WO2006021729A1 - Dispositif pour assujettir une ou plusieurs articulation(s) d'un membre du corps humain - Google Patents

Dispositif pour assujettir une ou plusieurs articulation(s) d'un membre du corps humain Download PDF

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    • B25J9/0006Exoskeletons, i.e. resembling a human figure

Definitions

  • the invention relates to a device for securing a joint of a limb of the human body.
  • the problem to be solved by the invention is to improve the performance of running and / or walking, so as to make it less difficult and to reduce the metabolic energy consumption.
  • the device relates to an advantageous application to a lower limb.
  • the metabolic energy of running results from the fact that, within a stride, two equal and opposite phases of work succeed one another, namely a negative phase where mechanical energy is supplied to the runner by the middle, followed by a positive work phase where mechanical energy is provided by the runner in the middle.
  • a negative phase where mechanical energy is supplied to the runner by the middle
  • a positive work phase where mechanical energy is provided by the runner in the middle.
  • the muscles and tendons behaved like a perfect spring, they would be able to store energy during the phase negative and restore it completely during the positive phase.
  • the contractile structure of the muscle dissipates metabolic energy even during the negative working phase which serves, at least in part, to store the external mechanical energy in the elastic structures of the muscles and tendons.
  • the extensor muscles of the lower limbs dissipate energy during all types of energy. contractions, including for eccentric contractions and isometric contractions. It is recalled that, in the case of eccentric contractions, the muscles exert a force while lengthening as during the negative working phase, whereas in the case of isometric contractions, the muscles exert a force without displacement as during the transition. between the positive and negative work phase.
  • the object of the invention is to remedy these disadvantages in a simple, safe, effective and rational manner.
  • the problem to be solved by the invention is to significantly improve the performance and therefore the performance of walking and / or running while having a virtually unlimited autonomy, a good control of stability and balance, and good ergonomics.
  • a device for securing one or more joints of a member of the human body comprising at least one resilient member adapted to be mounted in a manner parallel to said articulation (s).
  • the elastic member may be a spring or a jack.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the case of a lower limb.
  • the elastic member has coupling arrangements at each of the ends of the joints constituting the lower limb, said ends being constituted by the area of articulation of the femur in the acetabular cavity of the pelvic bone and the end foot, passing through the knee.
  • the coupling arrangements at the femur joint are constituted by a shoulder belt.
  • the coupling arrangements at the end of the foot are constituted by connection means with a shoe.
  • the elastic member is mounted in combination with a hinged support at the joints of the femur, knee and foot, said member being coupled between the hinge points of the support, considered at the joints of the femur and knee.
  • At least one contact sensor is mounted at the level of the foot being able to act on means of disengagement of the elastic member so that contact position of the foot, said elastic member is active, while in non-contact position, said member is inactive.
  • this elasticity will be adjustable (depending on the mass of the subject, the running speed and the stride frequency) and more generally the mechanical parameters. of the race.
  • a 75 kg subject running at 5 m / s has a lower limb stiffness of about 10 kN / m (20 kN / m to 10 m / s).
  • FIG. 1 is a schematic view showing the principle at the base of the device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view showing another embodiment of the device, the device being shown in the extension or quasi-extension position of the leg;
  • FIG. 3 is a view corresponding to Figure 2 in bending position of the leg;
  • FIG. 4 and 5 are perspective views respectively corresponding to Figures 1 and 3.
  • a lower limb comprises a femoral part (F) and a tibial part (T) articulated together at (B) at the knee.
  • the femoral part (F) is articulated in (A) at the acetabulum of the iliac bone, while the tibial part is articulated in (C) at the level of the foot (P).
  • the device comprises at least one resilient member (1) adapted to be mounted parallel to the joint in question.
  • the elastic member (1) has coupling arrangements on each of the ends of the joint, that is to say at the joint (A) and at the end (D) of the foot (P).
  • the elastic member (1) can be constituted by a spring and / or a cylinder. This elastic component generates a coefficient (K) which is adjustable, for example, according to the formula:
  • K (2 ⁇ f) 2 .M
  • f is the frequency of the stride
  • M the mass of the runner
  • the coupling arrangements of the elastic member (1) at the joint (A) may for example be constituted by a belt (2).
  • the coupling arrangements can be constituted by means of connection to a shoe.
  • a valve can be used to adjust the coefficient value (K). If it is a spring, the adjustment can be achieved by lever arm, manual or automatic mechanical adjustment systems, electrical, electronic ..., depending on the mechanical parameters of the subject and the race.
  • the elastic member (1) is mounted in combination with a support (3).
  • This support is articulated at the joint (A), the joint (B) and the foot (P).
  • the elastic member (1) is coupled between the pivot points of the support (3) considered at the joint of the femur (A) and the knee (B).
  • at least one contact sensor (4) is mounted at the level of the foot (P) while being able to act on disengaging means (not shown) of the elastic member ( 1).
  • the elastic member (1) is active, while in non-contact positions, the elastic member (2) is inactive.
  • disengaging means By a sensor (mechanical or electronic) force or foot contact with the ground.
  • the cylinder is disengaged when the foot is not in contact with the ground and vice versa;
  • a sensor mechanical or electronic
  • the position of the angle between the thigh and the trunk The cylinder is engaged when the thigh exceeds a determined angle in front of the trunk and disengaged when the thigh exceeds a given angle behind the trunk.
  • the clutch can be done either by opening and closing a valve on the jack or by a mechanical, electrical or electronic external to the valve.

