FR2929827A1

FR2929827A1 - SOLE WITH FORCE SENSORS.

Info

Publication number: FR2929827A1
Application number: FR0852480A
Authority: FR
Inventors: Viviane Cattin; Bernard Guilhamat; Rodolphe Heliot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-16
Also published as: WO2009136128A2; WO2009136128A3

Abstract

L'invention concerne une semelle instrumentée pour une mesure de forces en trois dimensions, comportant des dispositifs de mesure ponctuels (3) pourvus chacun d'un capteur (4) dont une tête (41) est apte à mesurer les trois composantes des forces subies par une tige rigide (43), et d'une plaque (6) support de surface supérieure à celle de la tête du capteur, la plaque étant plus rigide que le matériau (23) constitutif de la semelle et présentant un centre de symétrie approximativement aligné avec un axe de symétrie (z) du capteur.The invention relates to an instrumented soleplate for measuring forces in three dimensions, comprising spot measuring devices (3) each provided with a sensor (4), a head (41) of which is capable of measuring the three components of the forces undergone. by a rigid rod (43), and a plate (6) surface support greater than that of the sensor head, the plate being more rigid than the material (23) constituting the sole and having a center of symmetry approximately aligned with an axis of symmetry (z) of the sensor.

Description

B8730 - DD10464 1 SEMELLE À CAPTEURS DE FORCE B8730 - DD10464 1 FORCE SENSOR SOLE

Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale l'analyse de la marche et autres allures de locomotion humaine et, plus particulièrement, la mesure de forces subies par différentes régions du pied lors de ses appuis au sol. La présente invention concerne plus particulièrement la réalisation d'une semelle intégrant des capteurs de force. Exposé de l'art antérieur On connaît de nombreux systèmes pour analyser les 10 forces de réaction au sol et les pressions plantaires lors de la marche d'un être humain. Parmi ces systèmes, ceux utilisant des semelles instrumentées qui intègrent des capteurs de forces sont préférés à des systèmes basés sur des tapis de marche pour des raisons de 15 miniaturisation et de capacités de mesure en situation réelle. Pour améliorer l'analyse, on ne se contente plus d'une mesure des forces de pression (force normale au plan de la semelle) mais on cherche à tenir compte des forces de cisaillement (forces tangentielles). 20 Par exemple, le document W01997/018450 décrit un réseau matriciel de capteurs piézorésistifs susceptible d'être intégré dans une chaussure. Ce réseau est constitué de nombreuses couches B8730 - DD10464 FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the analysis of gait and other forms of human locomotion and, more particularly, the measurement of forces experienced by different regions of the foot during its ground support. The present invention relates more particularly to the production of a soleplate integrating force sensors. BACKGROUND OF THE INVENTION Many systems are known for analyzing ground reaction forces and plantar pressures when walking a human being. Among these systems, those using instrumented insoles that incorporate force sensors are preferred to treadmills based systems for reasons of miniaturization and real-world measurement capabilities. To improve the analysis, we are no longer satisfied with a measurement of the pressure forces (normal force at the plane of the sole) but we try to take into account the shear forces (tangential forces). For example, the document W01997 / 018450 describes a matrix network of piezoresistive sensors that can be integrated in a shoe. This network consists of many layers B8730 - DD10464

2 intégrées dans toute la surface de la semelle, ce qui ajoute de la dureté à la semelle et fausse son comportement. De plus, une rupture mécanique d'un conducteur, voire un défaut d'une zone piézorésistive rend hors service toute une 5 ligne et/ou colonne de la matrice. Par ailleurs, dans le montage matriciel du document susmentionné, les positions des mesures ne peuvent pas être choisies en fonction des informations que l'on souhaite recueillir. Ces inconvénients sont présents que ce soit pour des 10 structures dans lesquelles les zones piézorésistives sont capables de détecter des forces de pression entre la chaussure et le sol, ou des forces en cisaillement dans cette surface de contact. En outre, lorsque l'on souhaite tenir compte des forces tangentielles, il est souhaitable de ne tenir compte que des 15 forces qui résultent du lien au sol et non de la déformation de la semelle elle-même. Dans un capteur matriciel du type décrit dans le document susmentionné, les capteurs captent toutes les forces tangentielles sans distinction. Résumé de l'invention Il serait souhaitable de disposer d'une semelle instrumentée de capteurs de force qui pallie les inconvénients des techniques connues. Il serait également souhaitable que les capteurs de force ne dénaturent pas le comportement de la semelle. Il serait également souhaitable de pouvoir distinguer les forces de pression des forces de cisaillement. Il serait également souhaitable de ne prendre en compte que les forces de cisaillement qui sont liées aux interactions de la semelle avec le sol. 30 Pour atteindre tout ou partie des objets ainsi que d'autres, il est prévu une semelle instrumentée pour une mesure de forces en trois dimensions, comportant des dispositifs de mesure ponctuels pourvus chacun : d'un capteur dont une tête est apte à mesurer les 35 trois composantes des forces subies par une tige rigide ; et 20 25 B8730 - DD10464 2 integrated in the entire surface of the sole, which adds hardness to the sole and distorts its behavior. In addition, a mechanical break of a conductor, or even a defect of a piezoresistive zone renders out of service a whole line and / or column of the matrix. Furthermore, in the matrix assembly of the aforementioned document, the positions of the measurements can not be chosen according to the information that one wishes to collect. These disadvantages are present whether for structures in which the piezoresistive zones are able to detect pressure forces between the shoe and the ground, or shear forces in this contact surface. In addition, when considering tangential forces, it is desirable to consider only the forces that result from the ground connection and not the deformation of the sole itself. In a matrix sensor of the type described in the aforementioned document, the sensors capture all the tangential forces without distinction. SUMMARY OF THE INVENTION It would be desirable to have an instrumented outsole of force sensors that overcomes the disadvantages of known techniques. It would also be desirable for the force sensors not to distort the behavior of the sole. It would also be desirable to be able to distinguish the pressure forces from the shear forces. It would also be desirable to take into account only the shear forces that are related to the interactions of the sole with the ground. To achieve all or part of the objects as well as others, there is provided an instrumented soleplate for a measurement of forces in three dimensions, comprising spot measuring devices each provided with: a sensor whose head is able to measure the Three components of the forces undergone by a rigid rod; and 20 B8730 - DD10464

