FR3138060A1 - Dispositif et methode de mesure anthropometrique d’ajustment et de configuration d’un exosquelette - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF ET METHODE DE MESURE ANTHROPOMETRIQUE D’AJUSTMENT ET DE CONFIGURATION D’UN EXOSQUELETTE La présente invention concerne un procédé de mesure anthropométrique d’une personne (10), comprenant :- un balayage de la personne avec au moins un détecteur (8) de distance sans contact, de manière à collecter des données géométriques de ladite personne ;remarquable en ce que le procédé comprend, en outre :- un traitement des données géométriques en données anthropométriques ; et- une comparaison des données anthropométriques avec un exosquelette réglable et détermination de valeurs de réglages dudit exosquelette sur base de ladite comparaison. (Figure à publier avec l'abrégé : Figure 1)
Description
La présente invention concerne le domaine des exosquelettes et des méthodes de mesures anthropométriques, plus particulièrement le domaine de l'adaptation d’un exosquelette sur un corps humain.
Les exosquelettes sont des structures qui recouvrent entièrement ou partiellement le corps d’un utilisateur et augmentent ses capacités physiques. Les exosquelettes sont utilisés dans l'industrie pour réduire la pénibilité des tâches effectuées par leurs utilisateurs, pour les aider à porter des charges lourdes ou à effectuer des gestes répétitifs, limitant ainsi l'apparition de troubles musculo-squelettiques, communément désignés par l’acronyme :« TMS ». À cet égard, les exosquelettes doivent être adaptés manuellement avant d'être portés par les utilisateurs. Ce processus d'adaptation consiste en une supervision continue d'un expert en exosquelette afin d'ajuster correctement les maillons de l'exosquelette correspondant au corps humain et notamment aux articulations de ce dernier.
Le processus de mise en place et d'installation de l'exosquelette sur l'utilisateur généralement utilisé à ce jour comprend plusieurs inconvénients. En effet, le processus est un travail laborieux et long qui nécessite l'intervention d'un expert ayant des connaissances préalables dans le domaine de l'anthropométrie, ce qui peut présenter un coût d’exploitation élevé de l’exosquelette. De plus, le corps humain évolue en permanence, de sorte qu'une configuration fixe de l'exosquelette présente un risque pour la performance et la sécurité des utilisateurs. De manière générale, on déplore, dans le monde industriel, le manque d'outils de configuration des exosquelettes.
Le document de brevet publié US 2021/0267775 A1 divulgue un dispositif et une méthode pour capturer électroniquement l'anatomie d'un sujet, la méthode comprend un dispositif électronique avec une caméra, un écran d'affichage, et un programme logiciel d’interface avec l'utilisateur. La caméra permet l'utilisation de marqueurs virtuels afin d’interagir en temps réel avec le sujet, et de fournir des données sur son anatomie permettant la fabrication d’un équipement sur mesure apte à s’adapter au sujet.
Cependant, la solution du document présente une marge d’amélioration, car elle ne permet pas d’assurer un réglage d’un exosquelette prêt à l’emploi sur le corps d’un utilisateur.
La présente invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer une solution simple, performante et économique permettant de faciliter l'ajustement et la configuration d'un exosquelette sur le corps d’une personne.
À cet effet, l’invention a pour objet un procédé de mesure anthropométrique d’une personne, comprenant :
- un balayage de la personne avec au moins un détecteur de distance sans contact, de manière à collecter des données géométriques de ladite personne ;
remarquable en ce que le procédé comprend, en outre :
- un traitement des données géométriques en données anthropométriques ; et
- une comparaison des données anthropométriques avec un exosquelette réglable et détermination de valeurs de réglages dudit exosquelette sur base de ladite comparaison.
- un balayage de la personne avec au moins un détecteur de distance sans contact, de manière à collecter des données géométriques de ladite personne ;
remarquable en ce que le procédé comprend, en outre :
- un traitement des données géométriques en données anthropométriques ; et
- une comparaison des données anthropométriques avec un exosquelette réglable et détermination de valeurs de réglages dudit exosquelette sur base de ladite comparaison.
Avantageusement, les valeurs de réglages déterminées correspondent à un ajustement idéal de l’exosquelette sur le corps de l’utilisateur.
Selon un mode de réalisation, le balayage de la personne comprend des déplacements de l’au moins un détecteur sur au moins un arc de cercle autour de la personne se tenant debout, lesdits déplacements étant réalisés à différentes hauteurs
Selon un mode de réalisation, les déplacements sur l’au moins un arc de cercle comprennent des mouvements de va-et-vient de l’au moins un détecteur le long de l’au moins un arc de cercle.
