charges exercées par l'utilisateur sur la liaison charge utile/utilisateur agissent pour guider le  In accordance with the present invention, there is provided an exoskeletal apparatus for assisting the user in carrying a payload while traveling on the ground, comprising: (a) a right leg member connected to the user's right foot so as to transmit directly to the ground loads of the right leg member; (b) a left leg member connected to the user's left foot so as to transmit loads of the left leg limb directly to the ground; and (c) a payload / user link connected to the load and, in addition, to the right leg member and the left leg member, said payload / user link being positioned so that the loads exerted by the user on the payload / user link act to guide the

mouvement de l'appareil.movement of the device.

Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, les membres des jambes sont reliés aux membres des pieds, lesquels sont attachés aux pieds de  In the preferred embodiments of the invention, the limbs of the legs are connected to the limbs of the feet, which are attached to the feet of the legs.

l'utilisateur.the user.

En outre, selon la présente invention, l'appareil exosquelettique pour aider un utilisateur à porter une charge utile pendant son déplacement au sol comprend de plus: (1) une paire de capteurs pour détecter les charges entre chacun des membres du pied et le pied respectif de l'utilisateur; (2) une paire de capteurs pour détecter les charges entre chacun des membres du pied et le sol; (3) un capteur pour détecter les charges entre l'utilisateur et la liaison charge utile/utilisateur; (4) un actionneur pour le membre de la jambe droite; (5) un actionneur pour le membre de la jambe gauche; (6) un système de commande relié aux capteurs et aux actionneurs pour commander le mouvement de l'appareil. Selon d'autres caractéristiques encore des modesderéalisationpréférés décrits, le membre de la jambe droite et le membre gauche comprennent chacun un repose-pieds placé essentiellement entre le pied de10 l'utilisateur et le sol, et au moins deux segments, lesdits segments étant reliés l'un à l'autre par une articulation, et le membre porteur de la charge utile comprend un appareil pour supporter partiellement au  Further, in accordance with the present invention, the exoskeletal apparatus for assisting a user to carry a payload while on the ground further includes: (1) a pair of sensors for sensing loads between each leg member and the foot respective user; (2) a pair of sensors for detecting loads between each leg member and the ground; (3) a sensor for detecting loads between the user and the payload / user link; (4) an actuator for the right leg limb; (5) an actuator for the limb of the left leg; (6) a control system connected to the sensors and actuators to control the movement of the apparatus. According to still other features of the foregoing preferred embodiments, the right leg limb and the left limb each comprise a footrest placed substantially between the user's foot and the ground, and at least two segments, said segments being connected to each other. to one another by a hinge, and the payload carrying member includes an apparatus for partially supporting the

moins le poids de l'utilisateur.less the weight of the user.

La présente invention pallie ainsi de manière satisfaisante les inconvénients des configurations actuellement connues en proposant un système exosquelettique commandé en impédance relativement flexible et aisé à déployer, qui est capable d'améliorer les capacités de marche, de course, de saut, de port de charges utiles et d'emploi de charges, et qui a un  The present invention thus satisfactorily overcomes the drawbacks of currently known configurations by proposing a relatively flexible and easy to deploy impedance-controlled exoskeletal system, which is capable of improving the walking, running, jumping and load-carrying capacities. and use of charges, and who has a

équilibre et une stabilité adéquates.  adequate balance and stability.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS ET DES ANNEXES  BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS AND APPENDICES

L'invention est décrite ici au moyen uniquement d'exemples, en référence aux appendices et aux dessins annexés dans lesquels:30 La Fig. 1 est une vue latérale d'un appareil selon la présente invention, tel qu'il apparaît lorsque l'utilisateur est en position debout; La fig. 2 est une vue de l'appareil de la fig. 1, lorsque l'utilisateur marche; La fig. 3 est une vue de l'appareil de la fig. 1, lorsque l'utilisateur marche ou court; La fig. 4 est identique à la fig. 3, mais montre, en plus, l'appareil de support d'une partie du poids de l'utilisateur; La fig. 5 est identique à la fig. 3, mais montre en plus des patins de machine secondaires placés sous les pieds de l'utilisateur; La fig. 6 est une vue latérale schématique o d'un appareil, selon la présente invention, montrant les interfaces entre l'utilisateur et l'appareil, et entre l'appareil et le sol ou la charge utile;  The invention is described herein by way of example only, with reference to the appendices and the accompanying drawings in which: FIG. 1 is a side view of an apparatus according to the present invention, as it appears when the user is in a standing position; Fig. 2 is a view of the apparatus of FIG. 1, when the user walks; Fig. 3 is a view of the apparatus of FIG. 1, when the user walks or runs; Fig. 4 is identical to FIG. 3, but shows, in addition, the apparatus for supporting a portion of the weight of the user; Fig. 5 is identical to FIG. 3, but in addition shows secondary machine pads placed under the feet of the user; Fig. 6 is a schematic side view of an apparatus according to the present invention showing the interfaces between the user and the apparatus, and between the apparatus and the ground or the payload;

La fig. 7 est une description schématique des  Fig. 7 is a schematic description of

éléments constitutifs d'un appareil selon la présente invention;  constituent elements of an apparatus according to the present invention;

La fig. 8 est une description schématique de  Fig. 8 is a schematic description of

certains composants-clé d'un appareil selon la présente invention La fig. 9 illustre le concept général du système maître/esclave; La fig. 10 illustre le concept général d'un système selon la présente invention, dans lequel un être humain commande directement un esclave;  certain key components of an apparatus according to the present invention FIG. 9 illustrates the general concept of the master / slave system; Fig. 10 illustrates the general concept of a system according to the present invention, in which a human being directly controls a slave;

La fig. 11 est une description schématique de  Fig. 11 is a schematic description of

suivi avec commande d'impédance; La fig. 12 montre le système de la figure 11 en état idéal; La fig. 13 est une vue en coupe avant d'un appareil portant une charge utile passive, selon la présente invention; La fig. 14 est une vue latérale de l'appareil de la fig. 16; La fig. 15 est une vue de face de l'appareil représenté sur les figures 13 et 14, montrant des détails de construction; La fig. 16 est une vue latérale de l'appareil de la fig. 15; La fig. 16A est une vue de l'ensemble de la hanche de l'appareil des figures 15 et 16; La fig. 16B est une autre vue de l'ensemble de la hanche de la fig. 16A; La fig. 16C est une vue de la partie chaussure de l'appareil des figures 15 et 16; La fig. 16D est une autre vue de la partie chaussure de la fig. 16C; la fig. 17 est une vue latérale d'une chaussure montrant un dispositif de stockage d'énergie fixé à la semelle; La fig. 18 est une vue de dessous de la chaussure de la fig. 17; La fig. 19 est une vue latérale illustrant l'élément élastique 74 de la fig. 6, pris en sandwich entre l'interface 48 de la fig. 6 et le sol; La fig. 20 est une illustration de la charge , du stabilisateur de charge utile 68, de l'élément élastique 90, et du bâti 14 de la fig. 6; La fig. 21 est une vue latérale détaillée illustrant l'association entre le bâti de charge utile 14 et la ceinture 56 de la fig. 6; La fig. 22 est une illustration d'un appareil exosquelettique construit et fonctionnant selon un autre mode de réalisation del'inventionquiestdestiné à faciliter l'action de pédalage d'un utilisateur humain; La fig. 23 est une illustration du connecteur de la fig. 6; La fig. 24 est une illustration vectorielle schématique de la structure de base d'un système de commande utilisé dans le fonctionnement de la présente invention; La fig. 25 est une illustration schématique idéale du système représenté à la fig. 24; La fig. 26 est une illustration schématique du fonctionnement de l'appareil selon la présente invention, fixé sur une bicyclette de mise en forme; La fig. 27 est une illustration schématique d'un système de commande intervenant dans le fonctionnement de l'appareil, lorsque celui-ci est fixé sur la bicyclette de mise en forme; La fig. 28 est une illustration schématique de la boucle de vitesse d'asservissement basée sur la  tracking with impedance control; Fig. Figure 12 shows the system of Figure 11 in an ideal state; Fig. 13 is a front sectional view of an apparatus carrying a passive payload, according to the present invention; Fig. 14 is a side view of the apparatus of FIG. 16; Fig. 15 is a front view of the apparatus shown in Figures 13 and 14, showing construction details; Fig. 16 is a side view of the apparatus of FIG. 15; Fig. 16A is a view of the entire hip of the apparatus of Figures 15 and 16; Fig. 16B is another view of the entire hip of FIG. 16A; Fig. 16C is a view of the shoe portion of the apparatus of Figures 15 and 16; Fig. 16D is another view of the shoe part of FIG. 16C; fig. 17 is a side view of a shoe showing an energy storage device attached to the sole; Fig. 18 is a bottom view of the shoe of FIG. 17; Fig. 19 is a side view illustrating the elastic member 74 of FIG. 6, sandwiched between the interface 48 of FIG. 6 and the ground; Fig. 20 is an illustration of the load, payload stabilizer 68, resilient member 90, and frame 14 of FIG. 6; Fig. 21 is a detailed side view illustrating the association between the payload frame 14 and the belt 56 of FIG. 6; Fig. 22 is an illustration of an exoskeletal apparatus constructed and operating according to another embodiment of the invention which is intended to facilitate the pedaling action of a human user; Fig. 23 is an illustration of the connector of FIG. 6; Fig. 24 is a schematic vector illustration of the basic structure of a control system used in the operation of the present invention; Fig. 25 is an ideal schematic illustration of the system shown in FIG. 24; Fig. 26 is a schematic illustration of the operation of the apparatus according to the present invention fixed on a shaping bicycle; Fig. 27 is a schematic illustration of a control system involved in the operation of the apparatus, when it is attached to the shaping bicycle; Fig. 28 is a schematic illustration of the servo speed loop based on the

méthode CTT.CTT method.

L'annexe A est une simulation logicielle d'un appareil exosquelettique utilisépour faciliter l'action  Annex A is a software simulation of an exoskeletal device used to facilitate action

de pédalage fixe.stationary pedaling.

DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFEREES  DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

La présente invention porte sur un appareil robotique exosquelettique commandé en impédance qui peut être utilisé pour améliorer l'aptitude d'un  The present invention relates to an impedance-controlled, exoskeletal robotic apparatus that can be used to enhance the fitness of a

utilisateur à marcher et à porter des charges utiles.  user to walk and carry payloads.

On comprendra mieux les principes et le fonctionnement d'un appareil exosquelettique de marche améliorée, commandé en impédance, selon la présente invention, en se référant aux dessins et à la  The principles and operation of an improved, impedance controlled, walking exoskeletal apparatus according to the present invention will be better understood by reference to the drawings and

description d'accompagnement.accompanying description.

En se référant aux dessins, la figure 1 illustre une forme de réalisation possible d'un appareil selon la présente invention, avec l'utilisateur en position debout. L'appareil comprend un membre de jambe droite 10 qui est de préférence fixé à sa partie inférieure de manière appropriée à un membre de pied droit 18 lequel est, à son tour, fixé de manière adéquate au pied droit de l'utilisateur. Le positionnement du membre de jambe droite 10 et du membre de pied droit 18 est tel que les charges du membre de jambe droite 10 peuvent être transmises directement au sol, chaque fois que le membre de pied droit 18 est en contact avec le sol, sans avoir à transiter par une partie quelconque du corps de l'utilisateur.  Referring to the drawings, FIG. 1 illustrates a possible embodiment of an apparatus according to the present invention, with the user in a standing position. The apparatus includes a right leg member 10 which is preferably attached to its bottom portion in a manner appropriate to a right foot member 18 which is, in turn, suitably secured to the right foot of the user. The positioning of the right leg member 10 and the right foot member 18 is such that the loads of the right leg member 10 can be transmitted directly to the ground, each time the right foot member 18 is in contact with the ground, without have to transit through any part of the user's body.

Dans la description et les revendications, le  In the description and the claims, the

terme "sol" est utilisé pour indiquer la partie de l'environnement de l'utilisateur qui esteninteractionavec les membres des pieds de l'appareil. Dans la plupart des cas, il s'agira de la surface du sol. Dans d'autres cas, cependant, le "sol" peut être, par exemple, la pédale d'une bicyclette, le barreau d'une échelle, et similaires. Le terme "sol" est employé uniauement par commodité, et n'a pas  term "ground" is used to indicate the part of the environment of the user who is interacting with the members of the feet of the apparatus. In most cases, this will be the surface of the soil. In other cases, however, the "floor" may be, for example, the pedal of a bicycle, the bar of a ladder, and the like. The term "soil" is used singly for convenience, and does not

pour but de limiter l'objet de la présente invention.  for the purpose of limiting the object of the present invention.