3 d'une plaque support de surface supérieure à celle de la tête du capteur, la plaque étant plus rigide que le matériau constitutif de la semelle et présentant un centre de symétrie approximativement aligné avec un axe de symétrie du capteur. 3 a support plate surface greater than that of the sensor head, the plate being more rigid than the material constituting the sole and having a center of symmetry approximately aligned with an axis of symmetry of the sensor.

Selon un mode de réalisation, la tête du capteur comporte une membrane apte à subir des déformations sous l'effet de la tige et portant des jauges de contraintes aptes à fournir des signaux représentatifs d'une déformation de la membrane. Selon un mode de réalisation, les dispositifs de mesure sont répartis le long de la fibre neutre de la semelle. Selon un mode de réalisation, la surface de la plaque est choisie en fonction de la résolution souhaitée pour le caractère ponctuel des mesures. Selon un mode de réalisation, la plaque a une surface 15 comprise entre 1 et 3 cm2. Selon un mode de réalisation, les capteurs, leurs plaques respectives et des conducteurs aptes à véhiculer les signaux électriques sont noyés dans le matériau constitutif de la semelle. 20 Selon un mode de réalisation, pour mesurer des efforts d'un pied au sol au moyen d'un capteur, la plaque correspondante est située côté pied par rapport au capteur. Selon un mode de réalisation, pour mesurer des efforts de la plante du pied sur la semelle au moyen d'un capteur, la 25 plaque correspondante est disposée côté sol par rapport au capteur. Selon un mode de réalisation, la semelle inclut des circuits de traitement des mesures effectuées par les capteurs. Selon un mode de réalisation, les positions respec- 30 tives des dispositifs de mesure dans la surface de la semelle sont choisies en fonction des informations souhaitées sur la marche ou autre allure d'un être portant la semelle. Selon un mode de réalisation, la semelle est intégrée dans une chaussure. According to one embodiment, the sensor head comprises a membrane capable of undergoing deformation under the effect of the rod and carrying strain gauges capable of providing signals representative of a deformation of the membrane. According to one embodiment, the measurement devices are distributed along the neutral fiber of the soleplate. According to one embodiment, the surface of the plate is chosen according to the desired resolution for the punctual nature of the measurements. According to one embodiment, the plate has a surface area of between 1 and 3 cm 2. According to one embodiment, the sensors, their respective plates and conductors capable of conveying the electrical signals are embedded in the material constituting the soleplate. According to one embodiment, in order to measure forces of a foot on the ground by means of a sensor, the corresponding plate is located on the foot side with respect to the sensor. According to one embodiment, for measuring sole forces on the soleplate by means of a sensor, the corresponding plate is disposed on the ground side relative to the sensor. According to one embodiment, the sole includes measurement processing circuits performed by the sensors. According to one embodiment, the respective positions of the measuring devices in the surface of the sole are chosen according to the desired information on the step or other pace of a being wearing the sole. According to one embodiment, the sole is integrated into a shoe.

B8730 - DD10464 B8730 - DD10464

4 Selon un mode de réalisation, la semelle est intégrée dans une chaussette. Il est également prévu un système de collecte d'informations relatives aux forces en trois dimensions imprimées par un être humain ou animal sur le sol lors de la marche ou autre allure, comportant : au moins une semelle équipant un des pieds de l'être humain ou animal ; et au moins une unité de traitement de signaux élec-10 triques fournis par les capteurs. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 15 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue schématique générale d'un mode de réalisation d'une chaussure à semelle instrumentée ; la figure 2 est une vue schématique de l'intérieur d'une semelle instrumentée ; 20 la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de mesure de forces d'une semelle instrumentée ; la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une variante du dispositif de la figure 3 ; 25 la figure 5 est une vue latérale en coupe illustrant un exemple de localisation de dispositifs de mesure dans l'épaisseur de la semelle ; et la figure 6 est un schéma bloc d'un mode de réalisation d'un système de mesure. 30 Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits. En particulier, l'exploitation 35 des signaux électriques fournis par la semelle instrumentée n'a B8730 - DD10464 According to one embodiment, the sole is integrated into a sock. There is also provided a system for collecting information relating to the forces in three dimensions printed by a human or animal on the ground during the walk or other pace, comprising: at least one sole equipping one of the feet of the human being or animal; and at least one electrical signal processing unit provided by the sensors. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular non-limiting embodiments in connection with the accompanying figures, of which: FIG. schematic overview of an embodiment of an instrumented sole shoe; Figure 2 is a schematic view of the interior of an instrumented sole; Fig. 3 is a schematic perspective view of a preferred embodiment of a device for measuring forces of an instrumented outsole; Figure 4 is a schematic sectional view of a variant of the device of Figure 3; Figure 5 is a sectional side view illustrating an example of location of measuring devices in the thickness of the sole; and Figure 6 is a block diagram of one embodiment of a measurement system. DETAILED DESCRIPTION The same elements have been designated with the same references in the various figures. For the sake of clarity, only the elements useful for understanding the invention have been shown and will be described. In particular, the exploitation of the electrical signals provided by the instrumented insole does not have the B8730 - DD10464

