FR2958152A1 - Systeme d'articulation complexe pour orthese, prothese, robotique, exosquelette - Google Patents

Abstract

Invention pour un assemblage mécanique d'articulation utilisable pour orthèse, exosquelette, robot et prothèse, qui trouvera application dans tout système d'aide à la mobilité, d'assistance musculaire, rééducation motrice, amplification et reproduction des mouvements naturels. L'invention s'articule autour d'un schéma cinématique pouvant autoriser les mêmes mouvements que l'articulation naturelle en l'enveloppant par le placement, en vis-à-vis des éléments naturel, des éléments mécaniques (figure 2). Le système mécanique utilise comme base initiale le mouvement dans l'espace d'un plan formé par deux longerons, formant un parallélépipède, liant deux éléments distinct, comme par exemple d'un côté le torse et de l'autre le bras. Chaque liaison aux extrémités des longerons (rep. 2 et 3), permettant la rotation dans au moins un des trois axes, pourra être montée sur un système de positionnement "plan" afin d'amplifier le mouvement de l'articulation (rep. 4 et 5).

Description

-1- La présente invention concerne un assemblage mécanique d'articulation complexe, utilisable dans un cadre réparateur ou améliorateur avec orthèse, exosquelette et prothèse, ou afin de reproduire la cinématique de mouvements naturels complexes en robotique, assurant par son mouvement le guidage, l'enveloppement ou la reproduction du mouvement des articulations naturelles.

Cette invention servira pour les orthèses à la réalisation de supports techniques permettant de corriger un membre déficient ou d'améliorer son rendement physiologique. Cette invention servira pour les exosquelettes à une application externe, au même titre que l'orthèse, une définition couramment admise de l'exosquelette étant le terme d'orthèse motorisée, dans un cadre réparateur ou améliorateur, afin d'amplifier les capacités physiques du porteur de l'exosquelette. Cette invention servira pour les prothèses à la reproduction cinématique de mouvements complexes, afin de simuler efficacement l'articulation complexe, dans 15 un cadre d'amélioration de confort et d'esthétisme. Cette invention servira pour la robotique à la reproduction cinématique de mouvements complexes, afin de reporter efficacement les informations de retour de force, en ce qui concerne une commande robotisée, ou l'imitation d'un mouvement naturel qu'une articulation simple ne peut résoudre. 20 Cette invention trouvera application dans tout système incluant l'aide à la mobilité, l'assistance musculaire, la rééducation motrice, l'amplification et la reproduction des mouvements naturels.