L'appareil comprend également un membre de jambe gauche 12, qui peut être fixé à un membre de pied gauche 20, similaires au membre de jambe droite 10 et au membre de pied droit 18, et de préférence identiques  The apparatus also includes a left leg member 12, which may be attached to a left foot member 20, similar to the right leg member 10 and the right foot member 18, and preferably identical

à ceux-ci, à tous points de vue.to them, in every way.

Comme le montre mieux la figure 6, chacun des membres de jambes 10 et 12 est directement ou indirectement relié, près de leurs extrémités supérieures, par un connecteur approprié 25, qui peut être actif ou passif, et qui peut comprendre d'autres composants, à un bâti de charge 14 lequel est, à son tour, relié à l'utilisateur par l'intermédiaire d'une interface bâti/utilisateur 42, ainsi qu'à une charge 40 par une interface bâti/charge utile 16. Les liaisons sont telles qu'une partie au moins de la charge exercée par la charge utile est transmise au membre de jambe droite 10 ou au membre de jambe gauche 12, lorsqu'un contact direct ou indirect intervient entre l'un ou les deux membres de jambes et le sol. De cette manière, une partie au moins de la charge totale est transmise directement au sol sans qu'une partie quelconque du corps de l'utilisateur ne soit sollicitée  As best shown in FIG. 6, each leg member 10 and 12 is directly or indirectly connected, near their upper ends, by a suitable connector 25, which may be active or passive, and which may comprise other components, to a load frame 14 which is, in turn, connected to the user via a frame / user interface 42, as well as a load 40 through a rack / payload interface 16. The links are such that at least a portion of the payload load is transmitted to the right leg member 10 or the left leg member 12, when direct or indirect contact occurs between one or both leg members and floor. In this way, at least part of the total load is transmitted directly to the ground without any part of the user's body being requested.

pour porter la charge.to carry the load.

L'interface bâti/utilisateur 42 est de préférence reliée à l'utilisateur, par exemple, par fixation au dos de celui-ci, de telle sorte que les charges, qui combinent forces et moments, exercées par l'utilisateur sur cette interface 42 agissent pour guider le mouvement de l'appareil. Les Figures 1 à 6 représentent l'interface bâti/utilisateur 42 fixée au dos de ce dernier. D'autres emplacements sont également  The frame / user interface 42 is preferably connected to the user, for example by attachment to the back of the latter, so that the loads, which combine forces and moments, exerted by the user on this interface 42 act to guide the movement of the device. Figures 1 to 6 show the frame / user interface 42 attached to the back of the latter. Other locations are also

possibles, comme décrit ci-dessous.  possible, as described below.

Chacun des membres de jambes 10 et 12 comprend, de préférence, au moins deux segments 22. Les deux segments adjacents 22 d'un membre de jambe, 10 ou 12, sont reliés l'un à l'autre par une articulation 24, qui peut être passive ou active, rigide ou flexible, et qui peut comporter un ou plusieurs composants, tel que décrit de manière plus détaillée ci-après. Les segments 22 peuvent être de type télescopique, avec un segment coulissant dans l'autre, ou par rapport à lui. Dans ce cas, l'articulation 24 constitue le point d'interaction des segments télescopiques 22. La configuration décrite permet à l'utilisateur de s'agenouiller facilement, en  Each of the leg members 10 and 12 preferably comprises at least two segments 22. The two adjacent segments 22 of a leg member, 10 or 12, are connected to each other by a hinge 24, which can be passive or active, rigid or flexible, and which may comprise one or more components, as described in more detail below. The segments 22 may be of the telescopic type, with one segment sliding in the other, or with respect to it. In this case, the articulation 24 constitutes the point of interaction of the telescopic segments 22. The configuration described allows the user to easily kneel,

posant un ou les deux genoux au sol.  posing one or both knees on the ground.

Chacun des membres de jambes 10 et 12 est de préférence fixé à proximité de son extrémité extérieure aux membres de pieds, 18 et 20, de préférence placés sensiblement entre le pied de l'utilisateur et le sol, ou au moins en partageant avec les pieds de l'utilisateur une zone de contact avec le sol pour  Each of the leg members 10 and 12 is preferably secured near its outer end to the leg members 18 and 20, preferably located substantially between the user's foot and the ground, or at least by sharing with the feet. of the user an area of contact with the ground for

permettre la transmission des charges au sol.  allow the transmission of loads on the ground.

Les figures 1 à 4 décrivent un appareil selon la présente invention tel Qu'il pourraitêtre lorsque porte  Figures 1 to 4 describe an apparatus according to the present invention such that it could be when door

par un utilisateur dans différentes positions.  by a user in different positions.

L'utilisateur représenté à la figure 1 est en position de repos. Ici, il est souhaitable que l'appareil assure la stabilité de l'utilisateur, et la sienne propre, et communique à l'utilisateur des informations sur la position du centre de gravité de l'ensemble homme/machine pour permettre à l'utilisateur d'intervenir pour stabiliser l'ensemble. La stabilisation peut être obtenue par tout système de  The user shown in Figure 1 is in the rest position. Here, it is desirable that the apparatus provides the stability of the user, and his own, and communicates to the user information on the position of the center of gravity of the man / machine together to allow the user to intervene to stabilize the whole. Stabilization can be achieved by any system of

stabilisation inertiel approprié, incluant, mais non limité, des systèmes comportant des gyroscopes.  appropriate inertial stabilization, including, but not limited to, systems incorporating gyroscopes.

La figure 2 représente une position de marche type dans laquelle, en plus de la stabilisation de l'ensemble, l'appareil doit également faciliter  FIG. 2 represents a typical operating position in which, in addition to stabilizing the assembly, the apparatus must also facilitate

l'interaction entre l'utilisateur et le sol.  the interaction between the user and the ground.

Les figures 3, 4 et 5 montrent une position de marche ou de course typique. Dans ce cas, l'appareil doit assimiler correctement la charge produite par le poids de l'utilisateur, le sien propre, et celui de la charge utile. De plus, l'appareil intervient pour  Figures 3, 4 and 5 show a typical walking or running position. In this case, the device must correctly assimilate the load produced by the weight of the user, his own, and that of the payload. In addition, the device intervenes to

stabiliser la charge utile par rapport à l'utilisateur.  stabilize the payload relative to the user.

L'appareil de la figure 4 se caractérise par un support 30, généralement sous forme de selle, destiné à soutenir au moins une partie du poids de l'utilisateur, afin d'améliorer davantage l'aptitude de l'utilisateur à se déplacer plus rapidement et plus longtemps. La figure 5 montre l'appareil de la figure 3 avec des articulations supplémentaires qui tendent à séparer davantage les pieds de l'utilisateur, qui  The apparatus of FIG. 4 is characterized by a carrier 30, generally in saddle form, for supporting at least a portion of the user's weight, to further enhance the user's ability to move more faster and longer. Figure 5 shows the apparatus of Figure 3 with additional hinges which tend to further separate the user's feet, which

s appuient sur une partie supérieure 32 du repose-  s rest on an upper part 32 of the

pieds, du sol, lequel vient en contact avec la partie inférieure 34 du repose-pieds, écarté de la partie supérieure 32. Une telle configuration allonge en effet les jambes de l'utilisateur qui peut ainsi se déplacer  feet, soil, which comes into contact with the lower portion 34 of the footrest, spaced from the upper portion 32. Such a configuration indeed extends the legs of the user who can move

plus rapidement.faster.

Dans unmodederéalisation préféré d'un appareil selon la présente invention, présenté à la figure 6, et décrit en partie ci-dessus, l'interface b&ti/charge utile 16 est placée à proximité du dos de l'utilisateur pour supporter une charge utile 40. L'interface bâti/charge utile 16 est, à son tour, supportée par le bâti de charge utile 14 qui est fixé, par une interface  In a preferred embodiment of an apparatus according to the present invention, shown in FIG. 6, and described in part above, the b & ti / payload interface 16 is placed near the user's back to support a payload. The rack / payload interface 16 is, in turn, supported by the payload rack 14 which is fixed by an interface

bâti/utilisateur 42, au dos de ce dernier.  frame / user 42, on the back of the latter.

Chaque membre de pied, 18 et 20, comprend de préférence un membre structural 44 relié au membre de jambe correspondant, 10 ou 12, et à une paire d interfaces: interface utilisateur/membre structural 46 et interface membre structural/sol 48. Chacune de ces interfaces peut comporter différents composants actifs ou passifs et comprend, de préférence, un ou plusieurs capteurs de force pour mesurer une ou plusieurs forces, ou un ou plusieurs moments. Les capteurs de force mesurent, de préférence, trois forces  Each leg member, 18 and 20, preferably comprises a structural member 44 connected to the corresponding leg member, 10 or 12, and a pair of interfaces: user interface / structural member 46 and structural member interface / floor 48. Each of these interfaces may comprise different active or passive components and preferably comprises one or more force sensors for measuring one or more forces, or one or more moments. The force sensors preferably measure three forces

et trois moments.and three moments.

La configuration illustrée sur la figure 6 permet au système de détecter la charge exercée par la charge utile 40, et par l'appareil et l'utilisateur, et autorise les corrections nécessaires pour que les charges engendrées par la charge utile 40 ne gênent pas l'utilisateur. Les corrections sont de préférence effectuées par une série d'actionneurs (non représentés), placés en tous endroits adéquats, y compris, mais sans y être limités, au droit des articulations 24 entre les segments adjacents 22. Les signaux envoyés par les différents capteurs de force sont reçus et analysés par un système de contrôle, décrit plus en détail ci- dessous, qui génère des commandes en direction des différents actionneurs pour permettre à l'appareil de  The configuration illustrated in FIG. 6 enables the system to detect the load exerted by the payload 40, and by the apparatus and the user, and authorizes the necessary corrections so that the loads generated by the payload 40 do not interfere with the load. 'user. The corrections are preferably made by a series of actuators (not shown), placed in all appropriate places, including, but not limited to, the right of the joints 24 between the adjacent segments 22. The signals sent by the different sensors force are received and analyzed by a control system, described in more detail below, which generates commands towards the various actuators to enable the apparatus to

fonctionner correctement.working properly.

La figure 7 décrit schématiquement l'ensemble du système. Le système complet comprend l'utilisateur, la machine, la charge utile, et une série d'interfaces entre la machine et l'utilisateur, entre la machine et la charge utile, et entre la machine et le sol. Les charges sont transmises dans les deux sens à l'endroit de chaque interface. Le système comporte également, de préférence, une alimentation pour augmenter la  Figure 7 schematically describes the entire system. The complete system comprises the user, the machine, the payload, and a series of interfaces between the machine and the user, between the machine and the payload, and between the machine and the ground. Charges are transmitted in both directions at each interface. The system also preferably includes a power supply to increase the

puissance des muscles de l'utilisateur.  power of the user's muscles.

La figure 8 représente certains composants de la machine. Les données des capteurs sont acheminées vers une UC qui calcule les trajectoires désirées des différentes liaisons, lesquelles liaisons peuvent être rigides ou flexibles. Les informations servent à piloter une unité de servo-commande qui envoie des commandes appropriées aux différents actionneurs, qui peuvent comprendre différents pistons hydrauliques, pneumatiques, ou les deux à la fois. Les capteurs de réaction ferment la boucle de réaction, en surveillant l'activité des actionneurs et en envoyant les informations vers la servo-commande. Les actionneurs engendrent des forces qui commandent différents mécanismes lesquels, à leur tour, entraînent les  Figure 8 shows some components of the machine. The sensor data is routed to a CPU that calculates the desired paths of the different links, which links may be rigid or flexible. The information is used to drive a servo control unit that sends appropriate commands to the various actuators, which may include different hydraulic pistons, pneumatic pistons, or both. The feedback sensors close the feedback loop, monitoring the activity of the actuators and sending the information to the servo drive. Actuators generate forces that control different mechanisms which, in turn, drive the

différentes liaisons de la manière souhaitée.  different links in the desired way.

Contrairement à un système maître/esclave, le système conforme à la présente invention exige des mouvements de l'utilisateur pour activer directement la machine. La figure 9 représente un système maître/esclave typique. Dans un tel système, les commandes en provenance de l'utilisateur pilote le maître. Le5 maître, à son tour, commande l'esclave en interaction  Unlike a master / slave system, the system according to the present invention requires user movements to directly activate the machine. Figure 9 shows a typical master / slave system. In such a system, commands from the user drive the master. The master, in turn, controls the slave in interaction

avec l'environnement.with the environment.