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Abstract

Le dispositif pour assujettir une ou plusieurs articulation(s) d'un membre du corps humain, comprend au moins un organe élastique (1) apte à être monté d'une manière parallèle à ladite ou auxdites articulation(s).

Description

DISPOSITIF POUR ASSUJETTIR UNE OU PLUSIEURS ARTICULATION(S) D'UN MEMBRE DU CORPS HUMAIN
L'invention concerne un dispositif pour assujettir une articulation d'un membre du corps humain.
Plus particulièrement, le problème que se propose de résoudre l'invention, est d'améliorer le rendement de la course et/ou de la marche à pied, de façon à la rendre moins pénible et de diminuer la consommation d'énergie métabolique.
Autrement dit, le dispositif concerne une application avantageuse à un membre inférieur.
Des études effectuées sur l'efficacité de la locomotion humaine ont démontré que l'énergie mécanique externe produite lors d'une course à pied ou d'une marche à vitesse constante et sur le plat, est nulle, et que malgré cette absence de production externe d'énergie mécanique, la course ou la marche nécessite la consommation d'énergie métabolique. Cette quantité d'énergie métabolique est généralement proportionnelle à la vitesse lors de la course à pied.
L'énergie métabolique de la course à pied résulte du fait, qu'à l'intérieur d'une foulée, deux phases de travail égales et opposées se succèdent, à savoir une phase négative où de l'énergie mécanique est fournie au coureur par le milieu, suivie d'une phase de travail positive où de l'énergie mécanique est fournie par le coureur au milieu. Dans ces conditions, si les muscles et les tendons se comportaient comme un ressort parfait, ils seraient capables de stocker de l'énergie pendant la phase négative et de la restituer totalement pendant la phase positive. Toutefois, la structure contractile du muscle dissipe de l'énergie métabolique même pendant la phase de travail négatif qui sert, au moins en partie, à stocker l'énergie mécanique externe dans les structures élastiques des muscles et des tendons.
De plus si les tendons extenseurs des membres inférieurs, en particulier le tendon d'Achille, sont en partie aptes à stocker et à restituer l'énergie sous forme élastique, les muscles extenseurs des membres inférieurs dissipent de l'énergie lors de tous types de contractions, y compris pour des contractions excentriques et des contractions isométriques. On rappelle que, dans le cas de contractions excentriques, les muscles exercent une force en s 'allongeant comme lors de la phase de travail négative, tandis que dans le cas de contractions isométriques, les muscles exercent une force sans déplacement comme lors de la transition entre la phase de travail positif et négatif.
Pour ces différentes raisons, la course à pied dissipe de l'énergie au niveau musculaire et a donc une dépense métabolique.
A partir de cette analyse physique, différentes solutions techniques ont été proposées pour tenter d'améliorer le rendement de la course à pied notamment.
Par exemple, on a proposé de monter une composante élastique en série avec le membre inférieur, généralement au niveau des chaussures qui doivent être de conception spéciale, avec des dimensions importantes pour le stockage de l'énergie élastique. Ces chaussures permettent de mieux restituer l'énergie élastique. Cependant, de telles chaussures ne diminuent pas la dépense métabolique de la course à pied, étant donné que les muscles sont sollicités durant le contact au sol, pendant toutes les phases (négatives, isométriques et positives) de contraction musculaire. Il en résulte une dépense métabolique supérieure. Cette solution peut par conséquent permettre d'améliorer les performances dans le cas d'une course de très courte durée (sprint), mais n'est pas adaptée pour des courses de durée moyenne ou longue. Ce type de solution peut aussi être utilisé dans le cas d'amputés au niveau tibial, pour améliorer la locomotion.
On connaît d'autres solutions techniques qui consistent à ajouter une force motrice, généralement au moyen de moteurs ou de vérins électriques, au niveau de l'articulation ou des articulations considérée(s). Cette solution permet de diminuer l'effort musculaire et par conséquent la dépense métabolique. Toutefois, l'énergie qui doit être fournie au moteur doit être importante, limitant par conséquent l'autonomie et l'ergonomie du système. Il en résulte également un problème important de stockage de l'énergie électrique. On observe également que si l'on inclut l'énergie fournie au moteur, le rendement de la course n'est pas amélioré, il peut même être globalement diminué.
Enfin, on a proposé plus récemment des solutions qui combinent des moteurs et des moyens élastiques.
