FR2716826A1 - Appareil exosquelettique pour assister le travail musculaire d'un être humain. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système exosquelettique destiné à aider un utilisateur à porter une charge utile pendant qu'il se déplace sur le soi, 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.

Description

APPAREIL EXOSQUELETTIQUE POUR ASSISTER LE TRAVAIL MUSCULAIRE

D'UN ETRE HUMAIN

DOMAINE TECHNIQUE DE L'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 développer10 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'être5 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 un10 terrain, autrement infranchissable, et accomplir des tâches qui vont au-delà des capacités des 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

charges alors qu'il est debout.

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

d'une série d'actionneurs et de servo-contrôleurs.

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

support reposant sur un système maltre-esclave.

Plus récemment, un système appelé Pitman a été proposé par le Groupe américain Advanced Weapons

Technoloqv Group du Laboratoire National de Los Alamos.

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'explique5 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

contrainte de la part du système.

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,

actionné hydrauliquement, en est une illustration. Le bras est de type esclave télécommandé et correspond de fa-

çonbi-univoque avec son maître. 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

d'actionneurs, de capteurs, et d'électronique.

Plus récemment, H. Razerooni, 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.10 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

l'impédance de la machine à celle de l'opérateur.

Parce que la réflexion de charge intervient naturellement, le bras humain ressent une version réduite des charges

appliquées à l'extendeur.

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

problèmes de stabilité inhérents à un tel système.

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

détecter le centre de gravité de l'ensemble homme-

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 reliés à un ensemble de ressorts et de poulies qui emmagasinent et libèrent alternativement l'énergie nécessaire pourproduireune 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

directe entre l'utilisateur et la macnine. Bien que le dispo-

sitif soit utilea dans certains contextes précis, le Spring- walker souffre d'un problème de stabilité en position de repos.

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.

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

revêtir et retirer rapidement et facilement.

RESUME DE L'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

mouvement de l'appareil.

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

l'utilisateur.

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

moins le poids de l'utilisateur.

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

équilibre et une stabilité adéquates.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS ET DES ANNEXES

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 apparalt 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 enplus des patins de machine secondaires placés sous les pieds de l'utilisateur; La fig. 6 est une vue latérale schématique Io 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;

La fig. 7 est une description schématique des

éléments constitutifs d'un appareil selon la présente invention;

La fig. 8 est une description schématique de

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;

La fig. 11 est une description schématique de

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 méthode CTT. L'annexe A est une simulation logicielle d'un appareil exosquelettique utilisé pour faciliter l'action

de pédalage fixe.

DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFEREES

La présente invention porte sur un appareil robotique exosquelettique commandé en impédance qui peut être utilisé pour améliorer l'aptitude d'un

utilisateur à marcher et à porter des charges utiles.

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

description d'accompagnement.

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.

Dans la description et les revendications, le

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

pour but de limiter l'objet de la présente 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

à ceux-ci, à tous points de vue.

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

pour porter la charge.

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

possibles, comme décrit ci-dessous.

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

posant un ou les deux genoux au sol.

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 permettre la transmission des charges au sol. Les figures 1 à 4 décrivent un appareil selon la présente invention tel qu'il pourrait être lorsque porté

par un utilisateur dans différentes 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 de15 stabilisation inertiel approprié, incluant, mais non limité, des systèmes comportant des 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

l'interaction entre l'utilisateur et le sol.

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

stabiliser la charge utile par rapport à l'utilisateur.

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 s appuient sur une partie supérieure 32 du repose- pieds, du sol, lequel vient en contact avec la partie inférieure 34 du repose-pieds, écarté de la partie 5 supérieure 32. Une telle configuration allonge en effet les jambes de l'utilisateur qui peut ainsi se déplacer plus rapidement. Dans unmodederéalisation préféré d'un appareil selon la présente invention, présenté à la figure 6, et décrit en partie ci-dessus, l'interface bâti/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 interface15 bâti/utilisateur 42, au dos de ce dernier.

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

et trois 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 pari 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 fonctionner correctement. 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

puissance des muscles de l'utilisateur.

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

différentes liaisons de la manière souhaitée.

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

avec l'environnement.

A l'opposé, dans un système selon la présente invention, illustré schématiquement à la figure 10, il y a une interaction dynamique directe entre lo l'utilisateur et l'esclave. Le système est piloté en utilisant une commande d'impédance, enmode 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

d'équipement associé.

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,

ainsi qu'un modèle d'impédance à précision parfaite.

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 d'un dispositif employé pour porter des charges utiles. Le dispositif incorpore une paire de membres de jambes,5 110 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 contact avec le sol. 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

, ou en plaçant ladite charge sur ledit harnais.

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

du système, telle que décrite plus en détails ci-

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 est accompli de façon analogue au fonctionnement de l'articulation de lahanche humaine, telle que décrite de manière plus détaillée ci-dessous. Les figures 15 et 16, représentent, Io 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 illustré aux figures 16A à 16D.15 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

chaussure 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

horizontales nécessaires à guider l'appareil.

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

supportée ne puissent être transmises à l'utilisateur.