A l'opposé, dans un système selon la présente invention, illustré schématiquement à la figure 10, il y a une interaction dynamique directe entre l'utilisateur et l'esclave. Le système est piloté en utilisant une commande d'impédance, en mode passif ou bien actionné. L'avantage de ce système réside dans sa simplicité, grâce à l'absence d'unité maître qui normalement complique grandement le système, en nécessitant un15 second ensemble de capteurs, d'actionneurs, et  In contrast, in a system according to the present invention, diagrammatically illustrated in FIG. 10, there is a direct dynamic interaction between the user and the slave. The system is controlled using an impedance control, in passive mode or actuated. The advantage of this system lies in its simplicity, thanks to the absence of a master unit which normally greatly complicates the system, requiring a second set of sensors, actuators, and

d'équipement associé.associated equipment.

La figure 11 expose schématiquement un contrôle d'impédance possible. L'utilisateur génère certaines forces qui sont détectées par des capteurs de charge. Les signaux émis par les capteurs de charge sont ensuite analysés, et le sous-système de contrôle d'impédance transmet des commandes de vitesse à la boucle d'asservissement, qui interagit avec l'environnement. Les vitesses produites par la boucle d'asservissement sont renvoyées à l'utilisateur pour fournir à l'utilisateur l'état en temps réel de l'ensemble homme/machine. La figure 12 montre un système idéal, comportant des capteurs adéquats, qui pilotent instantanément la boucle d'asservissement,  Figure 11 shows schematically a possible impedance control. The user generates certain forces that are detected by load sensors. The signals emitted by the load sensors are then analyzed, and the impedance control subsystem transmits speed commands to the servo loop, which interacts with the environment. Speeds produced by the servo loop are returned to the user to provide the user with the real-time status of the man / machine set. FIG. 12 shows an ideal system, including suitable sensors, which instantly control the servo loop,

ainsi qu'un modèle d'impédance à précision parfaite.  as well as a model of impedance with perfect precision.

Dans un ensemble de modes de réalisation de systèmes selon la présente invention, le dispositif est passif en ce qu'il ne comprend pas d'actionneurs ni d'alimentation. Les figures 13 à 16 illustrent de telles modes de réalisation. Les figures 13 et 14 sont, respectivement, des vues de face et de côté simplifiées  In a set of system embodiments according to the present invention, the device is passive in that it does not include actuators or power supply. Figures 13 to 16 illustrate such embodiments. Figures 13 and 14 are, respectively, simplified front and side views

d'un dispositif employé pour porter des charges utiles.  a device used to carry payloads.

Le dispositif incorpore une paire de membres de jambes, 110 et 112, dont chacun est relié, à son extrémité inférieure, à un membre de pied, 118 et 120, qui sont, à leur tour, fixés de manière adéquate, aux pieds de l'utilisateur, de façon que les charges s'appliquant sur un membre de jambe, 110 ou 112, ou les deux, soient transmises directement au sol, chaque fois que le pied de l'utilisateur fixé audit membre de pied est en  The device incorporates a pair of leg members, 110 and 112, each of which is connected at its lower end to a leg member, 118 and 120, which are, in turn, securely attached to the feet of the leg. user, so that the loads on one leg member, 110 or 112, or both, are transmitted directly to the ground, whenever the user's foot is fixed to said foot member

contact avec le sol.contact with the ground.

Les extrémités supérieures des membres de jambes, 110 et 112, sont reliées, d'une manière appropriée, à un harnais 150 ou un bâti qui, dans une forme de réalisation préférée, entoure l'utilisateur à la ceinture, et est de préférence relié, d'une manière adéquate, à l'utilisateur. Le harnais 150 peut accepter une charge utile (non représentée), par exemple, en attachant avec une sangle la charge utile au harnais  The upper ends of the leg members, 110 and 112, are suitably connected to a harness 150 or frame which, in a preferred embodiment, surrounds the user at the waist, and is preferably connected to in a suitable way to the user. The harness 150 can accept a payload (not shown), for example, by attaching the payload to the harness with a strap.

, ou en plaçant ladite charge sur ledit harnais.  , or placing said load on said harness.

Le principe de fonctionnement de ce type de dispositif porteur de charge utile est que, à tout moment, et lorsque l'utilisateur se déplace en marchant, un pied au moins de celui-ci est en contact avec le sol. Puisque les membres de pieds sont fixés de manière adéquate aux pieds de l'utilisateur, chaque fois que l'un de ceux-ci vient en contact avec le sol, le membre de pied correspondant vient également en contact avec ce dernier, autorisant ainsi la transmission des charges supportées par le membre de jambe correspondant. Les membres de jambes sont reliés par un harnais commun qui, à son tour, supporte la charge utile à transporter. Une conception appropriée  The operating principle of this type of payload carrying device is that, at any time, and when the user moves while walking, at least one leg of the user is in contact with the ground. Since the foot members are suitably attached to the user's feet, whenever one of these comes into contact with the ground, the corresponding foot member also comes into contact with the ground, thereby allowing transmission of loads supported by the corresponding leg member. The leg members are connected by a common harness which, in turn, supports the payload to be transported. An appropriate design

du système, telle que décrite plus en détails ci-  of the system, as described in more detail below.

dessous, assure le déplacement du poids du système, charge utile comprise, lorsque les pieds de l'utilisateur, alternativement, prennent contact avec5 le sol et se soulèvent du sol. Le déplacement de la charge estaccompli de façon analogue au fonctionnement de l'articulation de la hanche humaine, telle que  below, ensures the movement of the weight of the system, including payload, when the feet of the user, alternatively, make contact with the ground and rise from the ground. The displacement of the load is accomplished in a manner analogous to the operation of the human hip joint, such as

décrite de manière plus détaillée ci-dessous.  described in more detail below.

Les figures 15 et 16, représentent, respectivement, une version plus détaillée d'un dispositif porteur de charge utile, décrit de manière générale ci-dessus, en vue de face et de côté, ainsi qu'en vues rapprochées de parties de l'appareil  FIGS. 15 and 16 show, respectively, a more detailed version of a payload carrying device, generally described above, in front and side view, as well as in close-up views of parts of the apparatus

illustré aux figures 16A à 16D.illustrated in Figures 16A-16D.

L'appareil comprend un bâti de support de charge 400 sur lequel plusieurs charges (non représentées) peuvent être fixées ou placées d'une manière appropriée. Un ensemble de stabilisation de hanche 402, décrit plus en détail ci-dessous, en référence aux figures 16A et 16B, est fixé de façon rigide au bâti de support de charge 400. L'ensemble de stabilisation de hanche 402 est relié, par une articulation de hanche 404, à une tige de cuisse 406, laquelle, à son tour, est reliée à une articulation de genou 408. L'articulation de genou 408 relie la tige de cuisse 406 à une tige 410 qui est, à son tour, reliée à une articulation de cheville 412. L'articulation de cheville 412 est reliée rigidement à la chaussure de l'utilisateur 444, de préférence, au talon de la  The apparatus comprises a load support frame 400 on which a plurality of loads (not shown) can be attached or placed in a suitable manner. A hip stabilization assembly 402, described in more detail below with reference to Figs. 16A and 16B, is rigidly attached to the load support frame 400. The hip stabilization assembly 402 is connected by a hip joint 404, to a thigh pin 406, which in turn is connected to a knee joint 408. The knee joint 408 connects the leg 406 to a pin 410 which is, in turn, connected to an ankle joint 412. The ankle joint 412 is rigidly connected to the user's shoe 444, preferably at the heel of the

chaussure 412.shoe 412.

Le bâti de support de charge 400 (qui n'est pas représenté sur la figure 16, pour plus de clarté) est de préférence rigide. L'interface entre l'utilisateur et le bâti de support de charge 400 est, de préférence, placée au niveau de la ceinture de l'utilisateur, zone du dos comprise. L'interface est de préférence assurée par une série de plaques de contact de tronc bien situées 414. Les plaques de contact 414 sont placées de manière à permettre à l'utilisateur de transmettre au bâti de support de charge 400 les forces  The load support frame 400 (not shown in Fig. 16 for clarity) is preferably rigid. The interface between the user and the load support frame 400 is preferably located at the wearer's waistband, including the back area. The interface is preferably provided by a series of well located trunk contact plates 414. The contact plates 414 are positioned to allow the user to transmit to the load support frame 400 the forces

horizontales nécessaires à guider l'appareil.  horizontals necessary to guide the device.

Les plaques de contact 414 sont placées de manière à autoriser un jeu vertical relativement libre entre elles et l'utilisateur, de sorte qu'aucune des charges verticales associées à la charge utile  The contact plates 414 are placed so as to allow a relatively free vertical clearance between them and the user, so that none of the vertical loads associated with the payload

supportée ne puissent être transmises à l'utilisateur.  supported can not be transmitted to the user.

Comme on pourra le constater, chaque fois que l'utilisateur lève l'une de ses jambes du sol, la partie de l'appareil sur le côté de la jambe levée a une forte tendance à s'écraser sous le poids combiné de la charge et du poids de l'appareil lui-même. Pour pallier cet inconvénient, on utilise un ensemble de stabilisation de hanche 402, représenté de manière plus détaillée sur les figures 16A et 16B. L'ensemble de stabilisation de hanche 402 comprend un membre supérieur 420, dont une partie est reliée rigidement au bâti de support de charge 400, par l'intermédiaire d'une paire de boulons 422, qui fixe une partie du bâti de support de charge 400 dans une fente 424, ménagée  As will be seen, each time the user lifts one of his legs off the ground, the part of the apparatus on the side of the leg raised has a strong tendency to crash under the combined weight of the load and the weight of the device itself. To overcome this disadvantage, a hip stabilization assembly 402 is used, shown in more detail in FIGS. 16A and 16B. The hip stabilization assembly 402 includes an upper limb 420, a portion of which is rigidly connected to the load support frame 400, via a pair of bolts 422, which secures a portion of the load support frame. 400 in a slot 424, arranged

dans une partie du membre supérieure 420.  in a portion of the upper limb 420.

La partie inférieure du membre supérieur 420 est reliée par pivot, sur une articulation transversale 426, à un bras supérieur 428 s'étendant depuis l'articulation de hanche 404. Il faut noter que l'axe de pivotement de l'articulation transversale 426 est perpendiculaire à celui de l'articulation de hanche 404. La combinaison des deux pivots permet un mouvement circulaire avec deux degrés de liberté entre le bâti de  The lower portion of the upper limb 420 is pivotally connected, on a transverse joint 426, to an upper arm 428 extending from the hip joint 404. It should be noted that the pivot axis of the transverse joint 426 is perpendicular to that of the hip joint 404. The combination of the two pivots allows a circular movement with two degrees of freedom between the frame of

support de la charge 400 et la tige de cuisse 406.  support of the load 400 and the leg 406.

Pour neutraliser la tendance de l'appareil à s'affaisser d'un côté lorsque l'utilisateur lève sa jambe, le dispositif suivant est proposé. Un insert 430, boulonné au bras supérieur 428, s'étend latéralement de manière à être sensiblement parallèle à et placé au- dessous d'un prolongement du membre supérieur 420. Le prolongement du membre supérieur 420 est relié à un disque 434, par un connecteur 432, qui peut être une vis réglable, et qui traverse l'insert 430. Entre le disque 434 et l'insert 430, et entre l'insert 430 et le prolongement du membre supérieur 420, se trouvent des éléments amortisseurs de charge appropriés, comme, par exemple, différents caoutchoucs,  To neutralize the tendency of the apparatus to collapse on one side when the user lifts his leg, the following device is proposed. An insert 430, bolted to the upper arm 428, extends laterally so as to be substantially parallel to and placed below an extension of the upper limb 420. The extension of the upper limb 420 is connected to a disc 434 by a connector 432, which may be an adjustable screw, which passes through the insert 430. Between the disk 434 and the insert 430, and between the insert 430 and the extension of the upper member 420, there are appropriate load-damping elements like, for example, different rubbers,

ressorts, et similaires.springs, and the like.