pas été détaillée, l'invention exploitation habituelle. De plus, l'intégration des dispositifs de détaillé, l'invention étant là 5 techniques usuelles de réalisation Pour simplifier et sauf par la suite référence à la marche pour désigner l'ensemble des allures et mouvements possibles (marche, saut, course, etc.). La figure 1 est une vue latérale schématique d'une chaussure 1 équipée d'une semelle 2 instrumentée de capteurs selon un mode de réalisation de la présente invention. Cette semelle est soit rapportée sous une semelle existante de la chaussure, soit comme cela est représenté, constitue la semelle de la chaussure. not detailed, the usual exploitation invention. In addition, the integration of detailed devices, the invention being there 5 customary techniques for making it simpler and except thereafter reference to walking to designate all possible gaits and movements (walking, jumping, running, etc. .). Figure 1 is a schematic side view of a shoe 1 equipped with an insole 2 instrumented sensors according to an embodiment of the present invention. This sole is either attached under an existing sole of the shoe, or as shown, constitutes the sole of the shoe.

La figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'une semelle instrumentée, par exemple destinée à équiper une chaussette ou la chaussure de la figure 1. Selon ce mode de réalisation, plusieurs dispositifs ponctuels 3 de mesure de force sont répartis à des endroits de la semelle 2 d'où l'on souhaite tirer une information sur la force normale (pression) et sur les forces tangentielles (cisaillement) subies à ces différents endroits. La connaissance locale des forces tangentielles permet en particulier l'analyse du déroulé du pied lors de la marche. FIG. 2 is a view from above of an embodiment of an instrumented soleplate, for example intended to equip a sock or the shoe of FIG. 1. According to this embodiment, several point-of-force measuring devices 3 are distributed at locations in sole 2 from which it is desired to derive information on the normal force (pressure) and the tangential forces (shear) experienced at these different locations. Local knowledge of tangential forces allows in particular the analysis of the unfolding of the foot during walking.

Chaque dispositif 3 est relié, de préférence par des fils 51 de communication des mesures, réunis en un bus 52, à un connecteur 25 vers l'extérieur. Le cas échéant, des circuits de prétraitement de signaux électriques produits par des capteurs de force que comportent respectivement les dispositifs 3 sont intégrés dans la semelle par exemple au niveau du connecteur 25. Il s'agit, par exemple, de circuits de synchronisation permet-tant de sérialiser ou de multiplexer les informations sur un bus série. Le cas échéant, la transmission à destination d'un système de traitement externe à la semelle est effectuée par des moyens d'émission sans fil. étant compatible avec toute le moulage de la semelle pour mesure n'a pas non plus été encore compatible avec les des semelles de chaussures. précision contraire, on fera B8730 - DD10464 Each device 3 is connected, preferably by son 51 communication measures, joined in a bus 52, to a connector 25 to the outside. Where appropriate, circuits for preprocessing electrical signals produced by force sensors that respectively comprise the devices 3 are integrated in the soleplate, for example at the level of the connector 25. These are, for example, synchronization circuits that make it possible to to serialize or multiplex the information on a serial bus. Where appropriate, the transmission to a treatment system external to the sole is performed by wireless transmission means. being compatible with all the molding of the sole for measurement has also not yet been compatible with the soles of shoes. otherwise, we will do B8730 - DD10464