Selon un mode de réalisation, chacun de l’au moins un arc de cercle est centré sur un axe longitudinal vertical de la personne.
Selon un mode de réalisation, chacun de l’au moins un arc de cercle est horizontal et déplaçable verticalement.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un détecteur est du type lidar.
Selon un mode de réalisation, les données anthropométriques comprennent un modèle tridimensionnel de la personne et la comparaison des données anthropométriques avec l’exosquelette réglable comprend une comparaison du modèle tridimensionnel de la personne avec un modèle tridimensionnel de l’exosquelette.
Selon un mode de réalisation, la détermination de valeurs de réglages de l’exosquelette comprend une optimisation entre différentes zones de réglage de l’exosquelette, les différentes zones de réglage comprenant au moins deux des zones suivantes : bras, dos, taille, cuisse, jambe.
Selon un mode de réalisation, le balayage de la personne comprend l’utilisation d’un dispositif de mesure anthropométrique selon l’invention.
L’invention concerne également un dispositif de mesure anthropométrique d’une personne, remarquable en ce que ledit dispositif comprend : deux supports verticaux disposés symétriquement en face-à-face, chacun desdits supports verticaux comprenant un arc de cercle sur lequel un détecteur de distance sans contact est apte à coulisser de manière à pouvoir réaliser un balayage de la personne se tenant debout entre lesdits deux supports verticaux, le dispositif comprend, en outre, une unité de contrôle ayant un logiciel apte à traiter des données issues des détecteurs et de déterminer des valeurs de réglages d’un exosquelette sur le corps de la personne, et une interface homme-machine apte à diffuser lesdites valeurs de réglages.
Avantageusement, la présente invention permet d'obtenir facilement les mesures anthropométriques de la personne et de pouvoir ainsi adapter l'exosquelette à ladite personne, en garantissant un ajustement optimal. Par conséquent, la personne peut elle-même ajuster son exosquelette sans avoir besoin d'une supervision externe.
De plus, l’invention permet également de faciliter le déploiement et la mise en œuvre des exosquelettes dans différents environnements.
La représente une vue en perspective d’un dispositif 2 de mesure anthropométrique d’une personne selon l’invention.
Le dispositif 2 comprend deux supports verticaux 4 disposés symétriquement en face-à-face l’un de l’autre, chacun de ces deux derniers comporte un arc de cercle 6 correspondant à un rail sur lequel coulisse un détecteur 8 de distance sans contact.
Le support 4 comprend des moyens de translation verticale 4.1 permettant la translation de l’arc de cercle 6 suivant la direction verticale. Dans cette configuration, le détecteur est apte à scanner, dans les trois directions (X, Y et Z), une personne 10 se tenant debout entre les deux supports 4.
Préférentiellement, le détecteur 8 est du type lidar. Alternativement, le détecteur 8 peut correspondre à un capteur infrarouge ou à une caméra de vision ou à un scanner ou à un détecteur ultrason.
Avantageusement, le capteur lidar 8 permet l’acquisition d’une multitude de points du corps de la personne 10, cela permet de garantir une meilleure précision de la mesure comparé à d’autres types de détecteurs.
Le dispositif 2 comprend également une unité de contrôle 12 ayant un logiciel apte à traiter des données issues des détecteurs 8, ainsi qu’une interface homme-machine 14, communément désignée par un HMI 14.
Le traitement des données des détecteurs 8 par le logiciel permettent de présenter sur l’HMI 14 des valeurs de réglages d’un exosquelette réglable de manière à permettre à la personne 10 de régler manuellement l’exosquelette sur son corps. Des détails concernant le traitement des données ainsi que sur des étapes d’un procédé de mesure anthropométrique seront divulgué plus loin dans la présente description.
La illustre le procédé 100 de mesure anthropométrique selon l’invention.
En référence aux figures 1 et 2, le procédé 100 comprend une première étape 102 de balayage de la personne 10 avec les deux détecteurs 8 des deux arcs de cercle 6, le balayage est réalisé par des mouvement de va-et-vient de chacun des deux détecteurs 8 sur leur arc de cercle 6 correspondant, et cela de manière synchronisée et symétrique par rapport à un axe vertical central 10.1 séparant les deux support 4 et correspondant à l’axe longitudinal 10.1 de la personne 10. Dans cette configuration, chaque arc de cercle 6 est centré autour de l’axe 10.1.
Avantageusement, le balayage comprend le déplacement vertical des arcs de cercle 6 de manière à balayer différentes hauteurs et d’obtenir un scan 3D de l’intégralité du corps de la personne 10.