La manière traditionnelle de réaliser une articulation complexe dépend de l'objectif de l'appareillage qui sera équipé de l'articulation et de l'espace disponible pour ce 25 faire. Chaque technique actuelle assimile les articulations à un schéma simplifié par un degré de liberté précis, appelé DOF pour "degree of freedom", selon la terminologie anglo-saxonne, dans le but clair de simplifier la conception mécanique de ces articulations. 30 Dans le cadre des orthèses, la solution habituellement retenue consiste en l'immobilisation pure et simple de l'articulation, quand celle-ci est trop complexe pour permettre un mouvement simple. -2- Dans le cadre des prothèses, l'imitation de la cinématique se résume généralement à une partie de l'articulation, comme par exemple pour l'articulation d'épaule, la solution habituelle permettant de remplacer la tête de l'humérus, mais ne permettant pas le remplacement complet depuis la clavicule jusqu'à l'omoplate, comme il serait nécessaire dans les projets plus complets, comme une prothèse de bras robotisée complète. Dans le cadre des exosquelettes, le soucis de simplification résume l'articulation complexe à un mouvement principal, comme par exemple pour l'épaule, ou le mouvement autorisé au bras se résume à la rotation de la tête de l'humérus, par une liaison rotule, ou pour la hanche, pour laquelle la rotation de la cuisse est limitée, par une liaison pivot, l'essentiel du mouvement étant le mouvement de balancier d'avant en arrière afin d'assurer la marche, obligeant le porteur à se plier aux mouvements possibles du châssis mécanique. Dans ces cas précis, la difficulté de retranscription mécanique de ces articulations résulte du fait qu'elles sont étroitement enveloppées, avec leurs axes de rotations qui se déplacent avec la posture changeante du porteur. Les solutions techniques traditionnelles afin d'obtenir un mouvement complexe consistent généralement à déporter par des systèmes de machineries externes, créant un ensemble qui s'adapte aux mouvements du porteur, mais en obligeant un volume déporté vers l'extérieur, les articulations qu'on ne peut faire coller aux corps du porteur, obligeant à installer l'ensemble sur des supports fixes la plupart du temps, ce qui ne permet pas la portabilité envisagée par l'invention. La seconde solution technique traditionnelle consiste à ignorer les articulations complexes et à les résumer à un DOF sur trois axes de rotation au mieux, comme pour les épaules, ou la solution habituelle consiste à placer autour de la tête de l'humérus trois liaisons pivots afin de réaliser des rotations suivant les trois axes majeurs, mais au détriment du mouvement naturel, provoquant une contrainte sur le porteur qui doit s'adapter au mouvement possible du système, afin de se conformer aux critères de portabilité. Le principal défi mécanique tient au respect des degrés de liberté des articulations complexes du squelette humain. Il est en effet impossible de copier le squelette humain, car chaque axe de rotation se trouve déportés sur les systèmes intéressés par l'invention vers l'extérieur, et si le problème est relativement facile à résoudre pour les articulations simples, comme le coude et le genou, il devient autrement plus complexe pour respecter les mouvements de l'épaule, par exemple, qui possède trois -3- degrés de liberté primaire pour la tête de l'humérus, avec un déplacement du centre de rotation de celle-ci vers le haut et l'arrière lorsque le bras s'élève au-dessus de la tête. De même pour les jambes la solution actuelle généralement retenue consiste à adopter une articulation simplifiée, ne prévoyant pas, par exemple, de rotation des hanches.

Voir brevet US 2007/0225620 A1. Voir brevet PCT/FR 2009/000691 Al. Voir brevet FR 2 624 002 ùAl. Voir brevet FR 2 883 159 ùAl.

Voir brevet FR 2 542 993 ùAl. Voir brevet EP 1 911 423 ùAl. Voir brevet FR 2 932 081 ù Al. Voir brevet EP 1 319 379 ùAl. Voir présentation dynamique HULC, HAL, XOS.

Dans le cadre robotique, l'imitation de la cinématique est réalisable en intégrant les DOF dans le châssis de la structure du robot, mais la nécessité de simplification, liée la plupart du temps à la décomposition même du mouvement, ne permet pas la souplesse des articulations complexes que le robot tente d'imiter. Partant des solutions retenues habituellement, ces mouvements complexes sont dissociés par le biais de trois liaisons pivot, positionnées de manière à imiter la cinématique, en oubliant volontairement les mouvements considérés comme gênants, comme dans le cadre de l'épaule, l'élévation du centre de rotation lors du mouvement de balancier du bras et l'élévation du bras au dessus de la tête, l'effet obtenu étant un mouvement figé, n'imitant la cinématique du mouvement complexe reproduit que partiellement.

Voir brevet US 2010/042256 Al voir présentation dynamique NAO, ASSIMO.