6 La figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de mesure 3 de la semelle de la figure 2. Selon ce mode de réalisation, un dispositif 3 de 5 mesure ponctuel comporte un microcapteur 4 de type capteur de forces 3D ou tri-axe. Dans l'exemple de la figure 3, le capteur 4 comporte une membrane déformable 41 (tête du capteur) équipée de jauges de contraintes 42 et d'une tige rigide 43 reliée à la membrane 10 41. Un axe z de symétrie de la tige 43 est perpendiculaire au plan (x, y) de la membrane 41 au repos et est aligné avec le centre de symétrie de la membrane, de préférence circulaire. La section de la tige 43 est inférieure à la surface de la membrane 41. Les jauges de contraintes 42 sont préférentiellement au 15 nombre de 4 et sont régulièrement réparties. La membrane est, par exemple, portée par un substrat 45 sur lequel sont réalisées des pistes conductrices 44 jusqu'à des plots 46 de raccordement aux fils 51 (figure 2). Le dispositif de mesure 3 comporte également une 20 plaque 6 portant le capteur 4. Cette plaque 6 est plus rigide que le matériau constitutif du reste de la semelle 2 et que la membrane 41. La plaque 6 est plus grande que la membrane 41 et que la section de l'extrémité libre de la tige 43. La taille de la plaque support 6 conditionne la définition des mesures (leur 25 caractère ponctuel). Plus la plaque 6 est de dimension réduite, plus la mesure est locale. A l'inverse, plus la plaque est de dimension importante plus la mesure est globale. Le rôle de la plaque 6 est de fournir un effet de rétroaction des contraintes imprimées par la tige 43 sur la membrane 41 et d'éviter que ces 30 contraintes ne soient absorbées par la semelle qui est géné- ralement dans un matériau plus souple. La plaque 6 est, comme cela est représenté, rapportée à l'arrière du substrat. La plaque 6 présente de préférence un centre de symétrie aligné avec l'axe de symétrie z de la tige 43 (donc avec le centre de 35 symétrie de la membrane 41) pour faciliter l'interprétation des B8730 - DD10464 FIG. 3 is a perspective view of a preferred embodiment of a measuring device 3 of the sole plate of FIG. 2. According to this embodiment, a device 3 of point measurement comprises a microsensor 4 of the type 3D or tri-axis force sensor. In the example of FIG. 3, the sensor 4 comprises a deformable membrane 41 (sensor head) equipped with strain gauges 42 and a rigid rod 43 connected to the membrane 41. A z-axis of symmetry of the rod 43 is perpendicular to the plane (x, y) of the membrane 41 at rest and is aligned with the center of symmetry of the membrane, preferably circular. The section of the rod 43 is smaller than the surface of the membrane 41. The strain gauges 42 are preferably at the number of 4 and are regularly distributed. The membrane is, for example, carried by a substrate 45 on which are made conductive tracks 44 to pads 46 for connection to the son 51 (Figure 2). The measuring device 3 also comprises a plate 6 carrying the sensor 4. This plate 6 is more rigid than the material constituting the remainder of the soleplate 2 and the membrane 41. The plate 6 is larger than the membrane 41 and that the section of the free end of the rod 43. The size of the support plate 6 determines the definition of the measurements (their point character). The smaller the plate 6, the more local the measurement. On the other hand, the larger the plate, the more the measurement is global. The role of the plate 6 is to provide a feedback effect of the stresses impressed by the rod 43 on the membrane 41 and to prevent these stresses from being absorbed by the soleplate which is generally in a softer material. The plate 6 is, as shown, attached to the rear of the substrate. The plate 6 preferably has a center of symmetry aligned with the axis of symmetry z of the rod 43 (thus with the center of symmetry of the diaphragm 41) to facilitate the interpretation of the B8730 - DD10464

7 mesures. Elle est, par exemple, carrée, ronde, hexa ou octogonale, etc. Un exemple de réalisation d'un microcapteur 4 est décrit dans le document EP-A-1 275 949. Ce microcapteur y est nommé de type clou. Un autre exemple de capteur de forces de type clou est décrit dans la demande de brevet européen EP-A-1 688 733 du demandeur. Les capteurs miniatures décrits dans le document EP-A-1 275 949 sont réalisés en utilisant les technologies de fabri- cation des circuits semiconducteurs. Plus particulièrement, la tige 43 est en silicium et présente un diamètre de quelques dizaines de micromètres. Lorsque cette tige est soumise à une force, elle crée une déformation locale de la membrane 41. Cette déformation est captée par les jauges de contraintes 42. Ces jauges de contraintes émettent des signaux véhiculés par les conducteurs 44. En utilisant de tels capteurs, le traitement opéré par les circuits électroniques contenus dans la semelle ou externe à celle-ci permettent de déterminer les trois composantes de la force subie par la tige 43 de chaque capteur (deux composantes dans le plan de la membrane 41 et une composante perpendiculaire à celui-ci). Selon un mode de réalisation, les capteurs 4 illustrés par la figure 3 sont avec leurs réseaux filaires de raccordement 25 noyés dans le matériau constitutif de la semelle. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'une variante de dispositif de mesure. Chaque capteur 4 est dans un boîtier ou substrat 45 qui est, en face avant, ouvert autour de la tige 43 pour per- 30 mettre à celle-ci de bouger et de déformer la membrane 41. Les jauges de contraintes 42 sont portées par la face de la membrane 41 opposée à la tige 43. Le boîtier ou substrat 45 définit, à l'arrière de la membrane par rapport à la tige 43, une chambre 47 recevant les déformations de la membrane. La chambre 47 est 35 généralement remplie de gaz. 7 measures. It is, for example, square, round, hex or octagonal, etc. An exemplary embodiment of a microsensor 4 is described in document EP-A-1 275 949. This microsensor is named nail type. Another example of a nail-type force sensor is described in the applicant's European patent application EP-A-1,688,733. The miniature sensors described in EP-A-1 275 949 are made using semiconductor circuit manufacturing technologies. More particularly, the rod 43 is made of silicon and has a diameter of a few tens of micrometers. When this rod is subjected to a force, it creates a local deformation of the membrane 41. This deformation is captured by the strain gauges 42. These strain gauges emit signals carried by the conductors 44. Using such sensors, the processing performed by the electronic circuits contained in the sole or external thereto make it possible to determine the three components of the force undergone by the rod 43 of each sensor (two components in the plane of the membrane 41 and a component perpendicular thereto). this). According to one embodiment, the sensors 4 illustrated in FIG. 3 are with their wired connection networks 25 embedded in the material constituting the soleplate. Figure 4 is a cross-sectional view of an alternative measuring device. Each sensor 4 is in a housing or substrate 45 which is, on the front face, open around the rod 43 to allow it to move and deform the membrane 41. The strain gauges 42 are carried by the face of the membrane 41 opposite the rod 43. The housing or substrate 45 defines, at the rear of the membrane relative to the rod 43, a chamber 47 receiving the deformations of the membrane. Chamber 47 is generally filled with gas.