Une telle solution ressort, par exemple, d'une publication accessible à l'adresse http://www.yobotics.com. Cette solution ne permet pas une parfaite autonomie et ne permet pas d'améliorer, d'une manière satisfaisante, le rendement de la course à pied par exemple. Il en est de même en ce qui concerne l'appareil connu sous la marque « Spring Walker » qui se substitue aux membres inférieurs, ce qui peut aussi poser des problèmes de contrôle de l'équilibre et de la stabilité lors de la locomotion.
L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients, de manière simple, sûre, efficace et rationnelle.
Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'améliorer, d'une manière importante, le rendement et donc la performance de la marche et/ou de la course à pied tout en ayant une autonomie pratiquement illimitée, un bon contrôle de la stabilité et de l'équilibre, et une bonne ergonomie.
Pour résoudre un tel problème, il a été conçu un dispositif pour assujettir une ou des articulations d'un membre du corps humain, comprenant au moins un organe élastique apte à être monté d'une manière parallèle à ladite ou auxdites articulation(s).
L'organe élastique peut être un ressort ou un vérin.
Compte tenu du problème spécifique à résoudre, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas d'un membre inférieur. Dans ce cas, l'organe élastique présente des agencements d'accouplement à chacune des extrémités des articulations constituant le membre inférieur, lesdites extrémités étant constituées par la zone d'articulation du fémur dans la cavité cotyloïdienne de l'os iliaque et l'extrémité du pied, en passant par le genou. Dans une forme de réalisation, les agencements d'accouplement au niveau de l'articulation du fémur sont constitués par un baudrier. Les agencements d'accouplement au niveau de l'extrémité du pied sont constitués par des moyens de connexion avec une chaussure.
Pour résoudre le problème posé d'améliorer l'ergonomie, l'organe élastique est monté en combinaison avec un support articulé au niveau des articulations du fémur, du genou et du pied, ledit organe étant accouplé entre les points d'articulation du support, considérés au niveau des articulations du fémur et du genou.
Pour résoudre le problème posé de n'avoir aucune résistance pendant le retour de la jambe, au moins un capteur de contact est monté au niveau du pied en étant apte à agir sur des moyens de débrayage de l'organe élastique de sorte qu'en position de contact du pied, ledit organe élastique est actif, tandis qu'en position de non-contact, ledit organe est inactif.
Pour résoudre le problème d'adaptation optimale de la composante élastique aux conditions mécaniques de la course, cette élasticité sera ajustable (en fonction de la masse du sujet, de la vitesse de course et de la fréquence de foulée) et plus généralement des paramètres mécaniques de la course.
Par exemple, un sujet de 75 kg courant à 5 m/s présente une rigidité des membres inférieurs d'environ 10 kN/m (20 kN/m à lOm/s).
L'ajustement pourra être effectué de manière manuelle ou automatique par tout dispositif mécanique, électrique, électronique ou autre. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue à caractère schématique montrant le principe à la base du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue à caractère schématique montrant une autre forme de réalisation du dispositif, le dispositif étant présenté en position d'extension ou de quasi-extension de la jambe ;
- la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 en position de flexion de la jambe ; - les figures 4 et 5 sont des vues en perspective correspondant respectivement aux figures 1 et 3.
La description qui va suivre montre l'application du dispositif à un membre inférieur du corps humain, étant rappelé que l'invention peut s'appliquer à d'autres types d'articulation.
On rappelle, pour une meilleure compréhension de la suite de la description, qu'un membre inférieur comprend une partie fémorale (F) et une partie tibiale (T), articulées entre elles en (B) au niveau du genou. La partie fémorale (F) est articulée en (A) au niveau cotyloïdien de l'os iliaque, tandis que la partie tibiale est articulée en (C) au niveau du pied (P).
Selon une caractéristique à la base de l'invention, le dispositif comprend au moins un organe élastique (1) apte à être monté, de manière parallèle, à l'articulation considérée. Pour l'application au membre inférieur, l'organe élastique (1) présente des agencements d'accouplement sur chacune des extrémités de l'articulation, c'est-à-dire au niveau de l'articulation (A) et à l'extrémité (D) du pied (P). L'organe élastique (1) peut être constitué par un ressort et/ou un vérin. Cette composante élastique génère un coefficient (K) qui est ajustable, par exemple, selon la formule :