Quel que soit le cadre de réalisation envisagé, les techniques antérieures ne proposent par conséquent que deux solutions, à savoir ignorer la difficulté en ne reproduisant pas l'intégralité du mouvement de l'articulation complexe ou créer un ensemble d'articulations externes encombrante permettant l'imitation du résultat en -4- ignorant le mouvement naturel de l'articulation reproduite, ce qui implique un volume contraignant et déporté vers l'extérieur nuisant à la portabilité. Les lacunes des réalisations antérieures sont le manque de naturel, ne tenant pas compte de la capacité de l'articulation complexe à se repositionner dans l'espace, ou limitant l'amplitude des mouvements aux seuls mouvements du système sans tenir compte de la capacité de mouvement de l'articulation naturelle, à moins d'utiliser des dispositifs contraignants en volume. Le problème posé est la possibilité de pouvoir limiter les mouvements, de l'immobilisation complète à une liberté de mouvement complète autour de l'articulation complexe la plus difficile, celle de l'épaule, car l'état de la technique actuel permet de réaliser l'immobilisation complète, par une attelle rigide, mais ne permet pas de réguler une possibilité de mouvement partiel naturel par l'intermédiaire d'une orthèse spécifique qui ne soit pas obtenu grâce à une machinerie déportée contraignante en volume. La capacité à obtenir le mouvement naturel de l'épaule permettra d'envisager, par dérivation du concept posé, le mouvement de toute autre articulation complexe, telles la hanche, le poignet, le mollet, le bras, la cuisse, concernant le corps humain, l'aile, la nageoire, ainsi de suite pour le corps animal. La recherche sur les possibilités offerte amena à étudier entièrement la création d'un nouveau système mécanique enveloppant l'articulation, utilisant des matériaux rigides, et permettant, grâce à un arrangement de la chaîne cinématique une liberté de mouvement complète fonctionnelle adaptable a un système portatif.

D'une manière schématique, concernant l'épaule, l'articulation lie le bras au corps pour la réalisation d'un mouvement de rotation suivant 3 axes à la manière d'une rotule mécanique.

Le référentiel dans lequel se produit ce mouvement est lui-même déplacé dans l'espace par le lien au torse de l'épaule par le biais de la clavicule et de l'omoplate, qui repositionnent la tête de l'humérus. L'articulation de l'épaule est donc décomposable en deux articulations simples : la première est l'articulation de l'épaule au bras par une liaison rotule, la seconde l'articulation du torse à l'épaule par une seconde liaison rotules, les deux liaisons étant lié par la clavicule (figure 1). L'omoplate peut être considérée, pour les besoins de cette étude, d'une manière mécanique, comme un élément ponctuel utilisé pour contraindre les mouvements et limiter leur amplitude, ce qui explique de facto les -5- contraintes du corps et les limites de mouvements imposés, comme l'élévation de la tête de l'humérus lors de l'élévation du bras, provoqué par le glissement de l'omoplate sur la cage thoracique. La solution s'articule autour d'un schéma cinématique pouvant autoriser les mêmes mouvements en enveloppant ce schéma cinématique simplifié de l'articulation complexe initiale (figure 2) par le placement, en vis-à-vis des éléments naturel, des éléments mécaniques. L'utilisation d'éléments cinématiques simples et l'organisation dans l'espace du mouvement permettent effectivement de le rationaliser après cette décomposition, le résultat étant un système articulaire unique pouvant servir de base à la réalisation de toute articulation complexe, par le réarrangement des articulations dans l'espace, donnant une articulation complexe pouvant s'adapter à l'anatomie du porteur et autorisant l'intégralité de la souplesse de l'articulation humaine ciblée, en respectant les contraintes du corps, s'adaptant au mouvement, et suivant le déplacement dans toutes les possibilités offertes au corps humain (figures 2 à 8). L'articulation mécanique obtenue permettra dans ses différentes variantes et applications d'obtenir la reproduction, le maintien ou le guidage des articulations naturelles complexes par le biais de deux longerons formant un plan déformable dans l'espace liés entre eux d'un coté à un châssis et de l'autre à l'articulation cible.

Chaque longeron pourra être, ou non, lié indifféremment au châssis ou à l'articulation cible par un système de positionnement composé d'un sous-ensemble mécanique ayant pour but de déplacer dans l'espace le point de liaison projeté entre le châssis ou l'articulation cible et le longeron, de même, chaque longeron pourra être, ou non, lié indifféremment au châssis ou a l'articulation cible (ou au système de positionnement, s'il est présent) par l'intermédiaire de tout assemblage mécanique permettant la rotation dans au moins l'un des trois axes de l'espace au point de liaison entre eux, dans le but de respecter les angles nécessaires à la reproduction, au maintien, ou au guidage de l'articulation ciblée.