L'ensemble de stabilisation de hanche 402 fonctionne de la manière suivante. Lorsque l'utilisateur lève une jambe du sol, la partie de l'appareil placée du côté de la jambe levée tend à tomber, ou à pivoter autour de l'autre pied vers le corps de l'utilisateur. Le mouvement vers le bas entraîne un mouvement de pivotement autour du point d'articulation 426. Cependant, le mouvement de pivotement est amorti et largement éliminé par la résistance des éléments amortisseurs qui entrent en jeu lorsque l'insert 430 s'approche du prolongement du membre supérieur 420. De cette manière, la hanche est stabilisée en lui évitant de tomber pendant que la jambe de l'utilisateur n'est pas en contact avec le sol. De la même manière, lorsque l'utilisateur lève une jambe et plie son genou pour se baisser, l'articulation du genou 408 fléchit. Il est important que l'articulation du genou se redresse avant la pose de l'arrière du pied sur le sol. Pour ce faire, l'appareil est muni (voir figures 15 et 16) d'une paire de guides de cuisse 436, qui sont reliés aux tiges de cuisse 406, de manière qu'un mouvement vers l'avant de5 la cuisse de l'utilisateur pousse un guide de cuisse 436, puis la tige de cuisse 406, également vers l'avant. La flexion de l'articulation du genou 408 provoque l'étirement d'un membre élastique 438, qui peut être une bande élastique, comme un sandow, et qui  Hip stabilization assembly 402 operates as follows. When the user lifts one leg off the ground, the part of the apparatus placed on the side of the leg lifted tends to fall, or to rotate around the other foot towards the body of the user. The downward movement causes a pivoting movement about the hinge point 426. However, the pivoting movement is damped and largely eliminated by the resistance of the damping elements which come into play when the insert 430 approaches the extension of the upper limb 420. In this way, the hip is stabilized by preventing it from falling while the user's leg is not in contact with the ground. In the same way, when the user raises one leg and bends his knee to bend down, the knee joint 408 flexes. It is important that the knee joint straighten up before placing the back of the foot on the floor. To do this, the apparatus is provided (see FIGS. 15 and 16) with a pair of leg guides 436, which are connected to thigh stems 406, so that a forward movement of the thigh of the thigh The user pushes a thigh guide 436, then thigh leg 406, also forwards. The flexion of the knee joint 408 causes the stretching of an elastic member 438, which may be an elastic band, such as a bungee cord, and which

est attaché à la tige de cuisse 406 et à la tige 410.  is attached to the thigh stalk 406 and the stalk 410.

Le membre élastique 438 est de préférence guidé par un galet de guidage 440, monté, par exemple, sur la tige de cuisse 406. A mesure que le membre élastique 438 s'étire, il emmagasine de l'énergie qui est ensuite utilisée pour amener la tige de cuisse 406 et la tige 410 en alignement, en configuration entièrement  The elastic member 438 is preferably guided by a guide roller 440, mounted, for example, on the leg 406. As the elastic member 438 stretches, it stores energy which is then used to bring about the thigh leg 406 and the rod 410 in alignment, in an entirely

étendue, avant de poser le pied au sol.  extended, before setting foot on the ground.

L'articulation de cheville 412, représentée de manière plus détaillée sur les figures 16C et 16D, comprend un ressort hélicoïdal 442 placé entre la tige 410 et un connecteur de talon 444 fixé à la chaussure,  The ankle joint 412, shown in more detail in FIGS. 16C and 16D, comprises a helical spring 442 placed between the rod 410 and a heel connector 444 attached to the boot,

de préférence au talon, de l'utilisateur.  preferably at the heel, of the user.

L'articulation de cheville 412 est destinée à amortir les chocs axiaux et à procurer une certaine flexibilité sans entraver la liberté de mouvement de la cheville de l'utilisateur. L'efficacité des systèmes selon la présente invention peut être encore améliorée, en adaptant plusieurs mécanismes appropriés de stockage de l'énergie, tels qu'un ressort, un membre élastique, ou tout système hydraulique ou pneumatique adéquat, et similaires, capables de stocker une partie au moins de l'énergie disponible, lorsque le pied de l'utilisateur est abaissé au sol, et qui peuvent réinjecter une partie au moins de l'énergie emmagasinée dans le système, de manière à réduire les besoins en énergie de l'utilisateur, du système, ou des deux à la fois. Les figures 17 et 18 et la figure 19 montrent deux exemples de ces dispositifs, qui peuvent être utilisés  The ankle joint 412 is intended to cushion the axial shocks and to provide flexibility without hindering the freedom of movement of the user's ankle. The efficiency of the systems according to the present invention can be further improved by adapting several appropriate energy storage mechanisms, such as a spring, an elastic member, or any suitable hydraulic or pneumatic system, and the like, capable of storing at least part of the energy available, when the user's foot is lowered to the ground, and which can reinject at least a portion of the energy stored in the system, so as to reduce the energy requirements of the user, system, or both at once. Figures 17 and 18 and Figure 19 show two examples of these devices, which can be used

conjointement aux chaussures de l'utilisateur.  together with the user's shoes.

Les figures 17 et 18 illustrent un dispositif à ressort qui est relié à la partie semelle de la Io chaussure de l'utilisateur. La figure 18 montre trois ensembles à ressorts. Pour plus de clarté, un seul de ces ensembles est représenté sur la vue latérale (Figure 17). Comme on peut mieux le constater sur la figure 18, l'ensemble a ressort 200 comprend, de préférence, un premier ressort 202 et un second ressort 204, de diamètres différents, montés de manière appropriée sur un axe de forme adéquate 206, relié à la semelle de la chaussure. L'élasticité des ressorts et leurs longueurs sont telles que, lorsque la chaussure  Figures 17 and 18 illustrate a spring device which is connected to the sole portion of the user's shoe. Figure 18 shows three spring assemblies. For clarity, only one of these sets is shown in the side view (Figure 17). As best seen in Fig. 18, the spring assembly 200 preferably comprises a first spring 202 and a second spring 204, of different diameters, suitably mounted on an axis of suitable shape 206, connected to the sole of the shoe. The elasticity of the springs and their lengths are such that when the shoe

s'approche du sol, seul l'un des ressorts est comprimé.  approaching the ground, only one of the springs is compressed.

Une autre approche de la chaussure du sol provoque la compression des deux ressorts, avec une élasticité générale supérieure. De cette manière, les propriétés anti-chocs de l'ensemble sont accrues, l'ensemble servant également à emmagasiner de l'énergie libérée  Another approach to the ground shoe causes the compression of both springs, with greater overall elasticity. In this way, the anti-shock properties of the assembly are increased, the assembly also serving to store released energy

une fois que la chaussure commence à quitter le sol.  once the shoe starts to leave the ground.

La figure 19 illustre un autre système d'emmagasinage de l'énergie utilisable sur les chaussures. Le talon de la chaussure comprend un ressort spécial 300, dont seules les spirales supérieure et inférieure sont montrées en coupe, et dont les spires sont reliées, respectivement, à la chaussure et à un talon mobile 302. Ce talon mobile 302 est également relié à une tige d'articulation 304 qui pivote sur un axe 306 rigidement relié à la chaussure,  Figure 19 illustrates another system for storing usable energy on shoes. The heel of the shoe comprises a special spring 300, of which only the upper and lower spirals are shown in section, and whose turns are connected, respectively, to the shoe and to a movable heel 302. This movable heel 302 is also connected to a hinge pin 304 which pivots on an axis 306 rigidly connected to the shoe,

à proximité de son extrémité avant.  near its front end.

Pendant la marche normale, l'utilisateur pose d'abord son talon sur le sol, puis avance son pied, lorsque le poids de l'utilisateur se déplace vers l'avant, de manière à placer le pied à plat sur le sol, et puis à entrer en contact avec le sol avec l'extrémité antérieure du pied juste avant de dégager  During normal walking, the user first puts his heel on the ground, then advances his foot, when the weight of the user moves forward, so as to place the foot flat on the ground, and then to come into contact with the ground with the anterior end of the foot just before clearing

son pied du sol.his foot from the ground.

Le mécanisme de la figure 19 profite de  The mechanism of Figure 19 takes advantage of

cette séquence de marche pour faciliter le mouvement.  this sequence of walking to facilitate movement.

Plus spécialement, le ressort 300 pousse normalement le talon mobile 302 vers le bas. Lorsque le talon 302 entre d'abord en contact avec le sol, la force qui s'exerce entre la chaussure et le sol comprime le ressort, en déplaçant le talon 302 vers la chaussure (représentée en traits discontinus). Lorsque la chaussure avance, le ressort 300 déplace le talon 302 vers le bas, lequel pivote sur la tige d'articulation 304, dont les parties sont toujours en contact avec le sol, de manière à produire une légère levée de la chaussure du sol, renvoyant ainsi une partie de l'énergie emmagasinée à l'utilisateur pour faciliter sa marche. Revenons maintenant de nouveau à la fig. 8 qui représente un schéma simplifié d'un mode de commande préféré de l'appareil de la fig. 6. L'appareil de la fig. 8 comprend une UC 50, de type Intel 80486, par exemple, associée à une pluralité de capteurs de force et de couple, également appelés ici "capteurs de charge", et à une pluralité de systèmes asservis. Dans la forme de réalisation illustrée, la pluralité de capteurs de charge comprend les unités suivantes: a. Un capteur de charge 52 associé à l'interface 16, placé entre la charge utile 40 et le bâti 14, qui intervient pour surveiller les forces et les couples d'interaction entre le bâti 14 et la charge utile 40; b. Un capteur de charge 54 associé à l'interface 42, placé entre le bâti 14 et un membre de support de bâti, associé au corps, par une ceinture 56 (fig. 6), par exemple. Le capteur de charge 54 intervient pour détecter les forces et les couples d'interaction entre  More specifically, the spring 300 normally pushes the movable bead 302 downward. When the heel 302 first contacts the ground, the force exerted between the shoe and the ground compresses the spring, moving the heel 302 towards the shoe (shown in broken lines). As the shoe advances, the spring 300 moves the heel 302 downward, which pivots on the hinge pin 304, the parts of which are still in contact with the ground, so as to produce a slight lift of the shoe from the ground, thus returning a portion of the energy stored to the user to facilitate its operation. Now back to fig. 8 which shows a simplified diagram of a preferred control mode of the apparatus of FIG. 6. The apparatus of fig. 8 includes a CPU 50, of the Intel 80486 type, for example, associated with a plurality of force and torque sensors, also referred to herein as "load sensors", and to a plurality of slave systems. In the illustrated embodiment, the plurality of load cells comprises the following units: a. A load sensor 52 associated with the interface 16, placed between the payload 40 and the frame 14, which intervenes to monitor the forces and the interaction torque between the frame 14 and the payload 40; b. A load sensor 54 associated with the interface 42, placed between the frame 14 and a frame support member, associated with the body, by a belt 56 (Fig. 6), for example. The load sensor 54 intervenes to detect the forces and the interaction couples between

le torse humain et le bâti de charge utile 14.  the human torso and the payload rack 14.

c. Un capteur de charge 58 associé à l'interface 46, placé entre le membre structural 44 et l'utilisateur, qui intervient pour mesurer les forces et les couples d'interaction entre le pied humain et  c. A load sensor 58 associated with the interface 46, placed between the structural member 44 and the user, which intervenes to measure the forces and the interaction couples between the human foot and

ledit membre structural 44.said structural member 44.

d. Un capteur de charge 60 associé à l'interface 48, placé entre le membre structural 44 et le sol. Le capteur de charge 60 intervient pour mesurer les forces et les couples d'interaction entre le sol et ledit  d. A load sensor 60 associated with the interface 48, placed between the structural member 44 and the ground. The load sensor 60 intervenes to measure the forces and the interaction couples between the ground and said

membre structural 44.structural member 44.

e. Un système de détection inertiel 62 associé à  e. An inertial detection system 62 associated with

la charge utile 40.the payload 40.

Les capteurs de charge 52, 54, 58, et 60 peuvent incorporer chacun un capteur de force, comme le capteur de force-couple multi-axes JR3, commercialisé par la société JR3, Inc. 22 Harter Ave., Woodland, CA  The load sensors 52, 54, 58, and 60 may each incorporate a force sensor, such as the JR3 multi-axis torque force sensor, sold by JR3, Inc. 22 Harter Ave., Woodland, CA.