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

dans une partie du membre supérieure 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

support de la charge 400 et la tige de cuisse 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,

ressorts, et similaires.

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 I0 peut être une bande élastique, comme un sandow, et qui

est attaché à la tige de cuisse 406 et à la tige 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

étendue, avant de poser le pied au sol.

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,

de préférence au talon, de l'utilisateur.

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

conjointement aux chaussures de l'utilisateur.

Les figures 17 et 18 illustrent un dispositif à ressort qui est relié à la partie semelle de la 1o 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 à 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

s approche du sol, seul l'un des ressorts est comprimé.

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

une fois que la chaussure commence à quitter le sol.

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,

à proximité de son extrémité avant.

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 son pied du sol.10 Le mécanisme de la figure 19 profite de

cette séquence de marche pour faciliter le mouvement.

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

le torse humain et le bâti de charge utile 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

ledit membre structural 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

membre structural 44.

e. Un système de détection inertiel 62 associé à

la charge utile 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

95695, E.-U.

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

8TS, R.-U.

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

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

des capteurs de vitesse et de position 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

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

Deux méthodes sont maintenant décrites qui peuvent être employées par l'UC 50 pour commander les actionneurs asservis, en utilisant les données d'entrée

fournies par les capteurs.

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

structural (capteur 60).

2. FUL = vecteur de charge bâti-ceinture (capteur 54) 3. FUS = vecteur de charge utilisateur-élément structural (capteur 58) n 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

possible de zéro.

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,

Massachussetts, E.-U., 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 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 Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 17-

24, mars 1985.

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

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

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

Canada, 1992.

c. Recevoir des informations d'entrée sur les

positions et les vitesses de chaque articulation 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

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

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

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

mesure du possible fixe.

c. En utilisant la sortie de la phase b, générer des commandes pour le système d'asservissement 66 qui

contrôle le stabilisateur de charge utile 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 une 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 4810 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

quittent le sol.

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

dernier quitte le sol.

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

membre de contact de sol.

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,

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 élastique.

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,

telle qu'une mousse élastique.

c. Un élément élastique 74 associé à l'interface

48. L'élément élastique 74 est illustré à la 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

illustré à la 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 i'UC 50 de la

fig. 8.

Les segments 22 sont de préférence configurés pour être à la fois légers et structuralement résistants, et peuvent, par exemple, comporter des

tiges métalliques creuses.

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

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

indiqué par les flèches 92 et 94.

Le stabilisateur de charge utile 68 est monté fixement sur la partie horizontale du bâti 14. Le

stabilisateur 68 comprend deux parties verticales 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,

VA, 24141.

Le capteur 52 est monté sur le bâti 14. Entre le capteur 52 et la charge utile 40 se trouve l'élément

élastique 90, qui peut incorporer un ressort.

La fig. 21 illustre une vue latérale détaillée de l'association entre le bâti de charge utile 40 et la ceinture 56 de la 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

faciliter l'action de pédalage d'un utilisateur humain.

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

savoir, dans le plan de rotation de la pédale 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

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

actifs, tel que matérialisé par les flèches 33 et 35.

Le mouvement dans le sens indiqué par la flèche 33 est assuré par le moteur 37. Le mouvement dans le sens

indiqué par la flèche 35 est assuré par le moteur 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

METHODE 1 ci-dessus.

Un appareil de contrôle pour dispositif exosquelettique destiné à faciliter l'action de pédalage est décrit ci-dessous en référence aux figures

24 à 28.

L'appareil exosquelettique selon la présente invention est commandé par les mouvements de l'opérateur humain et destiné à supporter les charges extérieures portées par l'opérateur. L'appareil peut

également porter le poids de l'opérateur lui-même.

Pendant le fonctionnement, l'opérateur humain est responsable de la stabilité de l'appareil et commande les sens désirés de mouvement. L'appareil procure à 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

de celui-ci.

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

globale du système.

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

conditions d'incertitude.

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

est fondé sur des principes de contrôle d'impédance.

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,

mars 1985, pp 17 à 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

de l'interaction opérateur-appareil.

Pour simplifier le fonctionnement du système, nous allons adopter des valeurs idéales pour tous les éléments de l'illustration schématique, o: Fh = Fh' q = qc et

J = J'.

La fig. 25 représente cette situation idéale. 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 valeurs 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.

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 forces 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

*réduire ces forces au 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

fixe, ce qui facilite l'examen des composants.

L'opérateur humain reste aux commandes, et la charge de

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.

Le système mécanique comporte, de préférence, trois degrés de liberté, dont deux degrés actifs, et est entraîné 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

suffirait pour propulser les pédales de la bicyclette.

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

degrés de liberté pour réaliser l'expérience.

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,

n'est pas nécessaire.

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 (indiquée10 par la flèche 612), est mesuré.

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 contrôle15 d'impédance. Cette configuration permet de maîtriser

l'appareil, même dans des conditions critiques.

La fig. 27 montre schématiquement les

éléments utilisés dans l'expérience de la bicyclette.