L'architecture mécanique retenue pourra être composée indifféremment par un châssis rigide ou un sous-ensemble mécanique, autorisant la rotation dans au moins l'un des trois axes de l'espace, selon les besoins propres à l'articulation ciblée par le mécanisme. Le but étant la possibilité de positionnement dans l'espace de l'articulation cible -6- pour satisfaire au besoin physiologique que le référentiel spatial dans lequel se produit ce mouvement soit lui-même déplacé dans l'espace par rapport au châssis par le biais de tout sous-ensemble mécanique nécessaire. La description détaillée de l'exemple se référera au schéma cinématique complet de l'épaule (figure 1), et on pourra y substituer d'autres articulations pour répondre aux besoins : au repos, le dispositif articulaire permet un soutien et un enveloppement de l'articulation, et un déplacement pourra être imposé pour obtenir le mouvement de l'articulation ciblée afin d'obtenir une position précise dans l'espace. Le mouvement de la tête de rotation de l'articulation cible provoquera en réaction un repositionnement des longerons simulant la clavicule et l'omoplate (fig. 2, rep 2 et 3), afin de correspondre aux contraintes du mouvement recherché. Ce même mouvement provoqueras une réaction du dispositif sur les longerons en vis-à-vis des os correspondants pour obtenir un mouvement mécanique idéalement positionné pour correspondre au mouvement de l'utilisateur.

Le système mécanique utilise comme base initiale le mouvement dans l'espace d'un plan formé par deux longerons, formant un parallélépipède, liant deux éléments distinct, comme par exemple d'un côté le torse et de l'autre le bras grâce a des liaisons rotules. L'ensemble initial formant le parallélépipède torse (fig. 2, rep. 6) / longeron (fig. 2, 20 rep. 2) / épaule (fig. 2, rep. 1) / longeron (fig. 2, rep. 3) / torse (fig. 2, rep. 7) est la base permettant le repositionnement de l'épaule dans l'espace. Chaque liaison aux extrémités des longerons (fig. 2, rep. 2 et 3), permettant la rotation dans au moins un des trois axes, pourra être montée sur un système de positionnement "plan" afin d'amplifier le mouvement de l'articulation (fig. 2, rep. 4 et 25 5), comme peut l'être l'omoplate dans l'articulation complète de l'épaule. Ce mouvement « ponctuel » pourra être réalisé afin d'obtenir une hyper-laxité mécanique correspondant au mouvement de l'articulation naturelle. L'innovation principale dans ce brevet vient de l'utilisation de ces sous-ensembles secondaire de repositionnement (fig. 2, rep. 4 et 5) dans un système complexe, tel 30 l'exosquelette, la prothèse, le robot ou l'orthèse pour permettre le mouvement complet dans l'espace de l'articulation ainsi formée selon les principes physiologiques des articulations naturelles décrivant que « le référentiel spatial dans lequel se produit le mouvement est lui-même déplacé dans l'espace ». Dans un cadre d'aide au mouvement (orthèse motorisée), les actionneurs placés -7- en correspondance au système musculaire permettent de repositionner le dispositif de manière à suivre le mouvement du porteur. Une variation dans la disposition des articulations permet d'anticiper le même type de description pour les mouvements de la hanche, voir au mouvement de rotation du poignet, du bras, de la cuisse ou du mollet, par extension des concepts mis en oeuvre dans ces différentes variantes (figure 2 à 8).

Les dessins annexés illustrent l'invention :

figure 1 : cinématique de l'épaule. Ce dessin figure l'articulation autour de laquelle à été initialement concue l'invention, elle est constituée de la liaison au torse, par le biais d'une liaison rotule, de la clavicule, elle-même liée au bras par une seconde liaison rotule, symbolisant la tête de l'humérus. Rattaché symboliquement à la clavicule, on utilise ici l'omoplate comme un élément de glissement sur la cage thoracique permettant de repositionner et contraindre dans l'espace la position de la tête de l'humérus afin de correspondre au mieux aux déplacements naturels constaté. Ce schéma est simplificateur, à but d'étude, mais permet de mieux comprendre les différents mouvements nécessaires.