Parallèlement, les données géométriques de ladite personne 10, correspondant à un nuage de points, sont collectées et enregistrées préférentiellement dans l’unité de contrôle 12. En cas d'occlusions et/ou de chevauchements des données collectées, des algorithmes de reconstruction intelligente seront appliqués.
L’étape de balayage 102 est suivie par une étape 104 de traitement des données géométriques en données anthropométriques, dans laquelle un modèle numérique en 3D de la personne 10 est généré au moyen d’un algorithme de reconstruction opéré par l’unité de contrôle 12.
A cet égard, l'algorithme de reconstruction utilise toutes les données obtenues par les capteurs 8 pour construire avec précision le modèle numérique humain. Les nuages de données générés par l'étape 102 précédente seront traités par des identifiants attribués, cela permet avantageusement de personnaliser les données pour de chaque personne 10 afin de traiter le problème de la variation des mesures entre différents utilisateurs et ainsi éviter toute interférence des points de données.
Les données anthropométriques servent dans un premier temps à obtenir une représentation précise des régions corporelles du corps de la personne 10 pour assurer des calculs de volume en utilisant les unions et les intersections, et dans un second temps, les données anthropométriques servent à utiliser des modèles entraînés pour trouver des différences/points de données manquants.
Une fois le modèle numérique humain généré, l’étape suivante 106 sera la combinaison du modèle numérique humain avec un modèle d'exosquelette réglable.
Dans cette configuration, à l’étape 106, toutes les données de l'exosquelette nécessaires à la combinaison sont préalablement entrées et pré-enregistrées dans l’unité de contrôle 12, préférentiellement sous forme d’un modèle 3D de l’exosquelette.
Avantageusement, les articulations du modèle 3D de l’exosquelette possèdent des propriétés de contrainte géométriques telles que : prismatique, rotationnelle, universelle ou combinée. Préférentiellement, lesdites articulations comprennent, en outre, des propriétés matérielles et inertielles. En effet, dans le cas d’une utilisation d’un exosquelette actif, des propriétés dynamiques seront collectées, telles que : la variance de volume, les forces et les couples appliqués, la cinématique et la cinétique des articulations.
De manière avantageuse, l’étape 106 peut inclure des données concernant l'espace de travail industriel dans lequel l’exosquelette sera utilisé, cela permet d’apporter des données supplémentaires dont, notamment, la température de l’espace et les tâches à réaliser, de manière à prévoir un ajustement sur le corps de la personne 10 qui soit le plus adapté aux conditions d’utilisation.
La comparaison des données anthropométriques avec l’exosquelette réglable à l’étape 106, une étape 108 de détermination de valeurs de réglages dudit exosquelette sur base de ladite comparaison est enclenchée.
L’étape 108 utilise par la suite une intelligence artificielle pour ajuster les données du modèle numérique 3D humain et le modèle 3D de l'exosquelette suite à la superposition de ces deux derniers pour trouver des positions relatives.
L'utilisation de l’intelligence artificielle permet, dans un premier temps, de faire une recherche de contraintes réalistes, ces contraintes sont explorées sur la base des exigences géométriques provenant du corps de la personne 10 et de l’exosquelette, ces contraintes sont appelées points de pression.
En pratique (en-dehors de l’utilisation du procédé de l’invention), des contraintes ponctuelles peuvent être attribuées, mais elles sont inexactes, car l'interaction entre l'exosquelette et l'homme est basée sur l'interaction par zone et non par point. De plus, la friction et la température ne sont pas prises en compte en raison de la nature complexe de l’interaction. A cet effet, l'attribution manuelle demande beaucoup de ressources et est imprécise en raison d’un risque d’erreur humaine.
Avantageusement, la découverte des points de pression par l’intelligence artificielle est très utile. Cette dernière inclut préférentiellement la friction et la température comme variables pour modéliser le contact entre la personne 10 et le modèle 3D de l’exosquelette.
A cet égard, les principales variables ciblées seront des marges d'ajustement de l’exosquelette, des zones de contact localisées, des contraintes de mouvements en termes de sur-contraintes et sous-contraintes, des matériaux de surface de l'exosquelette et du corps humain, et des interactions dynamiques.
L'utilisation de l’intelligence artificielle permet, dans un second temps, de déterminer les valeurs de réglages de l’exosquelette en réalisant une optimisation des résultats obtenus suite à la recherche des contraintes réalistes. L’optimisation des résultats permet de converger vers le meilleur ajustement possible de l'exosquelette par rapport à l'ensemble des résultats trouvés sur la base du modèle numérique humain, et précisément en optimisant les résultats entre différentes zones de réglage de l’exosquelette, ces dernières comprennent les bras et/ou dos et/ou taille et/ou cuisse et/ou jambe et/ou d’autres zones déterminées par le type d’exosquelette choisi.