95695, E.-U.95695, USA

Le système de détection inertiel 62 peut comprendre trois accéléromètres disposés pour mesurer des accélérations le long de chacun des axes X, Y, et Z. Chaque accéléromètre peut, par exemple, intégrer une unité, modèle 3110, commercialisé par la société EuroSensor, ICSensors, 20 - 24 Kirby St., Londres EC1N  The inertial detection system 62 may comprise three accelerometers arranged to measure accelerations along each of the X, Y, and Z axes. Each accelerometer may, for example, integrate a unit, model 3110, sold by the company EuroSensor, ICSensors, 20 - 24 Kirby St., London EC1N

8TS, R.-U.8TS, UK

La pluralité de systèmes d'asservissement comprend les unités suivantes: a. Une pluralité de systèmes d'asservissement 64 comprenant un servo-système 64 pour chacune des articulations 24, 27, et 29; et b; un servo-système 66 associé à un élément de stabilisation de charge utile 68, tel qu'illustré à la  The plurality of servo systems includes the following units: a. A plurality of servo systems 64 including a servo system 64 for each of the joints 24, 27, and 29; and B; a servo system 66 associated with a payload stabilization element 68, as illustrated in FIG.

fig. 23.Fig. 23.

Chaque système d'asservissement 64 peut comporter un actionneur asservi 80 (fig. 6) commandé par un servo-amplificateur qui reçoit des informations en retour de l'actionneur asservi, par l'intermédiaire  Each servo-control system 64 may comprise a servo-controlled actuator 80 (FIG 6) controlled by a servo-amplifier which receives feedback information from the servo actuator, via

des capteurs de vitesse et de position 82 (fig. 6).  speed and position sensors 82 (Fig. 6).

L'actionneur asservi peut, par exemple, comprendre un servo-moteur, modèle BMB-045, commercialisé par la société Bental Motors, Bental Development Ltd. Kibbutz Merom Golan, 12905, Israël. Le servo- amplificateur peut être de type PWM Mosfet, commercialisé par la société Elmo Motion Control Ltd., POB 463, Petah Tikva 49103, Israël. Un capteur de position approprié peut être constitué par un potentiomètre H27-HR- 27 (Série H, taille 11), commercialisé par la société MCB, 48 Avenue Kléber, Courlis I, 92700, Colombes, France. Un capteur de vitesse adapté peut être représenté par un tachymètre, commercialisé par la société Inland Motor  The slave actuator may, for example, comprise a servo motor, model BMB-045, marketed by Bental Motors, Bental Development Ltd. Kibbutz Merom Golan, 12905, Israel. The servo amplifier may be PWM Mosfet type, sold by Elmo Motion Control Ltd., POB 463, Petah Tikva 49103, Israel. A suitable position sensor may consist of a potentiometer H27-HR-27 (Series H, size 11), marketed by MCB, 48 Avenue Kléber, Courlis I, 92700, Colombes, France. A suitable speed sensor can be represented by a tachometer, marketed by the company Inland Motor

Division, Kollmorgent Corporation, Radford, VA, E.-U.  Division, Kollmorgent Corporation, Radford, VA, USA

Deux méthodes sont maintenant décrites qui peuvent être employées par l'UC 50 pour commander les actionneurs asservis, en utilisant les données d'entrée  Two methods are now described that can be used by the CPU 50 to control the slave actuators, using the input data

fournies par les capteurs.provided by the sensors.

La METHODE 1 comprend les phases suivantes: a. Recevoir des informations d'entrée des capteurs pour mesurer les entrées suivantes: 1. FGS = vecteur de charge sol-élément  METHOD 1 comprises the following phases: a. Receive sensor input information to measure the following inputs: 1. FGS = ground-element charge vector

structural (capteur 60).structural (sensor 60).

2. FUL = vecteur de charge bâti-ceinture (capteur 54) 3. FUS = vecteur de charge utilisateur-élément structural (capteur 58) Chaque vecteur de charge comprend trois valeurs de forces linéaires et trois valeurs de couple ou moments. b. Utiliser des méthodes de contrôle d'impédance classiques pour calculer, pour chaque pied, un vecteur10 V, en fonction des valeurs de couple et de force d'entrée ci-dessus, o: V = vecteur de vitesse désiré de l'élément structural 44 d'un pied, par rapport au bâti 14. Le vecteur V comprend trois valeurs de vitesse linéaire et trois valeurs de vitesse angulaire, correspond, respectivement, aux axes X, Y, et Z. Par exemple, pour contrôler le balancement d'une jambe pendant la marche ou la course, une valeur est affectée à V pour amener l'entrée FUS le plus près possible de zéro. Pour contrôler le support d'une jambe pendant un mouvement relativement lent, une valeur est affectée à V pour amener l'entrée FUL le plus près  2. FUL = frame-belt load vector (sensor 54) 3. FUS = user load vector-structural element (sensor 58) Each load vector comprises three linear force values and three torque values or moments. b. Use conventional impedance control methods to calculate, for each foot, a vector V, as a function of the input torque and input force values above, where: V = desired velocity vector of the structural element one foot, relative to the frame 14. The vector V comprises three linear velocity values and three angular velocity values, corresponding, respectively, to the X, Y, and Z axes. For example, to control the sway of a leg during walking or running, a value is assigned to V to bring the FUS input as close to zero as possible. To control the support of a leg during a relatively slow motion, a value is assigned to V to bring the nearest FUL input

possible de zéro.possible from scratch.

Les méthodes de contrôle d'impédance classiques, utilisées en télérobotique, sont décrites dans les références suivantes, inter alia: 1. Sheridan, T. B., Telerobotics% automation, and human supervisory control, MIT Press, Cambridge,  Conventional impedance control methods used in telerobotics are described in the following references, inter alia: 1. Sheridan, T. B., Telerobotics% automation, and human supervisory control, MIT Press, Cambridge,

Massachussetts, E.-U., 1992.Massachussetts, USA, 1992.

2. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part I theory", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 1-7, mars 1985; 3. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part II - implementation", Journal of  2. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part I theory", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 1-7, March 1985; 3. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part II - implementation", Journal of

Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 8 -  Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 8 -

16, mars 1985; 4. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part III - applications" Journal of  16, March 1985; 4. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part III - applications" Journal of

Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 17-  Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 17-

24, mars 1985.24, March 1985.

5. Kazerooni, H.et Mahoney, S.L. "Force augmentation in human-robot interaction", Proceedings of the 1990 American Control Conference, Vol. 3, pp.  5. Kazerooni, H. and Mahoney, S.L. "Strength increase in human-robot interaction", Proceedings of the 1990 American Control Conference, Vol. 3, pp.

2821 - 2826, San-Diego, CA, E.-U., 1990.  2821-2826, San Diego, CA, USA, 1990.

6. Strassberg, Y. "A control method for bilateral teleoperating systems", Ph. D. dissertation, Dept. of Mechanical Engineering, University of Toronto,  6. Strassberg, Y. "A control method for bilateral teleoperating systems", Ph.D. dissertation, Dept. of Mechanical Engineering, University of Toronto,

Canada, 1992.Canada, 1992.

c. Recevoir des informations d'entrée sur les  c. Receive input information about

positions et les vitesses de chaque articulation 24.  positions and speeds of each joint 24.

Utiliser des techniques classiques de dynamique et de cinématique inverses pour calculer, en fonction du vecteur V de vitesse désiré ci-dessus, des sorties finales qui permettent d'obtenir ce vecteur. Ces sorties finales comprennent la vitesse angulaire désirée de chaque segment ou liaison 22, relativement à chaque segment 22 adjacent, qui est activé par la vitesse de l'actionneur asservi 80 associé à chaque articulation 24. Les techniques classiques de dynamique et de cinématique inverses, utilisées dans plusieurs applications robotiques, sont décrites dans les références suivantes, inter alia: 1. Chae, H. A. et al. "Model based control of a  Use conventional inverse dynamics and kinematics techniques to calculate, as a function of the velocity vector V of the desired velocity above, the final outputs which make it possible to obtain this vector. These final outputs comprise the desired angular velocity of each segment or link 22, relative to each adjacent segment 22, which is activated by the speed of the slave actuator 80 associated with each articulation 24. The conventional inverse dynamics and kinematics techniques, used in several robotic applications, are described in the following references, inter alia: 1. Chae, HA et al. "Model based control of a

robot manipulator", MIT Press, Cambridge, MA, E.-U.  robot manipulator ", MIT Press, Cambridge, MA, USA

1988; 2. Desoer, C. A. and Vidyasagar, M. "Feedback systems: input-output properties", Academic Press, 1975; 3. Leigh, J. R. "Functional analysis and linear control theory", Academic Press, 1980; 4. Spong, M.W., and Vidyasagar, M., "Robot dynamics and control" John Wiely and Sons, 1989; 5. Spong, M. W., and Vidyasagar, M. "Robust linear compensator design for nonlinear robotic control", IEEE Journal of robotics and automation, Vol. RA-3, No. 4, pp. 345 à 351, 1987; et 6. Vidyasagar, M. , "Nonlinear systems  1988; 2. Desoer, C. A. and Vidyasagar, M. Feedback Systems: Input-Output Properties, Academic Press, 1975; 3. Leigh, J. R. "Functional analysis and linear control theory", Academic Press, 1980; 4. Spong, M.W., and Vidyasagar, M., "Robot Dynamics and Control" John Wiely and Sons, 1989; 5. Spong, M. W., and Vidyasagar, M. Robust linear compensator design for nonlinear robotic control, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. RA-3, No. 4, pp. 345-351, 1987; and 6. Vidyasagar, M., "Nonlinear systems

analysis,", Presntice-Hall, 1978.analysis, "Presntice-Hall, 1978.

La METHODE 2 peut comprendre les phases suivantes: a. Recevoir des informations d'entrée des capteurs pour mesurer les entrées suivantes: 1. Capteur 52: couple et force d'interaction bâti/charge utile; et 2. Capteur 62: vitesses et accélérations inertielles b. En utilisant la sortie de la phase a, calculer la vitesse relative de la charge utile 40 par rapport au bâti 14, de sorte que: 1. dans la direction du mouvement de l'utilisateur humain, le centre de masse de la charge utile 40, reste dans la mesure du possible fixe relativement à l'utilisateur humain; 2. dans la direction horizontale perpendiculaire au mouvement de l'utilisateur humain, le centre de masse de la charge utile 40, reste dans la  METHOD 2 may comprise the following phases: a. Receive sensor input information to measure the following inputs: 1. Sensor 52: torque and frame / payload interaction force; and 2. Sensor 62: inertial speeds and accelerations b. Using the output of the phase a, calculate the relative speed of the payload 40 relative to the frame 14, so that: 1. in the direction of the movement of the human user, the center of mass of the payload 40 remains as far as possible fixed to the human user; 2. in the horizontal direction perpendicular to the movement of the human user, the center of mass of the payload 40, remains in the

mesure du possible fixe.as far as possible fixed.

c. En utilisant la sortie de la phase b, générer des commandes pour le système d'asservissement 66 qui  c. Using the output of phase b, generate commands for the servo system 66 which

contrôle le stabilisateur de charge utile 68.  controls the payload stabilizer 68.

Revenons maintenant à la fig. 6. Une caractéristique particulière de l'élément d'interface pied-sol 48 de la figure 6, consiste en ce que ce dernier comprend un élément élastique qui définit une5 zone de contact avec le sol, le long de l'axe longitudinal déterminé par le pied, de sorte qu'un point de moment zéro entre ledit élément élastique et le sol se déplace en fonction du mouvement de l'utilisateur humain. Plus spécialement, l'interface 48 intervient généralement pour emmagasiner de l'énergie lorsque le talon de l'utilisateur humain entre en contact avec le sol, et pour libérer l'énergie emmagasinée lorsque les orteils de l'utilisateur humain  Now back to fig. 6. A particular characteristic of the foot-ground interface element 48 of FIG. 6 is that the latter comprises an elastic element which defines a zone of contact with the ground, along the longitudinal axis determined by the foot, so that a point of zero moment between said elastic member and the ground moves according to the movement of the human user. More specifically, the interface 48 generally intervenes to store energy when the heel of the human user comes into contact with the ground, and to release the energy stored when the toes of the human user

quittent le sol.leave the ground.

L'élément élastique est de préférence configuré pour avoir une rigidité différente, de manière que celle-ci soit relativement faible pendant le contact du talon, et relativement forte lorsque ce  The elastic element is preferably configured to have a different rigidity, so that it is relatively low during the contact of the heel, and relatively strong when this

dernier quitte le sol.last leaves the ground.

Le membre d'interface pied-sol peut, par exemple, comprendre un membre de contact de pied et un membre de contact de sol, en relation d'articulation avec le membre de contact de pied et un membre élastique, tel un ressort, qui est fixé à une extrémité du membre de contact de pied, et à l'autre extrémité à  The foot-ground interface member may, for example, comprise a foot contact member and a ground contact member, in articulation relation with the foot contact member and an elastic member, such as a spring, which is attached to one end of the foot contact member, and at the other end to

membre de contact de sol.ground contact member.