Figure 2 : cinématique du dispositif complet. Ce dessin figure le descriptif complet de l'articulation sujet du présent brevet. Il inclue tous les éléments décrits nécessaire à tous les cas de figure. Chaque liaison mécanique représentée peut, dans le but d'obtenir une variante, être réduite dans son expression, chaque liaison rotule pourra ainsi être décomposée en trois liaisons pivot, et on pourra faire disparaître pour les besoins de l'articulation ciblée 1, 2, voir les 3 axes de rotation. Chaque liaison pivot glissant pourra être décomposée en une liaison pivot et une liaison glissière, et on pourra faire disparaître pour les besoins de l'articulation ciblée l'un, l'autre, ou les deux. Chaque liaison simple, n'autorisant qu'une rotation ou une translation, pourra être aussi abandonnée pour satisfaire aux contraintes physiologiques de l'articulation ciblée.

Figure 3 : plan initial Cette variante, l'une des plus simples, est la représentation du plan de mouvement -8- initial de l'épaule transcrit par le schéma cinématique d'enveloppement. Le mouvement de l'articulation ciblée (1) est déplacé dans l'espace par la déformation du plan formé par les longerons en vis-à-vis de l'omoplate (3) et de la clavicule (2), permettant la rotation et l'élévation du bras, en repositionnant dans l'espace vers le haut, le bas, l'avant et l'arrière, dans l'arc de cercle dont le rayon est formé par les longerons..

Figure 4 : plan initial et tête de l'humérus Cette variante inclue un mouvement plus complet de la tête de l'humérus par le biais d'une liaison rotule (1), et correspond autrement en tout point à la figure 3. cette évolution permet une plus grande souplesse d'usage, même si l'instabilité mécanique provoqué par la rotation induite par la liaison entre les rotules joignant les deux longerons (3) et (2) peut sembler superflue. Les contraintes mécaniques liées a la mise en place d'un système de puissance permettront de commander séparément le mouvement dans l'espace et les rotations de la tête de l'humérus.

Figure 5 : plan initial, tête de l'humérus et repositionnement de l'omoplate Cette variante inclue un mouvement plus complet du longeron arrière (3), et correspond autrement en tout point à la figure 4. cette évolution permet une plus grande souplesse d'usage, le sous-ensemble de repositionnement (4) dans le plan d'une des têtes de rotation permettant d'amplifier le rayon de rotation et de réduire les risques de contraintes imposées par le système mécanique à un éventuel porteur en augmentant l'enveloppement généré.

Figure 6 : plan initial repositionné et tête de l'humérus simplifiée Cette variante modifie la possibilité de mouvement de la tête d'articulation en réduisant l'instabilité mécanique (1), et correspond autrement en tout point à la figure 25 5.

Figure 7 : plan initial repositionné et tête de l'humérus simplifiée Cette variante modifie la possibilité de mouvement de la tête d'articulation (1) en montant sur une glissière en forme de U le bras afin d'obtenir un mouvement enveloppant ayant pour centre de rotation la véritable articulation ciblée et en ne 30 déportant pas vers l'extérieur le mouvement, et correspond autrement en tout point à 2958152 la figure 5.

Figure 8 : plan sans repositionnement Cette variante modifie la possibilité de mouvement à un unique besoin de rotation de l'articulation ciblée, le positionnement dans l'espace des longerons 1 et 2 ainsi 5 que la liaison pivot glissant 3 permettant une rotation contrainte et limitée en débattement à un angle donné. Cette variante permettra d'envisager le mouvement de rotation des membres, tels le bras ou la cuisse, en enveloppant ce mouvement au plus près en réduisant les contraintes de volume associées à d'autres solutions...