B8730 - DD10464 B8730 - DD10464

8 La plaque support 6 est rapportée sur le fond du boîtier 45 à l'opposé de la tige 41. Dans l'exemple de la figure 4, la plaque 6 est en deux parties 61 et 62. La partie 61 comporte une ouverture centrale 611 à l'aplomb d'une partie centrale du fond du capteur. Cette ouverture 611 communique avec une chambre 64 définie par les faces des parties 61 et 62 en regard l'une de l'autre et sert notamment au raccordement électrique du capteur 4. Par exemple, la plaque arrière 62 comporte un via 621 de passage de la liaison filaire 51 dont les extrémités des fils sont raccordées à des pistes conductrices portées par la face arrière (par rapport au capteur 4) de la plaque avant 61 et débouchant dans la chambre 64 pour raccorde-ment par fils 63 au connecteur 46 (ou équivalent) du capteur 4. La chambre 64 est, par exemple, finalement comblée avec une résine. En figure 4, le dispositif de mesure 3 a été illustré enrobé dans le matériau 23 de la semelle 2. L'orientation d'un dispositif de mesure donné dans la semelle dépend de l'information que l'on souhaite qu'il mesure. Si la plaque 6 se trouve côté pied par rapport au capteur 4, la mesure renseigne de la réaction du sol sur le pied, donc sur les efforts du pied au sol. A l'inverse, si la plaque 6 est côté sol par rapport au capteur 4 (tige vers le haut), la mesure renseigne de la réaction du pied sur le sol, donc sur les efforts de la plante du pied sur la semelle. Les différentes dispositions peu- vent être combinées dans une même semelle à différents endroits de celle-ci. Chaque dispositif de mesure 3 ne comporte qu'une seule plaque 6 (le cas échéant en plusieurs parties). En effet, si un capteur 4 est encadré de deux plaques rigides côté tige 43 et côté membrane 41, il ne mesure plus rien. A l'inverse, en l'absence de plaque 6, le capteur 4 bouge dans le matériau relativement souple de la semelle, ce qui fausse les mesures. D'autres capteurs 3D pourront être utilisés, pourvu qu'ils forment des dispositifs de mesure ponctuels et suf- fisamment petits (de préférence de moins de 2 cm2). 8 The support plate 6 is attached to the bottom of the housing 45 opposite the rod 41. In the example of Figure 4, the plate 6 is in two parts 61 and 62. The portion 61 has a central opening 611 in line with a central part of the bottom of the sensor. This opening 611 communicates with a chamber 64 defined by the faces of the parts 61 and 62 facing one another and serves in particular for the electrical connection of the sensor 4. For example, the rear plate 62 has a via 621 for passage of the wired link 51, the ends of the wires of which are connected to conductive tracks carried by the rear face (relative to the sensor 4) of the front plate 61 and opening into the chamber 64 for wire connection 63 to the connector 46 (or equivalent) of the sensor 4. The chamber 64 is, for example, finally filled with a resin. In FIG. 4, the measuring device 3 has been illustrated embedded in the material 23 of the sole 2. The orientation of a given measurement device in the sole depends on the information that it is desired to measure. If the plate 6 is on the foot side with respect to the sensor 4, the measurement provides information on the reaction of the ground on the foot, and thus on the forces of the foot on the ground. Conversely, if the plate 6 is on the ground side with respect to the sensor 4 (stem upwards), the measurement indicates the reaction of the foot on the ground, therefore on the efforts of the sole of the foot on the sole. The different layouts can be combined in the same sole at different places of the same. Each measuring device 3 has only one plate 6 (if necessary in several parts). Indeed, if a sensor 4 is framed by two rigid plates rod side 43 and membrane side 41, it does not measure anything. Conversely, in the absence of plate 6, the sensor 4 moves in the relatively flexible material of the sole, which distorts the measurements. Other 3D sensors may be used, provided that they form punctual and sufficiently small measuring devices (preferably less than 2 cm2).

B8730 - DD10464 B8730 - DD10464

9 Les positions respectives des dispositifs de mesure, donc des capteurs dans la surface de la semelle, sont choisies en fonction des mesures souhaitées et plus particulièrement de l'allure ou du mouvement que l'on souhaite étudier. The respective positions of the measuring devices, therefore the sensors in the surface of the sole, are chosen according to the desired measurements and more particularly of the pace or the movement which one wishes to study.