L'appareil illustré à la figure 6 comprend, de préférence, une pluralité d'éléments élastiques, qui peut incorporer les éléments élastiques suivants: a. Un élément élastique 70 (fig. 21) associé à l'interface 42, qui intervient pour absorber les forces s'appliquant sur le torse humain. L'élément élastique est de préférence configuré pour s'adapter à une partie relativement petite du dos humain, de sorte qu'une partie relativement importante de ce dernier,  The apparatus illustrated in Figure 6 preferably comprises a plurality of resilient members, which may incorporate the following elastic members: a. An elastic element 70 (FIG 21) associated with the interface 42, which acts to absorb the forces applying to the human torso. The elastic member is preferably configured to fit a relatively small portion of the human back, so that a relatively large portion thereof,

et, en particulier, la partie de l'épaule correspondante, conserve sa liberté de mouvement. L'élasticité peut être assurée par des ressorts et/ou une5 matière élastique, telle qu'une mousse élastiaue.  and, in particular, the part of the corresponding shoulder, retains its freedom of movement. The elasticity can be provided by springs and / or elastic material, such as elastic foam.

L'élément élastique 70 est de préférence associé fixement à la ceinture 56. La ceinture 56 et l'élément élastique 70 sont de préférence amovibles sur10 le corps humain. b. Un élément élastique 72 associé à l'interface 46.L'élément élastique 72 peut généralement ressembler à l'élément élastique 70. L'élasticité peut être assurée par des ressorts et/ou une matière élastique,  The elastic member 70 is preferably fixedly associated with the waistband 56. The waistband 56 and the elastic member 70 are preferably removable to the human body. b. An elastic element 72 associated with the interface 46.The elastic element 72 can generally resemble the elastic element 70. The elasticity can be provided by springs and / or an elastic material,

telle qu'une mousse élastique.such as an elastic foam.

c. Un élément élastique 74 associé à l'interface  c. An elastic element 74 associated with the interface

48. L'élément élastique 74 est illustré à la fig. 19.  48. The elastic member 74 is illustrated in FIG. 19.

d. Un élément élastique 90 associé à l'interface 16 entre le bâti 14 et la charge utile 40, qui intervient pour absorber les forces d'interaction entre le bâti et la charge utile. L'élément élastique 90 est  d. An elastic member 90 associated with the interface 16 between the frame 14 and the payload 40, which acts to absorb the interaction forces between the frame and the payload. The elastic element 90 is

illustré à la fig. 20.illustrated in fig. 20.

Dans le mode de réalisation représenté, l'élément élastique 74 est passif, mais on notera que ce dernier peut, par ailleurs, être actif, à savoir qu'il peut être commandé finalement par l'UC 50 de la  In the embodiment shown, the elastic element 74 is passive, but it will be noted that the latter can, moreover, be active, namely that it can be finally controlled by the CPU 50 of the

fig. 8.Fig. 8.

Les segments 22 sont de préférence configurés pour être à la fois légers et structuralement résistants, et peuvent, par exemple, comporter des  The segments 22 are preferably configured to be both lightweight and structurally resistant, and may, for example, have

tiges métalliques creuses.hollow metal rods.

L'élément de stabilisation de charge utile 68, qui est illustré à la fig. 20, intervient pour stabiliser la charge utile 40, par rapport à l'utilisateur humain, de manière à empêcher cette dernière d'appliquer des forces préjudiciables à l'utilisateur humain, même lorsque celui-ci effectue des mouvements latéraux ou une flexion, et des mouvements de redressement. Généralement, un boîtier électronique 84 est fourni avec la charge utile 40 et comprend des composants électroniques de l'appareil, tels une UC 50, un système de détection inertiel 62, les servo-amplificateurs des servo-systèmes 64 et 66, et une source d'alimentation  The payload stabilization element 68, which is illustrated in FIG. 20, acts to stabilize the payload 40, relative to the human user, so as to prevent the latter from applying forces detrimental to the human user, even when the latter makes lateral movements or flexion, and turnaround movements. Generally, an electronic control unit 84 is provided with the payload 40 and comprises electronic components of the apparatus, such as a CPU 50, an inertial detection system 62, the servo-amplifiers of the servo systems 64 and 66, and a source power

86 (fig. 8).86 (Fig. 8).

La fig. 20 illustre la charge utile 40, le stabilisateur de charge utile 68, l'élément élastique , et le bâti 14. Comme on peut le voir, la charge utile 40 comporte un récipient dans lequel peuvent être placés des articles ou des charges que l'utilisateur humain désire transporter d'un lieu à un autre. La charge utile 40 est montée sur le stabilisateur de charge utile 68 avec deux degrés de liberté, comme  Fig. 20 illustrates the payload 40, the payload stabilizer 68, the elastic member, and the frame 14. As can be seen, the payload 40 includes a container into which articles or loads can be placed. Human user wants to transport from one place to another. The payload 40 is mounted on the payload stabilizer 68 with two degrees of freedom, as

indiqué par les flèches 92 et 94.indicated by arrows 92 and 94.

Le stabilisateur de charge utile 68 est monté fixement sur la partie horizontale du bâti 14. Le  The payload stabilizer 68 is fixedly mounted on the horizontal portion of the frame 14. The

stabilisateur 68 comprend deux parties verticales 95.  stabilizer 68 comprises two vertical parts 95.

Un bâti 97, associé en pivotement, est de préférence entraîné par un moteur 96. La charge utile 40 est associée en pivotement au bâti 97, par deux articulations 98, le mouvement de pivotement étant de préférence assuré par un moteur 99. Les moteurs 96 et 99 peuvent comprendre, chacun, par exemple, un moteur couple CC à entraînement direct, commercialisé par la société Inland Motor, Kollmorgent Corporation, Radford,  A frame 97, pivotally associated, is preferably driven by a motor 96. The payload 40 is pivotally associated with the frame 97, by two hinges 98, the pivoting movement being preferably provided by a motor 99. The motors 96 and 99 may each include, for example, a direct drive DC torque motor, marketed by Inland Motor, Kollmorgent Corporation, Radford,

VA, 24141.VA, 24141.

Le capteur 52 est monté sur le bâti 14. Entre le capteur 52 et la charge utile 40 se trouve l'élément  The sensor 52 is mounted on the frame 14. Between the sensor 52 and the payload 40 is the element

élastique 90, qui peut incorporer un ressort.  elastic 90, which can incorporate a spring.

La fig. 21 illustre une vue latérale détaillée de l'association entre le bâti de charge  Fig. 21 illustrates a detailed side view of the association between the load frame

utile 40 et la ceinture 56 de la fig. 6.  useful 40 and the belt 56 of FIG. 6.

La fig. 22 illustre un appareil exosquelettique construit et fonctionnant conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention. L'appareil de la fig. 22 convient pour  Fig. 22 illustrates an exoskeletal apparatus constructed and operating in accordance with another embodiment of the present invention. The apparatus of FIG. 22 is suitable for

faciliter l'action de pédalage d'un utilisateur humain.  facilitate the pedaling action of a human user.

L'appareil de la fig. 22 peut être généralement similaire à l'appareil de la fig. 6. Par exemple, les éléments 510, 522, 524 et 525 de la fig. 22 peuvent être respectivement similaires aux éléments 10, 22, 24 et 25 de la fig. 6. Cependant, à la différence du connecteur 25 de la fig. 6, le connecteur 525 de la fig. 22 peut n'avoir qu'un seul degré de liberté, à  The apparatus of FIG. 22 may be generally similar to the apparatus of FIG. 6. For example, elements 510, 522, 524 and 525 of FIG. 22 may be respectively similar to the elements 10, 22, 24 and 25 of FIG. 6. However, unlike the connector 25 of FIG. 6, the connector 525 of FIG. 22 may have only one degree of freedom,

savoir, dans le plan de rotation de la pédale 530.  know, in the plane of rotation of the pedal 530.

Bien que la charge utile 40 et les éléments associés correspondants soient omis sur la fig. 22, on notera également que la charge utile 40 et les éléments associés correspondants peuvent être montés conjointement à l'appareil facilitant le pédalage de la  Although the payload 40 and the corresponding associated elements are omitted in FIG. 22, it will also be noted that the payload 40 and the corresponding associated elements can be mounted together with the apparatus facilitating the pedaling of the

fig. 22.Fig. 22.

La fig. 23 illustre le connecteur 25. Comme on peut le constater, la pièce comporte une première articulation de hanche 27 et une seconde articulation de hanche 29. Dans la forme de réalisation représentée, chaque articulation de hanche possède un degré de liberté de pivotement passif, comme indiqué par la flèche 31, et deux degrés de liberté de pivotement  Fig. Figure 23 illustrates the connector 25. As can be seen, the workpiece includes a first hip joint 27 and a second hip joint 29. In the illustrated embodiment, each hip joint has a passive degree of pivotal freedom, as indicated by the arrow 31, and two degrees of freedom of pivoting

actifs, tel que matérialisé par les flèches 33 et 35.  assets as shown by arrows 33 and 35.

Le mouvement dans le sens indiqué par la flèche 33 est assuré par le moteur 37. Le mouvement dans le sens  The movement in the direction indicated by the arrow 33 is provided by the motor 37. The movement in the direction

indiqué par la flèche 35 est assuré par le moteur 39.  indicated by the arrow 35 is provided by the motor 39.

Les informations de vitesse et de position dans les trois directions indiquées par les flèches 31, 33 et , sont de préférence utilisées dans la phase c de la  The speed and position information in the three directions indicated by the arrows 31, 33 and, are preferably used in phase c of the

METHODE 1 ci-dessus.METHOD 1 above.

Un appareil de contrôle pour dispositif exosquelettique destiné à faciliter l'action de pédalage est décrit ci-dessous en référence aux figures  An exoskeletal device control apparatus for facilitating the pedaling action is described below with reference to the figures

24 à 28.24 to 28.

L'appareil exosquelettique selon la présente invention est commandé par les mouvements de l'opérateur humain et destiné a supporter les charges extérieures portées par l'opérateur. L'appareil peut  The exoskeletal apparatus according to the present invention is controlled by the movements of the human operator and intended to support the external loads carried by the operator. The device can

également porter le poids de l'opérateur lui-même.  also carry the weight of the operator himself.

Pendant le fonctionnement, l'opérateur humain est responsable de la stabilité de l'appareil et commande les sens désirés de mouvement. L'appareil procure a l'opérateur tous les degrés de liberté spatiale requis pour gérer le contrôle du dispositif, et n intervient que lorsque le système aborde des conditions critiques, qui peuvent menacer la stabilité  During operation, the human operator is responsible for the stability of the apparatus and controls the desired directions of movement. The apparatus provides the operator with all the degrees of spatial freedom required to manage the control of the device, and occurs only when the system addresses critical conditions that may threaten stability.

de celui-ci.of it.

Les conditions dans lesquelles fonctionnent l'appareil peuvent être divisées en trois catégories, les deux premières définissant le terme "critique": 1) une région d'instabilité globale, 2) une région dans laquelle l'appareil est responsable du maintien de sa stabilité globale, 3) une région dans laquelle l'opérateur est responsable du maintien de la stabilité  The conditions under which the device operates can be divided into three categories, the first two defining the term "critical": 1) a region of global instability, 2) a region in which the device is responsible for maintaining its stability 3) a region in which the operator is responsible for maintaining stability

*globale du système.* overall system.

Le système de contrôle de la présente invention effectue, de préférence, les tâches suivantes: a) contrôler l'interaction entre l'opérateur et l'appareil, et entre l'appareil et l'environnement; b) permettre à l'opérateur de commander, contrôler et stabiliser l'appareil; c) assurer la stabilité globale, y compris des variables d'état principales que l'opérateur ne peut pas contrôler; d) contrôler les normes de performances dans des  The control system of the present invention preferably performs the following tasks: a) controlling the interaction between the operator and the apparatus, and between the apparatus and the environment; (b) allow the operator to control, control and stabilize the apparatus; c) provide overall stability, including key state variables that the operator can not control; (d) monitor performance standards in

conditions d'incertitude.conditions of uncertainty.

En se référant maintenant à l'illustration schématique vectorielle de la fig. 24, il faut noter que le système de contrôle selon la présente invention  Referring now to the schematic vector illustration of FIG. 24, it should be noted that the control system according to the present invention

est fondé sur des principes de contrôle d'impédance.  is based on impedance control principles.