Figure 9 : exemple d'épaule 10 Ce système complexe inclus pour l'exemple la présence de muscles pneumatiques afin de simuler l'asservissement possible du système.

Figure 10 : exemple d'exosquelette Cette figure ne représente que l'ossature simplifiée d'un possible exosquelette complet mettant en oeuvre un panel des articulations présentées par la présente 15 invention, au niveau de l'épaule, la hanche, le bras, l'avant bras, le poigne, la cuisse, le mollet.

Exposé d'un mode de réalisation : articulation d'épaule pour orthèse motorisée.

Ce mode de réalisation, tel que présenté suivant la figure 9, inclue une assistance au mouvement par le biais de muscles pneumatiques.

20 Ce mode suit le schéma de la figure 6 pour la présence et l'organisation des articulations. L'ensemble est lié au torse (fig 2 rep 6) par un plastron, lié directement au longeron (2) par une liaison rotule. Le mouvement dans l'espace du longeron est possible grâce à trois muscles pneumatiques accrochés d'un côté au plastron et de l'autre a l'articulation cible (1), permettant le mouvement suivant les 3 axes de l'espace. L'ensemble est lié au dos (fig 2 rep 7) par un dosseret, lié au longeron (3) par un sous-ensemble de repositionnement (4), le sous-ensemble étant déplacé par 4 muscles pneumatiques positionnés de manière croisée pour positionner le point de -10- rotation sur le dosseret en fonction des besoins physiologiques du porteur. Le longeron (3) est lui même lié au sous-ensemble (4) par une liaison rotule, permettant le mouvement dans l'espace du longeron grâce à trois muscles pneumatiques accrochés d'un côté au dosseret et de l'autre a l'articulation cible (1), permettant le mouvement suivant les 3 axes de l'espace. L'ensemble des actionneurs permet donc un mouvement complet dans l'espace de l'articulation, et un repositionnement adapté aux besoins physiologiques du porteur. Repositionner l'ensemble permet à tout moment d'éviter le conflit mécanique entre le châssis et le porteur, dans un espace contraint, satisfaisant à tout critère de portabilité. Deux muscles pneumatiques, positionnés le long du bras, permettent d'obtenir le mouvement de balancier du bras, et deux autres le mouvement d'élévation et de descente contrôlée. Pour contrôler la rotation de l'épaule, le bras pourra être réalisé grâce à la figure 8, 15 2 muscles pneumatiques placés en Y permettant alternativement de tirer chaque longeron pour obtenir le mouvement de rotation.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif pour un système mécanique de reproduction, de maintien ou de guidage des articulations naturelles, caractérisé en ce qu'il soit constitué de deux longerons (2 et 3) formant un plan déformable dans l'espace liés entre eux d'un coté à un châssis (6 et 7) et de l'autre à une articulation cible (1).
2. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le longeron (2) est lié par un côté au châssis (6) par l'intermédiaire d'un système permettant son repositionnement dans l'espace (5) et par l'autre à l'articulation cible (1).
3. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le longeron (3) est lié par un côté au châssis (7) par l'intermédiaire d'un système permettant son 10 repositionnement dans l'espace (4) et par l'autre à l'articulation cible (1).
4. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de repositionnement (4) est un assemblage mécanique permettant la rotation ou la translation dans au moins l'un des trois axes de l'espace, ou une liaison encastrement, dans le but de respecter les contraintes mécaniques nécessaire à la 15 reproduction, au maintien, ou au guidage de l'articulation cible (1) par rapport au châssis (7).
5. 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de repositionnement (5) est un assemblage mécanique permettant la rotation ou la translation dans au moins l'un des trois axes de l'espace, ou une liaison 20 encastrement, dans le but de respecter les contraintes mécaniques nécessaire à la reproduction, au maintien, ou au guidage de l'articulation cible (1) par rapport au châssis (6).
6. 6) Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour tout ou partie d'un exosquelette, d'une orthèse, d'une prothèse ou 25 d'un robot.