Par exemple, des capteurs placés dans le talon ou au bout du pied fournissent une information relative à l'appui. On peut alors déterminer, par exemple, si la personne est debout, accroupie, assise, en appui vers l'arrière ou vers l'avant. Pour mesurer des informations relatives à la marche, on positionne de préférence plusieurs capteurs le long de la ligne que suit le point d'appui au sol pendant le déroulé du pied comme l'illustre la figure 2. Pour des applications orientées vers l'étude des sauts, plusieurs capteurs sont de préférence placés sous des zones d'amorties (régions postérieures et antérieures de la plante) ou de propulsion (bords externes de la plante et gros orteil). La figure 5 est une vue latérale en transparence et schématique d'un mode de réalisation d'une semelle instrumentée. For example, sensors placed in the heel or the foot of the foot provide information relating to the support. We can then determine, for example, if the person is standing, squatting, sitting, bearing backwards or forwards. To measure gait information, several sensors are preferably positioned along the line that follows the ground support point during the unwinding of the foot as shown in Figure 2. For study-oriented applications jumps, several sensors are preferably placed under areas of amortization (posterior and anterior regions of the plant) or propulsion (outer edges of the plant and big toe). Figure 5 is a side view in transparency and schematic of an embodiment of an instrumented sole.

Les dispositifs de mesure 3, donc les capteurs 4, sont répartis le long d'un plan couramment appelé fibre neutre de la semelle. La fibre neutre (symbolisée par un pointillé 27 en figure 5) correspond, dans l'épaisseur de la semelle, à la région où le matériau se déforme le moins par lui-même. En effet, on recherche à mesurer les déformations qui résultent des forces liées au sol et non les déformations de la semelle seule. Dans le cas d'une semelle parfaitement plane, la fibre neutre est également plane. Toutefois, la plupart du temps l'épaisseur de la semelle varie selon ces régions et la fibre neutre est ondulée comme l'illustre la figure 5. La fibre neutre d'une semelle est déterminée par modélisation ou simulation, elle dépend de la géométrie de la semelle. Le plus souvent, le matériau d'enrobage 23 qui constitue la semelle et qui enrobe les dispositifs de mesure 3 a une dureté Shore comprise entre 40 A et 50 A. La plaque 6 est rigide B8730 - DD10464 The measuring devices 3, and therefore the sensors 4, are distributed along a plane commonly called the neutral fiber of the soleplate. The neutral fiber (symbolized by a dotted line 27 in FIG. 5) corresponds, in the thickness of the sole, to the region where the material is deformed the least by itself. Indeed, one seeks to measure the deformations which result from the forces related to the ground and not the deformations of the sole sole. In the case of a perfectly flat sole, the neutral fiber is also flat. However, most of the time the thickness of the sole varies according to these regions and the neutral fiber is corrugated as shown in FIG. 5. The neutral fiber of a sole is determined by modeling or simulation, it depends on the geometry of the sole. the sole. Most often, the coating material 23 which constitutes the soleplate and which coats the measuring devices 3 has a Shore hardness between 40 A and 50 A. The plate 6 is rigid B8730 - DD10464

10 (d'une dureté suffisante pour ne pas se déformer pendant la marche ou le saut, par exemple en matériau époxy FR4). Selon un exemple particulier de réalisation, les dispositifs de mesure sont noyés dans une semelle en un matériau de type élastomère en polyuréthane présentant une dureté Shore de l'ordre de 40 A. Un tel matériau présente peu de mémoire de forme. On pourra également choisir du caoutchouc. Un matériau ayant peu de mémoire de forme permet d'obtenir une hystérésis faible à la compression et de limiter ainsi l'atténuation de la mesure lors de mouvement dynamique. Cela limite également le fluage qui se traduit par une dérive irréversible d'une mesure statique. L'élastomère en polyuréthane présente en outre l'avantage d'être suffisamment rigide pour être insensible aux rugosités/irrégularités du sol et suffisamment souple pour que les efforts globaux transmis par le matériau déforment la membrane du capteur de force et permettent une mesure. La rigidité du matériau d'enrobage 23 est conditionnée par les forces maximales que peuvent supporter les capteurs. 10 (hard enough to not deform during walking or jumping, for example FR4 epoxy material). According to a particular embodiment, the measuring devices are embedded in a sole of a polyurethane elastomer type material having a Shore hardness of the order of 40 A. Such a material has little shape memory. We can also choose rubber. A material having little shape memory makes it possible to obtain a low hysteresis on compression and thus to limit the attenuation of the measurement during dynamic movement. This also limits the creep which results in an irreversible drift of a static measurement. The polyurethane elastomer also has the advantage of being sufficiently rigid to be insensitive to the roughness / unevenness of the soil and sufficiently flexible so that the overall forces transmitted by the material deform the membrane of the force sensor and allow measurement. The rigidity of the coating material 23 is conditioned by the maximum forces that the sensors can withstand.

Plus précisément, la dureté de la semelle 2 doit être suffisante pour que les forces qu'elle transmet aux tiges 43 des capteurs n'excèdent pas la capacité de déformation de leur membrane 41, faute de quoi le capteur risque d'être endommagé. A l'inverse, si la dureté de la semelle est trop importante, d'une part, elle s'éloigne des conditions réelles et d'autre part, la sensibilité des dispositifs de mesure 3 est réduite. A titre d'exemple particulier de réalisation, l'extrémité libre de la tige 43 des capteurs présente un diamètre d'environ 2 mm (surface de l'ordre de 3,14 mm2) et le substrat 45 a des dimensions de l'ordre de 3x5 mm2. Avec de telles dimensions, les forces maximales que subit ce capteur, pour une semelle 2 de dureté Shore de 40 A, sont de l'ordre d'un Newton pour un marcheur, de deux à trois Newtons pour un coureur, et de six Newtons pour un sauteur. More specifically, the hardness of the sole 2 must be sufficient so that the forces it transmits to the rods 43 of the sensors do not exceed the capacity of deformation of their membrane 41, otherwise the sensor may be damaged. Conversely, if the hardness of the sole is too great, on the one hand, it moves away from real conditions and on the other hand, the sensitivity of the measuring devices 3 is reduced. As a particular embodiment, the free end of the rod 43 of the sensors has a diameter of about 2 mm (area of the order of 3.14 mm 2) and the substrate 45 has dimensions of the order of 3x5 mm2. With such dimensions, the maximum forces experienced by this sensor, for a 40 A shore hardener 2, are of the order of one Newton for a walker, two to three Newtons for a runner, and six Newtons for a jumper.