Ces principes ont été publiés pour la première fois par Hogan N. dans "Impedance Control: An approach to Manipulation: Part III - Applications", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 107,  These principles were first published by Hogan N. in "Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part III - Applications," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 107

mars 1985, pp 17 à 24.March 1985, pp. 17 to 24.

L'opérateur applique une force Fh à l'appareil. Cette force Fh est mesurée par un capteur de force 500 qui produit un signal de sortie Fh', lequel est converti par le modèle d'impédance désirée 502 en un signal de vitesse requis Vc. Vc correspond à la vitesse au point d'application de la force. Le jacobien (J) du système, qui est l'algorithme approché idéal, convertit le signal de vitesse requis en un signal de vitesse généralisé qc, qui représente la vitesse dans un système de coordonnées communes. Le signal de vitesse généralisé qc est transmis à la boucle de vitesse d'asservissement 504, qui sort les vitesses communes réelles q. En multipliant q par le jacobien inverse, on calcule la vitesse réelle au point  The operator applies a force Fh to the apparatus. This force Fh is measured by a force sensor 500 which produces an output signal Fh ', which is converted by the desired impedance model 502 into a required speed signal Vc. Vc is the speed at the point of application of the force. The Jacobian (J) of the system, which is the ideal approximated algorithm, converts the required velocity signal into a generalized velocity signal qc, which represents velocity in a common coordinate system. The generalized speed signal qc is transmitted to the servo speed loop 504, which outputs the actual common speeds q. By multiplying q by the inverse Jacobian, we calculate the actual velocity at the point

de l'interaction opérateur-appareil.  of the operator-device interaction.

Pour simplifier le fonctionnement du système, nous allons adopter desvaleurs idéales pour tous les éléments de l'illustration schématique, o: Fh = Fh' q = qc et  To simplify the operation of the system, we will adopt ideal values for all elements of the schematic illustration, o: Fh = Fh 'q = qc and

J = J'.J = J '.

La fig. 25 représente cette situation idéale.  Fig. 25 represents this ideal situation.

Théoriquement, le système de la fig. 25 est capable de contrôler l'impédance, ou l'interaction, entre l'opérateur et l'appareil, et d'atteindre les valeurs de performances souhaitées. Plus les valeurs d'impédance souhaitées sont élevées, plus les valeurs10 de vitesse obtenues par l'appareil le sont également, en utilisant des forces inférieures, Fh. Le système de contrôle autorise ainsi l'opérateur à contrôler la vitesse V de l'appareil, par l'application de la force Fh, en employant le modèle d'impédance souhaité.15 Dans une situation idéale, plus la valeur d'impédance désirée est élevée, moins l'interaction opérateur-appareil existe, et comme des forces ou des moments se développent entre l'opérateur et l'appareil, la vitesse V augmentera et tendra à réduire les forces20 interactives Fh. Un appareil "maîtrisé" par son opérateur est ainsi créé. Dans la pratique, il n'est pas possible de parvenir à un système idéal, et des forces interactives se développeront, essentiellement en raison de l'interaction dynamique entre l'appareil et le terrain. Le système de contrôle est destiné à  Theoretically, the system of fig. 25 is able to control the impedance, or the interaction, between the operator and the apparatus, and to achieve the desired performance values. The higher the desired impedance values, the higher the speed values obtained by the apparatus, using lower forces, Fh. The control system thus allows the operator to control the speed V of the apparatus, by applying the force Fh, using the desired impedance model. In an ideal situation, the higher the desired impedance value. is high, the less the operator-apparatus interaction exists, and as forces or moments develop between the operator and the apparatus, the velocity V will increase and tend to reduce the interactive forces Fh. A device "mastered" by its operator is thus created. In practice, it is not possible to achieve an ideal system, and interactive forces will develop, mainly because of the dynamic interaction between the device and the terrain. The control system is intended for

réduire ces forces au minimum.reduce these forces to a minimum.

En se référant maintenant à la fig. 26 on examinera maintenant le fonctionnement du système de contrôle et de ses composants. La fig. 26 illustre le mode opératoire de l'appareil, monté cette fois, sur une bicyclette de mise en forme, par opposition à une personne. L'effet de stabilité global est de ce fait éliminé, car l'appareil est supporté par une structure  Referring now to FIG. 26 the operation of the control system and its components will now be examined. Fig. Figure 26 illustrates the procedure of the apparatus, mounted this time, on a shaping bicycle as opposed to a person. The overall stability effect is thereby eliminated because the apparatus is supported by a structure

fixe, ce qui facilite l'examen des composants.  fixed, which facilitates the examination of components.

L'opérateur humain reste aux commandes, et la charge de  The human operator remains at the controls, and the burden of

l'appareil est assuré par le mécanisme de charge de la bicyclette. Le fonctionnement de l'appareil, monté sur la bicyclette de mise en forme, va maintenant être5 décrit en détail.  the device is provided by the load mechanism of the bicycle. The operation of the apparatus, mounted on the shaping bicycle, will now be described in detail.

Le système mécanique comporte, de préférence, trois degrés de liberté, dont deux degrés actifs, et est entrainé par des activateurs asservis en boucle fermée, et un degré de liberté passif. La configuration de ces degrés, telle que représentée à la fig. 26, tient compte des considérations suivantes: 1. Similitude cinématique avec la structure biomécanique de la jambe humaine. Du simple point de vue de la cinématique, un seul degré de liberté  The mechanical system preferably comprises three degrees of freedom, including two active degrees, and is driven by closed-loop servo activators, and a passive degree of freedom. The configuration of these degrees, as shown in FIG. 26, takes into account the following considerations: 1. Kinematic similarity with the biomechanical structure of the human leg. From the simple point of view of kinematics, a single degree of freedom

suffirait pour propulser les pédales de la bicyclette.  would be enough to propel the pedals of the bicycle.

Toutefois, pour rapprocher la structure de la bicyclette de la structure de la jambe humaine, que l'on peut considérer comme possédant trois degrés de liberté principaux, à savoir, la cuisse, le genou, et la cheville, on a adopté une configuration à trois  However, to approximate the structure of the bicycle to the structure of the human leg, which can be considered as having three main degrees of freedom, namely, the thigh, knee, and ankle, a three

degrés de liberté pour réaliser l'expérience.  degrees of freedom to perform the experiment.

2. Adéquation avec les expériences de marche: Une configuration à trois degrés, cinématiquement adaptée à la jambe humaine, convient également aux expériences de marche, dans lesquelles un quatrième deqré de liberté, représentant la stabilité transversale de la marche,  2. Adequacy with walking experiments: A three-degree configuration, kinematically adapted to the human leg, is also suitable for walking experiments, in which a fourth degree of freedom, representing the transverse stability of walking,

n'est pas nécessaire.is not necessary.

La structure mécanique de la bicyclette est indiquée par le numéro de référence 598. Deux jauges de force 600 et 602 sont placées de chaque côté d'un bras 604, qui représente le degré de liberté passif. La jauge 600 mesure la force produite par l'interaction opérateur-appareil, et la jauge 602 mesure la force générée par l'appareil et la pédale de la bicyclette 606. La maîtrise de l'appareil par l'opérateur est possible, grâce à la sortie d'informations de ces deux jauges, dont les signaux matérialisent les forces * extérieures appliquées à l'appareil. La pédale de la bicyclette 606 est fixée au moyen d'un bras mécanique 608 à l'axe de la pédale 610. C'est à ce point que le moment de charge, dont la direction est toujours opposée à la direction du vecteur de rotation (indiquée  The mechanical structure of the bicycle is indicated by reference numeral 598. Two force gauges 600 and 602 are placed on each side of an arm 604, which represents the passive degree of freedom. The gauge 600 measures the force produced by the operator-apparatus interaction, and the gauge 602 measures the force generated by the apparatus and the pedal of the bicycle 606. The control of the apparatus by the operator is possible, thanks to the information output of these two gauges, whose signals materialize external forces * applied to the device. The pedal of the bicycle 606 is fixed by means of a mechanical arm 608 to the axis of the pedal 610. It is at this point that the charging moment, the direction of which is always opposite to the direction of the rotation vector (indicated

par la flèche 612), est mesuré.by arrow 612) is measured.

Le système de contrôle comprend deux boucles principales: une boucle de vitesse interne, reposant sur la technique de calcul de couple, et une boucle de force extérieure, fondée sur la méthode du contrôle d'impédance. Cette configuration permet de maîtriser  The control system consists of two main loops: an internal speed loop, based on the torque calculation technique, and an external force loop, based on the impedance control method. This configuration makes it possible to control

l'appareil, même dans des conditions critiques.  the device, even under critical conditions.

La fig. 27 montre schématiquement les  Fig. 27 schematically shows the

éléments utilisés dans l'expérience de la bicyclette.  elements used in the bicycle experience.

L'opérateur humain, représenté par le bloc 700, applique une force, tout en chevauchant la bicyclette, sur les repose-pieds de l'appareil. FhR est un vecteur  The human operator, represented by the block 700, applies a force, while riding the bicycle, on the footrests of the apparatus. FhR is a vector

de la force appliquée par l'opérateur sur le repose-  of the force applied by the operator on the

pieds droit 702, et FhL est un vecteur de la force appliquée par l'opérateur sur le repose-pieds gauche 704. Les vecteurs FhR et FhL sont mesurés par deux jauges de force, dont les sorties sont, respectivement, FhR' et FhL'. Les forces appliquées par l'opérateur humain le sont également sur les servo-actionneurs de l'appareil. Sous cette forme, les forces FhR et FhL sont converties par les jacobiens JTR et JTL en moments de charge ThR et ThL, qui opèrent dans les articulations de l'appareil. Les forces interactives FPR et FPL sont mesurées simultanément entre la pédale et le repose-pieds, respectivement, du côté droit et du côté gauche. Les signaux de sortie des jauges, respectivement, 706 et 708, sont multipliés par des coefficients d'augmentation de force, respectivement, 710 et 712, et les résultats de la multiplication, sont utilisés pour calculer les forces totales ZFR et EFL appliquées, respectivement, aux repose-pieds droit et gauche. Les forces EFR et EFL sont converties en utilisant le modèle d'impédance désirée 714, en vitesses de repose-pieds désirées VRC et VLC. Cette opération de conversion prend également en compte les mesures d'état des pédales de la bicyclette, pour exclure les composants de vitesse inutiles, comme les composants intervenant dans un sens qui ne contribuent pas à la  702 right feet, and FhL is a vector of the force applied by the operator on the left footrest 704. The FhR and FhL vectors are measured by two force gauges, whose outputs are respectively FhR 'and FhL' . The forces applied by the human operator are also applied to the servo actuators of the device. In this form, the FhR and FhL forces are converted by the JTR and JTL Jacobians into ThR and ThL load moments, which operate in the joints of the aircraft. The interactive FPR and FPL forces are measured simultaneously between the pedal and the footrest, respectively, on the right and left sides. The output signals from the gages, respectively, 706 and 708, are multiplied by force increase coefficients, 710 and 712, respectively, and the results of the multiplication are used to calculate the applied total forces ZFR and EFL, respectively. , right and left footrest. The EFR and EFL forces are converted using the desired impedance model 714, at the desired footrest speeds VRC and VLC. This conversion operation also takes into account the state measurements of the pedals of the bicycle, to exclude unnecessary speed components, such as components intervening in a direction that do not contribute to the

vitesse réelle.real speed.

Les vitesses souhaitées VRC et VLC sont converties par les modèles jacobiens J'R et J'L en valeurs de vitesses souhaitées, qRC et qLC, dans les axes communs. Ces valeurs sortent sur les boucles d'asservissement, respectivement, 716 et 718, qui produisent, respectivement, les vitesses communes réelles, qR et qL. La boucle la plus à l'extérieur du système de contrôle, illustrée sur la fig. 27, est  The desired velocities VRC and VLC are converted by the Jacobian models J'R and J'L into desired velocity values, qRC and qLC, in the common axes. These values are output on the servo loops, respectively, 716 and 718, which produce, respectively, the actual common speeds, qR and qL. The outermost loop of the control system, shown in fig. 27, is

finalement fermée par l'opérateur humain.  finally closed by the human operator.

Les boucles de vitesse vont maintenant être décrites en référence à la fig. 28. Les boucles de vitesse remplissent trois rôles essentiels: 1. contrôler les vitesses (contrôle de la sortie des vitesses souhaitées par le contrôleur d'impédance); 2. assurer la fiabilité face aux incertitudes des paramètres du système;  The speed loops will now be described with reference to FIG. 28. Speed loops fulfill three essential roles: 1. controlling speeds (controlling the output of the desired speeds by the impedance controller); 2. ensure reliability in the face of uncertainties in system parameters;

3. découpler le contrôle.3. decouple the control.