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

de la force appliquée par l'opérateur sur le repose-

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 EFR et EFL appliquées, respectivement, aux repose-pieds droit et gauche. Les forces úFR 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

vitesse réelle.

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

finalement fermée par l'opérateur humain.

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;

3. découpler le contrôle.

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

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 n'existe dans le système de couplage. En effet, il est impossible d'éliminer tous les éléments de couplage du

modèle, puisque le modèle réel est inconnu.

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 Rn = commande, avec dimensions des forces généralisées Fex s 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.

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. Des considérations biomécaniques utiles pour concevoir un dispositif exosquelettique et faciliter les actions de marche, de course et de transport d'une

charge utile, vont être exposées maintenant.

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

de contact avec le sol.

La détection des phases peut être fondée sur les sorties des capteurs de force installés dans les

interfaces machine-sol (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

mesurées aux interfaces de la 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 lesvaleurs 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

jambe en mouvement est réglée à zéro.

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

décrites précédemment.

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

à leurs valeurs de référence zéro.

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 dans 5 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 agenouillée10 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

d'agenouillement de l'opérateur humain.

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

certaines de ces caractéristiques.

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

invention est limité seulement par les revendications

qui suivent:

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Appareil exosquelettique pour aider un utilisateur à porter une charge utile en se déplaçant 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 relié audit membre de jambe droite; - un membre de pied gauche relié audit membre de jambe gauche; - un appareil pour emmagasiner et récupérer l'énergie relié audit membre de pied droit; - un appareil pour emmagasiner et récupérer l'énergie reliée audit membre de pied gauche; et - une liaison charge utile/utilisateur connectée à la charge utile et auxdits membres de jambes droit et gauche, ladite liaison charge utile/utilisateur étant placée de manière que les charges exercées par l'utilisateur sur ladite liaison charge utile/utilisateur agissent pour guider le

mouvement de l'appareil.

2. Appareil exosquelettique pour aider un utilisateur à porter une charge utile en se déplaçant 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, ledit membre de jambe droite comportant un ensemble de hanche; - 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, ledit membre de jambe droite comportant un ensemble de hanche; - un membre de pied droit relié audit membre de jambe droite; - un membre de pied gauche relié audit membre de jambe gauche; et - une liaison charge utile/utilisateur connectée à la charge utile et connectée de plus auxdits membres de jambes droite et auxdits membres de jambe gauche, ladite liaison charge utile/utilisateur étant placée de manière que les charges excercées par l'utilisateur sur ladite liaison charge utile/utilisateur agissent pour guider le mouvement de l'appareil.

3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite liaison charge utile/utilisateur est placée à

proximité du dos de l'utilisateur.

4. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, dans lequel ladite liaison charge

utile/utilisateur a une forme essentiellement annulaire et enveloppe l'utilisateur essentiellement dans la zone de la

section moyenne.

5. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 4, sur lequel ledit membre de jambe droite

et ledit membre de jambe gauche comprennent, chacun, au moins deux segments, lesdits segments étant reliés les uns aux

autres par une articulation.

6. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite liaison

charge utile/utilisateur comprend un appareil pour supporter

au moins partiellement le poids de l'utilisateur.

7. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, comprenant de plus:

- un capteur pour détecter les charges entre chacun desdits membres de pieds et le pied correspondant de l'utilisateur; - un capteur pour détecter les charges entre chacun desdits membres de pieds et le sol; - un capteur pour détecter les charges entre l'utilisateur et ladite liaison charge utile/utilisateur; - un actionneur pour ledit membre de jambe droite; - un actionneur pour ledit membre de jambe gauche; - un système de commande raccordé auxdits capteurs et auxdits actionneurs pour commander le mouvement de l'appareil.

8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système de commande est un système à commande d'impédance.

9. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 8, comprenant, de plus, un appareil

d'emmagasinage d'énergie pour, alternativement, stocker l'énergie de l'utilisateur, et/ou de l'appareil, et/ou de la charge utile, et restituer au moins une partie de ladite énergie à l'utilisateur, et/ou à l'appareil, et/ou à la

charge utile.

10. Appareil selon la revendication 9, dans lequel ledit appareil d'emmagasinage d'énergie est relié auxdits

membres de pieds.

11. Appareil selon la revendication 9, dans lequel ledit appareil d'emmagasinage d'énergie comprend un mécanisme

à ressort.

12. Appareil selon la revendication 9, dans lequel ledit appareil d'emmagasinage d'énergie comprend un mécanisme

hydraulique.

13. Appareil selon la revendication 9, dans lequel ledit appareil d'emmagasinage d'énergie comprend un mécanisme pneumatique.

14. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 2 à 13, dans lequel ledit ensemble de hanche

comprend un appareil pour stabiliser l'appareil lorsqu'un

seul pied de l'utilisateur est en contact avec le sol.

15. Appareil selon la revendication 14, dans lequel ledit appareil pour stabiliser l'appareil comprend un

système de stabilisation inertiel.

16. Appareil selon l'une quelconque des

revendications 1 à 15, comprenant, en plus, une articulation

de cheville.