B8730 - DD10464 B8730 - DD10464

11 Avec de telles dimensions, une plaque de réaction 6 carrée de l'ordre de 1 à 3 cm2 convient. Si la densité des capteurs dans la semelle est importante, les supports 6 doivent être de dimensions plus réduites de façon à assurer une concen- tration locale des efforts sous le capteur sans perturber la transmission des efforts entre les capteurs noyés dans la semelle. A l'inverse, si la semelle comporte peu de capteurs, le support doit être assez grand pour concentrer les efforts dans la zone de mesure en restant préférentiellement de l'ordre centimétrique afin de ne pas trop déformer la semelle. La figure 6 est un schéma bloc illustrant un système d'exploitation des mesures effectuées par deux semelles instrumentées 2g et 2d telles que décrites ci-dessus. Les signaux issus des capteurs 4 sont, dans cet exemple, prétraités (notam- ment numérisés) par des circuits 25 des semelles et sont transmis par des liaisons radiofréquence jusqu'à un récepteur, symbolisé par une antenne 71 associée à une unité de traitement 73 (PU) de type microprocesseur d'un système informatique. Les mesures sont, de préférence, stockées en mémoire 75 pour analyse ulté- rieure. L'unité centrale 73 est associée à un ou plusieurs périphériques de restitution des mesures, par exemple une imprimante 77 et un écran 79. En variante, les semelles 2 intègrent des éléments de numérisation et de stockage des mesures qui sont déchargées ultérieurement, avec ou sans fil, vers un système d'analyse. Le cas échéant, les semelles 2 peuvent être dotées d'un mécanisme de multiplexage temporel permettant l'acquisition simultanée des voies verticales des capteurs puis de leurs voies longitudinales et enfin des voies transversales. With such dimensions, a square reaction plate of the order of 1 to 3 cm 2 is suitable. If the density of the sensors in the soleplate is large, the supports 6 must be smaller in size so as to ensure a local concentration of the forces under the sensor without disturbing the transmission of the forces between the sensors embedded in the soleplate. Conversely, if the sole has few sensors, the support must be large enough to concentrate the forces in the measurement zone while remaining preferably of centimeter order so as not to deform the sole too much. FIG. 6 is a block diagram illustrating an operating system of the measurements made by two instrumented inserts 2g and 2d as described above. The signals from the sensors 4 are, in this example, pretreated (in particular digitized) by circuits 25 of the soles and are transmitted by radiofrequency links to a receiver, symbolized by an antenna 71 associated with a processing unit 73 (PU) microprocessor type of a computer system. The measurements are preferably stored in memory 75 for further analysis. The central unit 73 is associated with one or more measurement reproduction devices, for example a printer 77 and a screen 79. In a variant, the soles 2 incorporate elements for digitizing and storing the measurements that are subsequently discharged, with or without wireless, to an analysis system. Where appropriate, the soles 2 may be provided with a temporal multiplexing mechanism allowing the simultaneous acquisition of the vertical channels of the sensors then of their longitudinal channels and finally of the transverse channels.

Dans le cas de capteurs 4 possédant quatre jauges de contraintes 42 régulièrement réparties par rapport au centre de la membrane 41, on peut définir un repère de centre correspondant au centre de la membrane et dont les axes sont respectivement définis par l'axe de la tige 43 (axe normal z, figure 3) et par les deux paires de jauges diamétralement opposées B8730 - DD10464 In the case of sensors 4 having four strain gauges 42 regularly distributed with respect to the center of the membrane 41, it is possible to define a center mark corresponding to the center of the membrane and whose axes are respectively defined by the axis of the rod. 43 (normal axis z, FIG. 3) and by the two pairs of diametrically opposed gauges B8730 - DD10464