Le contrôle des boucles de vitesse est fondé sur les algorithmes de contrôle modélisé, dont les plus importants sont décrits par Chae et coll. dans "Model  Speed loop control is based on modeled control algorithms, the most important of which are described by Chae et al. in "Model

Based Control of a Robot Manipulator", MIT Press, 1988.  Based Control of a Robot Manipulator ", MIT Press, 1988.

Dans le cas de l'expérience de la bicyclette, une méthode de contrôle CTT (technique de calcul de couple) est plus appropriée. Dans un premier temps, et connaissant le modèle réel du système contrôlé, on élimine tous les éléments de couplage linéaires et non linéaires du modèles. On ferme ensuite la boucle de vitesse, en se fondant sur l'hypothèse qu'aucun élément I0 n'existe dans le système de couplage. En effet, il est impossible d'éliminer tous les éléments de couplage du  In the case of the bicycle experience, a CTT (torque calculation technique) is more appropriate. Firstly, and knowing the real model of the controlled system, all the linear and non-linear coupling elements of the model are eliminated. The velocity loop is then closed based on the assumption that no I0 element exists in the coupling system. Indeed, it is impossible to eliminate all the coupling elements of the

modèle, puisque le modèle réel est inconnu.  model, since the real model is unknown.

On définit les paramètres suivants, en référence à l'illustration schématique de la fig. 28: n = nombre de degrés de liberté Fex = force extérieure q s Rn = coordonnées généralisées M(q) s Rnxn = matrice d'inertie h s Rn = forces de gravité, centripète et de Coriolis U E Rn = commande, avec dimensions des forces généralisées Fex Es Rn = vecteur des forces extérieures j E Rnxn = matrice jacobienne de l'appareil Ud s Rn = interférences, et N < = représente la dimension spatiale cartésienne N< =6 o: M(q)q'' + h(q,q') = U + JTFex + Ud est une équation qui sert de modèle à l'appareil de la présente invention, en représentant le mouvement d'un corps, en ayant n degrés de liberté,et en interagissant avec une force extérieure Fex. 5 L'annexe A est une liste en Fortran d'une application logicielle d'une partie de l'appareil de la fig. 22. L'annexe A est une simulation logicielle d'un exosquelette utile pour faciliter l'action de pédalage fixe.10 Des considérations biomécaniques utiles pour concevoir un dispositif exosquelettique et faciliter les actions de marche, de course et de transport d'une  The following parameters are defined with reference to the schematic illustration of FIG. 28: n = number of degrees of freedom Fex = external force qs Rn = generalized coordinates M (q) s Rnxn = inertia matrix hs Rn = gravity forces, centripetal and Coriolis UE Rn = command, with dimensions of generalized forces Fex Es Rn = vector of external forces j E Rnxn = Jacobian matrix of the apparatus Ud s Rn = interferences, and N <= represents the Cartesian spatial dimension N <= 6 o: M (q) q '' + h (q , q ') = U + JTFex + Ud is an equation that serves as a model for the apparatus of the present invention, representing the motion of a body, having n degrees of freedom, and interacting with an external force Fex . Annex A is a Fortran list of a software application of a portion of the apparatus of FIG. 22. Annex A is a software simulation of an exoskeleton useful for facilitating stationary pedaling. Biomechanical considerations useful for designing an exoskeletal device and facilitating walking, running and transporting actions of a patient.

charge utile, vont être exposées maintenant.  payload, are going to be exposed now.

De manière générale, les allures du système homme-machine peuvent être divisées en trois phases: double support, lorsque les deux jambes sont en contact avec le sol; simple support, lorsqu'une jambe supporte, mais pas l'autre; et sustentation, lorsqu'il n'y a pas  In general, the man-machine system can be divided into three phases: double support, when both legs are in contact with the ground; simple support, when one leg supports, but not the other; and sustenance, when there is no

de contact avec le sol.contact with the ground.

La détection des phases peut être fondée sur les sorties des capteurs de force installés dans les  Phase detection can be based on the outputs of the force sensors installed in the

interfaces machine-sol (22).machine-ground interfaces (22).

Pendant le double support, la commande est chargée de diminuer l'erreur entre les forces dynamiques de référence (souhaitées) et mesurées aux interfaces de la machine avec l'homme, le sol et la charge utile. L'asservissement dynamique de la machine à l'opérateur humain peut être maintenue, par conséquent, en imposant une commande de vitesse aux actionneurs de la machine, d'une manière qui diminue l'erreur entre les forces dynamiques de référence et  During double support, the control is responsible for reducing the error between the reference dynamic forces (desired) and measured at the interfaces of the machine with the man, the ground and the payload. Dynamic servoing of the machine to the human operator can be maintained, therefore, by imposing speed control on the machine's actuators in a manner that decreases the error between the reference dynamic forces and

mesurées aux interfaces de la machine.  measured at the interfaces of the machine.

Pendant le simple support et la sustentation, la commande fonctionne de la même manière que pendant le double support; ladifférence estdans l'ajustement des niveauxderéférencepour les valeurs force/dynamique d'interface désirées: ces phases (à savoir simple support et sustentation) diffèrent du double support, dans le sens o l'une des jambes ou les deux ne sont pas en contact avec le sol. La force appliquée, et donc mesurée, à l'interface 22 d'une jambe en mouvement (en mouvement = non en contact avec le sol) est égale à zéro ou très proche de zéro. Pour maintenir la correspondance souhaitée entre la cinématique des jambes en mouvement de l'opérateur et de la machine, la force (souhaitée) de référence à l'interface 182 d'une  During simple support and lift, the control functions in the same way as during dual support; the difference is in the adjustment of the reference levels for the desired interface force / dynamics values: these phases (ie simple support and lift) differ from the dual support, in the sense that one or both legs are not in contact with each other. floor. The force applied, and thus measured, at the interface 22 of a moving leg (in motion = not in contact with the ground) is equal to zero or very close to zero. To maintain the desired correspondence between kinematics of moving legs of the operator and the machine, the (desired) reference force at the interface 182 of a

jambe en mouvement est réglée à zéro.  Moving leg is set to zero.

Dans le cas du simple support, les réglages niveaux de référence aux interfaces 22 et 182 de la jambe en mouvement sont donc réglés à zéro, et ceux des niveaux de référence aux interfaces 22 et 182 de la jambe de support, ainsi que les références aux interfaces 181 et 20 sont réglées aux valeurs des forces dynamiques souhaitées, calculées de la manière  In the case of simple support, the reference level settings at the interfaces 22 and 182 of the moving leg are therefore set to zero, and those of the reference levels at the interfaces 22 and 182 of the support leg, as well as references to interfaces 181 and 20 are set to the desired dynamic force values, calculated in the manner

décrites précédemment.previously described.

Pendant la phase de sustentation de l'allure, tous les niveaux de référence sont réglés à zéro, puisque durant la phase de sustentation chacun des éléments du système se déplace dans l'espace comme un corps libre. Lorsque l'opérateur humain déplace des segments de son corps les uns par rapport aux autres, la machine suit ce mouvement en commandant les actionneurs pour amener toutes les forces d'interfaces  During the lift phase of the pace, all reference levels are set to zero, since during the lift phase each of the elements of the system moves in space as a free body. When the human operator moves segments of his body relative to each other, the machine follows this movement by controlling the actuators to bring all the forces of interfaces

à leurs valeurs de référence zéro.  to their zero reference values.

La logique de commande décrite ci-dessus ne s'appuie généralement pas sur le séquençage des phases d'allure, car elle dépend uniquement de la détection de celles-ci, à savoir, si chaque jambe est en contact avec le sol, ou non, et non sur le séquençage, à savoir l'ordre d'apparition des différentes phases. On considère ceci comme un avantage, puisqu'elle permet au contrôleur de surveiller le système avec succès dans5 des situations qui peuvent ne pas être classées comme "allure normale". Par exemple, le même schéma de commande traite de manière satisfaisante la tâche de transition de la position debout à la position agenouillée, et vice-versa, de la position agenouillée I0 à la position debout. Lorsque l'opérateur se met à fléchir ses genoux et ses chevilles, pour baisser verticalement son tronc, les forces qui s'exercent à l'interface homme-machine, dans la région tronc-pelvis (interface 181), augmentent au-dessus de leur valeur de référence, augmentant, par suite, au-dessus de son niveau de référence, la différence entre les forces mesurées à l'interface 22 et à l'interface 182; la logique de commande impose immédiatement des commandes de vitesse aux actionneurs de la machine pour réduire ces erreurs, ce qui entraîne l'action d'agenouillement de celle-ci qui suit totalement le mouvement  The control logic described above is not generally based on the sequencing of the phases of pace, because it depends solely on the detection of these, namely, whether each leg is in contact with the ground, or not , and not on the sequencing, namely the order of appearance of the different phases. This is considered an advantage since it allows the controller to monitor the system successfully in situations that may not be classified as "normal pace". For example, the same control scheme satisfactorily treats the transition task from standing to kneeling, and vice versa, from kneeling position I0 to standing. When the operator begins to bend his knees and ankles, to lower his trunk vertically, the forces exerted on the human-machine interface, in the trunk-pelvis region (interface 181), increase above their reference value, thereby increasing, above its reference level, the difference between the forces measured at the interface 22 and at the interface 182; the control logic immediately imposes speed commands to the actuators of the machine to reduce these errors, resulting in the kneeling action of the latter which follows completely the movement

d'agenouillement de l'opérateur humain.  kneeling of the human operator.

On sait que les caractéristiques montrées et décrites ici, dans le contexte de formes de réalisation séparées, peuvent être fournies dans toutes les combinaisons possibles et qu'au contraire, chaque forme de réalisation illustrée et décrite qui comprend plusieurs caractéristiques peut, par ailleurs, être présentée avec une seule caractéristique, ou seulement  It is known that the features shown and described herein, in the context of separate embodiments, may be provided in all possible combinations and that, on the contrary, each illustrated and described embodiment which includes several features may, moreover, be presented with a single feature, or only

certaines de ces caractéristiques.some of these features.

Les spécialistes de l'art savent que la présente invention n'est pas limitée a ce qui a été spécifiquement décrit et représenté ci-dessus. Plus exactement, le domaine d'application de la présente  It is known to those skilled in the art that the present invention is not limited to what has been specifically described and shown above. More precisely, the scope of this

invention est limité seulement par les revendications  invention is limited only by the claims

qui suivent:that follow:

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Membre d'interface pied-sol comprenant: - un élément élastique définissant une zone de contact avec le sol le long de l'axe horizontal défini par le pied, de telle sorte qu'un point de moment zéro entre l'élément élastique et le sol se déplace en fonction du  A foot-ground interface member comprising: an elastic member defining an area of contact with the ground along the horizontal axis defined by the foot, such that a point of zero moment between the elastic member and the soil moves according to the mouvement de l'utilisateur humain.movement of the human user. 2. Membre d'interface pied-sol selon la revendication 1, qui agit pour emmagasiner de l'énergie lorsque le talon de l'utilisateur humain prend contact avec le sol, et pour libérer l'énergie emmagasinée lorsque les  The foot-ground interface member according to claim 1, which acts to store energy when the heel of the human user makes contact with the ground, and to release the stored energy when the orteils de l'utilisateur humain quittent le sol.  toes of the human user leave the ground. 3. Membre d'interface pied-sol comprenant: un élément élastique configuré pour avoir une rigidité différente telle que la rigidité est relativement faible pendant le contact du talon et relativement forte lorsque ce  A foot-ground interface member comprising: an elastic member configured to have a different rigidity such that rigidity is relatively low during heel contact and relatively high when dernier quitte le sol.last leaves the ground. 4. Membre d'interface pied-sol comprenant: - un membre de contact de pied; - un membre de contact de sol en relation d'articulation avec le membre de contact de pied; et - un membre élastique fixé à une extrémité du membre de contact de pied et à l'autre extrémité du membre de  4. Foot-ground interface member comprising: - a foot contact member; - a ground contact member in articulation relation with the foot contact member; and - an elastic member attached to one end of the foot contact member and at the other end of the limb member. contact de sol.ground contact. 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel  Apparatus according to claim 4, wherein le membre élastique comprend un ressort.  the elastic member comprises a spring.
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