Le procédé 100 comprend, en outre, une étape 110 de diffusion des valeurs de réglages de l’exosquelette sur l’HMI 14, de manière à permettre à la personne 10 de faire elle-même le réglage de manière autonome.
Il est à noter que l’objet de la présente demande ne se limite pas à l’exosquelette illustré, il s’agit d’une schématisation simplifiée des zones de réglage afin de faciliter la lecture.
La diffusion sur l’HMI 14 des valeurs de réglages peut correspondre, par exemple, à un tableau (non illustré) dans lequel chaque zone de réglage comprend une valeur parmi une plage de réglage.
Dans cette configuration, l’exosquelette 16 comprend une zone de réglage au niveau des bras 16.1 correspondant, par exemple, à un bracelet 16.1. Si le tableau affiche la valeur 2 sur 5, alors la personne 10 va positionner son bracelet sur le deuxième trou parmi les cinq trous que comporte le bracelet.
Un réglage similaire sera fait par la personne 10 pour les zones de réglage du dos 16.2 et de la taille 16.3, ainsi que pour toutes les autres zones de réglage (non illustrées) de l’exosquelette 16.
Alternativement, les zones de réglage peuvent comprendre des sangles, trous, manivelles, glissières à multiples positions, butées et/ou vis sans fin, etc.
Avantageusement, la présente invention permet d’améliorer l’ajustement statique et dynamique de l’exosquelette sur le corps de la personne. Ce qui permet d’assurer, en outre, un ajustement continu et fréquent de manière simplifiée tout au long des travaux réalisés par la personne, et sans l’aide d’un superviseur, favorisant ainsi l’autonomie des utilisateurs. Cela se traduit par un gain de temps considérable.
Claims (10)
- Procédé (100) de mesure anthropométrique d’une personne (10), comprenant :
- (102) un balayage de la personne (10) avec au moins un détecteur (8) de distance sans contact, de manière à collecter des données géométriques de ladite personne (10) ;
caractérisé en ce que le procédé (100) comprend, en outre :
- (104) un traitement des données géométriques en données anthropométriques ; et
- (106) une comparaison des données anthropométriques avec un exosquelette réglable (16) et détermination (108) de valeurs de réglages dudit exosquelette (16) sur base de ladite comparaison. - Procédé (100) selon la revendication 1, dans lequel le balayage de la personne (10) comprend des déplacements de l’au moins un détecteur (8) sur au moins un arc de cercle (6) autour de la personne (10) se tenant debout, lesdits déplacements étant réalisés à différentes hauteurs.
- Procédé (100) selon la revendication 2, dans lequel les déplacements sur l’au moins un arc de cercle (6) comprennent des mouvements de va-et-vient de l’au moins un détecteur (8) le long de l’au moins un arc de cercle (6).
- Procédé (100) selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel chacun de l’au moins un arc de cercle (6) est centré sur un axe longitudinal vertical (10.1) de la personne (10).
- Procédé (100) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel chacun de l’au moins un arc de cercle (6) est horizontal et déplaçable verticalement.
- Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’au moins un détecteur (8) est du type lidar.
- Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les données anthropométriques comprennent un modèle tridimensionnel de la personne (10) et la comparaison des données anthropométriques avec l’exosquelette réglable (16) comprend une comparaison du modèle tridimensionnel de la personne (10) avec un modèle tridimensionnel de l’exosquelette.
- Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la détermination de valeurs de réglages de l’exosquelette (16) comprend une optimisation entre différentes zones de réglage (16.1, 16.2, 16.3) de l’exosquelette (16), les différentes zones de réglage (16.1, 16.2, 16.3) comprenant au moins deux des zones suivantes : bras, dos, taille, cuisse, jambe.
- Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le balayage de la personne (10) comprend l’utilisation d’un dispositif (2) de mesure anthropométrique selon la revendication 10.
- Dispositif (2) de mesure anthropométrique d’une personne (10), caractérisé en ce que ledit dispositif (2) comprend : deux supports verticaux (4) disposés symétriquement en face-à-face, chacun desdits supports verticaux (4) comprenant un arc de cercle (6) sur lequel un détecteur (8) de distance sans contact est apte à coulisser de manière à pouvoir réaliser un balayage de la personne (10) se tenant debout entre lesdits deux supports verticaux (4), le dispositif (2) comprend, en outre, une unité de contrôle (12) ayant un logiciel apte à traiter des données issues des détecteurs (8) et de déterminer des valeurs de réglages d’un exosquelette (16) sur le corps de la personne (10), et une interface homme-machine (14) apte à diffuser lesdites valeurs de réglages.
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