12 (axes transversaux x et y). Les différences respectives entre les informations extraites des signaux fournis par chaque paire de jauges diamétralement opposées fournissent les informations sur les deux composantes tangentielles (horizontales) de la force appliquée tandis que la somme des informations extraites des quatre jauges fournit l'information sur la composante normale. Si le capteur est orienté pour que l'un de ses axes horizontaux soit parallèle à la direction longitudinale de la semelle, on obtient directement les informations longitudinales et trans- versales. D'autres interprétations sont possibles avec des capteurs ayant un nombre différent de jauges de contraintes (par exemple, trois ou six). Divers traitements et interprétations des signaux peu-15 vent être prévus. Selon un premier exemple, les signaux issus des différents dispositifs de mesure sont traités indépendamment pour obtenir des données localisées. Selon un autre exemple, tout ou partie des mesures des 20 dispositifs sont fusionnées pour obtenir des informations plus globales. Par exemple, connaissant la surface sensible (section S de la tige 43) d'un capteur 4, on peut calculer une pression P comme étant égale au rapport de la force Fz selon l'axe vertical z sur la surface. Les données issues de tous les capteurs peu- 25 vent alors être fusionnées pour fournir une mesure globale des forces du pied. Par exemple, la somme temporelle de chaque force verticale fournit une composante de la force globale de l'appui au sol. On peut également exploiter les mesures sous la forme 30 d'une représentation du vecteur de la direction de la force globale calculée à chaque instant afin d'exploiter le suivi dynamique du vecteur d'appui. Il est désormais possible d'exploiter des mesures locales du vecteur de forces tridimensionnel subi par la semelle B8730 - DD10464 12 (transverse axes x and y). The respective differences between the information extracted from the signals provided by each pair of diametrically opposed gauges provide the information on the two tangential (horizontal) components of the applied force while the sum of the information extracted from the four gauges provides information on the normal component. . If the sensor is oriented so that one of its horizontal axes is parallel to the longitudinal direction of the sole, the longitudinal and transversal information is obtained directly. Other interpretations are possible with sensors having a different number of strain gages (for example, three or six). Various signal processing and interpretation may be provided. In a first example, the signals from the different measuring devices are processed independently to obtain localized data. In another example, all or some of the measures of the devices are merged to obtain more global information. For example, knowing the sensitive surface (section S of the rod 43) of a sensor 4, a pressure P can be calculated as being equal to the ratio of the force Fz along the vertical axis z on the surface. The data from all the sensors can then be merged to provide an overall measure of foot strength. For example, the temporal sum of each vertical force provides a component of the overall force of the ground support. Measurements can also be used in the form of a representation of the global force direction vector calculated at each instant in order to exploit the dynamic tracking of the support vector. It is now possible to exploit local measurements of the three-dimensional force vector undergone by the sole B8730 - DD10464

13 que ce soit côté plante du pied ou côté sol. Il est également possible de combiner ces mesures au sein d'une même semelle. Même dans le cas d'une disposition matricielle des capteurs, ceux-ci resteront individuellement portés par une plaque support de façon à préserver le caractère local des mesures à la différence d'une plaque portant plusieurs capteurs. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le choix des implantations des capteurs dans la semelle dépend du type de mesure que l'on souhaite effectuer. De plus, l'interprétation des mesures est à la portée de l'homme du métier en fonction des données qu'il souhaite collecter et en utilisant des outils de traitement numériques habituels. Whether it is the sole of the foot or the ground side. It is also possible to combine these measurements within the same sole. Even in the case of a matrix arrangement of the sensors, they will remain individually carried by a support plate so as to preserve the local character of the measurements unlike a plate carrying several sensors. Various embodiments have been described. Various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. In particular, the choice of sensor locations in the sole depends on the type of measurement that is desired. In addition, the interpretation of the measurements is within the abilities of those skilled in the art according to the data they wish to collect and by using usual digital processing tools.

Claims

REVENDICATIONS1. Insole instrumented for a measurement of forces in three dimensions, characterized in that it comprises point measuring devices (3) each provided: a sensor (4) whose head (41) is able to measure the three components forces undergone by a rigid rod (43); and a plate (6) having a surface area greater than that of the sensor head, the plate being more rigid than the material (23) constituting the sole and having a center of symmetry approximately aligned with an axis of symmetry ( z) of the sensor.

2. Sole according to claim 1, wherein the sensor head comprises a membrane (41) adapted to undergo deformation under the effect of the rod (43) and bearing strain gauges (42) capable of providing signals representative of a deformation of the membrane.

3. Sole according to claim 1, wherein the measuring devices (3) are distributed along the neutral fiber (27) of the sole (2). 20

The sole according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface of the plate (6) is selected according to the desired resolution for the punctuality of the measurements.

The sole of any one of claims 1 to 4, wherein the plate (6) has an area of between 1 and 3 cm 2.

6. Sole according to any one of claims 1 to 5, wherein the sensors (4), their respective plates (6) and conductors (51, 52) capable of conveying the electrical signals are embedded in the material (23). ) constituting the sole (2).

The sole according to any one of claims 1 to 6, wherein, for measuring foot force on the floor of a sensor (4), the corresponding plate (6) is located on the foot end. relative to the sensor.

8. Sole according to any one of claims 1 to 7, wherein for measuring forces of the sole of the foot on the sole (2) by means of a sensor (4), the corresponding plate (6) is disposed side ground relative to the sensor.

9. Sole according to any one of claims 1 to 8, including circuits (25) for processing measurements made by the sensors.

The sole according to any one of claims 1 to 9, wherein the respective positions of the measuring devices (3) in the sole surface (2) are chosen according to the desired information on the step or other pace of a being wearing the sole.

11. Sole according to any one of claims 1 to 10, integrated in a shoe.

12. Sole according to any one of claims 1 to 10, integrated in a sock.

13. A system for collecting information on three-dimensional forces printed by a human or animal on the ground when walking or other pace, characterized in that it comprises: at least one sole (2) equipping one of the human or animal feet according to any one of claims 1 to 12; and at least one electrical signal processing unit (73) provided by the sensors (4).