K = (2πf)2.M où f, est la fréquence de la foulée, et M la masse du coureur, de façon à ce que le modèle masse ressort ainsi constitué puisse entrer en résonance, c'est-à-dire consommer le moins possible d'énergie.
Les agencements d'accouplement de l'organe élastique (1) au niveau de l'articulation (A) peuvent par exemple être constitués par un baudrier (2). A l'extrémité (D) du pied, les agencements d'accouplement peuvent être constitués par des moyens de connexion à une chaussure.
A noter, dans le cas où l'organe élastique est constitué par un vérin, notamment du type hydraulique, qu'une valve peut permettre d'ajuster la valeur de coefficient (K). Si c'est un ressort, l'ajustement peut être réalisé par bras de levier, systèmes manuels ou automatiques d'ajustement mécanique, électrique, électronique..., en fonction des paramètres mécaniques du sujet et de la course.
Dans une forme de réalisation illustrée (figures 2, 3 et 5), en vue notamment d'améliorer l'ergonomie, l'organe élastique (1) est monté en combinaison avec un support (3). Ce support est articulé au niveau de l'articulation (A), de l'articulation (B) et du pied (P). L'organe élastique (1) est accouplé entre les points d'articulation du support (3) considéré au niveau de l'articulation du fémur (A) et du genou (B). Dans cette forme de réalisation et d'une manière avantageuse, au moins un capteur (4) de contact est monté au niveau du pied (P) en étant apte à agir sur des moyens de débrayage (non représenté) de l'organe élastique (1). Il en résulte qu'en position de contact du pied (P), l'organe élastique (1) est actif, tandis que dans des positions de non-contact, l'organe élastique (2) est inactif. Ces dispositions suppriment toute résistance de l'organe élastique dans la phase de retour de la jambe (de la position de flexion à la position d'extension).
Différentes solutions peuvent être envisagées pour les moyens de débrayage, parmi lesquelles on peut citer, à titre indicatif : - Par un capteur (mécanique ou électronique) de force ou de contact du pied au sol. Le vérin est débrayé quand le pied n'est pas en contact au sol et vice versa ; - Par un capteur (mécanique ou électronique) de la position de l'angle entre la cuisse et le tronc. Le vérin est embrayé quand la cuisse dépasse un angle déterminé en avant du tronc et débrayé quand la cuisse dépasse un angle déterminé en arrière du tronc.
Le débrayage peut se faire soit en ouvrant et en fermant une valve sur le vérin soit par un système mécanique, électrique ou électronique externe à la valve.
Il est préférable de pouvoir débrayer pendant le retour de la jambe quand le pied est en contact avec le sol.
Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne et on rappelle : l'amélioration du rendement ; l'autonomie ; l'ergonomie ; l'équilibre et le contrôle sont assurés par un minimum d'énergie des muscles.
Parmi d'autres applications, utilisant le même principe, on peut citer : rotation du tronc par rapport aux membres inférieurs ; mouvement des bras.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
-1- Dispositif pour assujettir une ou plusieurs articulation(s) d'un membre du corps humain, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe élastique (1) apte à être monté d'une manière parallèle à ladite ou auxdites articulation(s).
-2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique (1) est un ressort.
-3- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (1) est un vérin.
-4- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique présente des agencements d'accouplement à chacune des extrémités de l'articulation constituées par un membre inférieur, lesdites extrémités étant constituées par la zone d'articulation (A) du fémur dans la cavité cotyloïdienne de l'os iliaque et l'extrémité (D) du pied.
-5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les agencements d'accouplement au niveau de l'articulation (A) du fémur sont constitués par un baudrier (2).
-6- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les agencements d'accouplement au niveau de l'extrémité (D) du pied sont constitués par des moyens de connexion avec une chaussure. -7- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe élastique (1) est monté en combinaison avec un support (3) articulé au niveau des articulations du fémur, du genou et du pied, ledit organe (1) étant accouplé entre les points d'articulation du support (3) considérés au niveau des articulations du fémur et du genou.
-8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins un capteur de contact (4) est monté au niveau du pied en étant apte à agir sur des moyens de débrayage de l'organe élastique (1) de sorte qu'en position de contact du pied, ledit organe élastique (1) est actif, tandis qu'en position de non-contact, ledit organe (1) est inactif.
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