WO2022243556A1 - Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant - Google Patents

Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant Download PDF

Info

Publication number
WO2022243556A1
WO2022243556A1 PCT/EP2022/063816 EP2022063816W WO2022243556A1 WO 2022243556 A1 WO2022243556 A1 WO 2022243556A1 EP 2022063816 W EP2022063816 W EP 2022063816W WO 2022243556 A1 WO2022243556 A1 WO 2022243556A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
limb
sensor
anthropomorphic
member according
piece structure
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/063816
Other languages
English (en)
Inventor
Francis COLLOMBET
Yves-Henri GRUNEWALD
Original Assignee
Universite Toulouse Iii - Paul Sabatier
Composites Expertise & Solutions
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Toulouse Iii - Paul Sabatier, Composites Expertise & Solutions filed Critical Universite Toulouse Iii - Paul Sabatier
Publication of WO2022243556A1 publication Critical patent/WO2022243556A1/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models

Definitions

  • Anthropomorphic limb sensor dedicated to the biomechanical measurement of a limb subjected to dynamic stress, and corresponding sensor network
  • the invention relates to the field of biomechanical measurement of the human body.
  • the invention relates to a new type of instrumented anthropomorphic device, called sensor-limb, intended to artificially reproduce the biomechanical behavior of a human limb in a situation of dynamic stresses (such as that occurring for example during an explosion , a detonation, a shock or a collision) and to measure the direct or indirect effects of these dynamic stresses on the stressed member.
  • sensor-limb a new type of instrumented anthropomorphic device, called sensor-limb, intended to artificially reproduce the biomechanical behavior of a human limb in a situation of dynamic stresses (such as that occurring for example during an explosion , a detonation, a shock or a collision) and to measure the direct or indirect effects of these dynamic stresses on the stressed member.
  • the invention has numerous applications, such as for example, but not exclusively, in the field of military accidentology research where such a sensor-limb can be used to predict the injuries that an operator could sustain within a land military vehicle when that vehicle encounters an explosive device.
  • the invention can also be applied for the purposes of establishing digital replicas of all human limbs (inferior or superior in particular) in different given situations (for example in a military situation or even in a civilian situation such as the study of systems foot-sports shoe or lower limbs in a vehicle crash).
  • explosive devices such as improvised explosive devices (also called IED or EID for "Improvised Explosive Device” in English) for example, designed to cause damage to these vehicles as well as to its occupants, due in particular to the blast caused by the detonation of these explosive devices as well as the impact of the fragments projected from the ground in which these explosive devices are buried.
  • IED improvised Explosive Device
  • the operators are protected by a system of suspended seats, their feet in contact with the floor of the vehicle are thus subjected to dynamic stresses.
  • an anthropomorphic limb-sensor intended to reproduce the behavior of a limb subjected to a dynamic stress and to carry out a biomechanical measurement of this dynamic stress.
  • a sensor-limb is characterized in that it comprises a lower portion representative of a lower part of the limb, an upper portion representative of an upper part of the limb and a central measurement portion disposed between said lower and upper portions, said lower, upper and central portions being integrally connected together along a longitudinal axis and having a general shape so as to form a one-piece structure representative of said member and the lower portion of which is intended to receive said dynamic stress, said central measurement portion being configured to be sensitive to the action of a physical quantity exerted through the one-piece structure along the longitudinal axis when the sensor-limb is subjected to said dynamic stress.
  • the present invention is based on an alternative solution for artificially reproducing and evaluating the biomechanical behavior of a human limb in a situation of dynamic stresses, without having recourse to bodies donated to science.
  • the invention is therefore based on an ethical and practical approach to carrying out experimental shock tests on different types of limbs of the human body.
  • the central measurement portion comprises a test body which is elastically deformable under the action of the physical quantity and a network of at least one element sensitive to the deformation of said body, so to form a strain sensor.
  • the device according to the invention not only has all the endomorph characteristics necessary for the faithful reproduction of the biomechanical behavior of a member of the human body but also comprises, within its structure itself, all the instrumentation necessary for the measurement of a physical quantity induced by the dynamic stress.
  • the test body is elastically deformable along the longitudinal axis in order to be able to withstand the forces generated under the action of the dynamic stress within the one-piece structure without deforming irreversibly (plastic deformation).
  • the test body is made of a material having a Young's modulus and has a wall with a thickness that is sufficiently thin to produce a quantity measurable by the network of sensitive elements under the action of the dynamic stress.
  • the senor-member is such that the network comprises a plurality of sensitive elements uniformly distributed on the outer surface of the test body. In this way, a uniform force-capturing surface is obtained.
  • the sensitive elements are distributed according to the nature and direction of the forces likely to be induced in the structure under the action of the dynamic stress.
  • test body and said lower and upper portions are made of an identical material. This makes it possible to offer a simple and inexpensive sensor-member implementation.
  • the test body and said lower and upper portions are made of different materials.
  • the sensor-member further comprises an adjustment flyweight, and in which the one-piece structure has a recess oriented along the longitudinal axis configured to house said flyweight along the longitudinal axis.
  • Such a weight makes it possible to restore, if necessary, a balancing in density of the various portions of the sensor-limb according to the needs.
  • said adjustment flyweight is suspended from a fixing screw fixed integrally inside the upper portion.
  • said flyweight at least one elastomeric ring disposed on the circumferential surface of said adjustment flyweight so that said at least elastomeric ring is in contact with the inner circumferential surface of the one-piece structure.
  • the balancing weight has a higher density than the density of each of said central, lower and upper portions.
  • the one-piece structure is defined by a plurality of anthropomorphic parameters taking into account the physiological parameters of said member. Moreover, at least one anthropomorphic parameter of said plurality also takes account of a predefined scale factor. Moreover, at least one anthropomorphic parameter of said plurality also takes into account a measurement parameter.
  • the sensor-limb is made biofaithful to said limb to within one factor. Moreover, the consideration of such anthropomorphic parameters allows the implementation of a sensor-limb adapted to any type of situation.
  • a network of sensors characterized in that it comprises a plurality of sensor-members each defined according to the aforementioned characteristics in any one of its embodiments).
  • FIG. 1 is a block diagram of a sensor-limb according to a particular embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an adjustment weight intended to equip the sensor-member of Figure 1;
  • FIG. 3 illustrates an example, in partial section, of a sensor-limb housing an adjustment weight according to the invention
  • Figure 4 is a sectional view of the sensor-limb shown in Figure 3;
  • FIG. 5 is a sectional view of the adjustment weight illustrated in Figure 3.
  • the principle of the invention is based on a new type of sensor of the anthropomorphic type used for the biomechanical measurement of a member of the human body subjected to a dynamic stress.
  • the invention is of course not limited to this particular field of application, nor to the study of such a member in particular, but is part of any application having as its object a measurement of the biomechanical behavior of a member (in particular an upper limb consisting of the arm, handle and hand assemblies) constituting the human body (which may or may not include joints) subjected to dynamic stress.
  • the invention can be applied in civilian fields, in particular for tests on sports shoes or even crash tests on civilian vehicles. It can also apply, but not exclusively, to an upper limb for the study of dynamic stresses generated on the upper limbs during the use of mechanical tools (of the “jackhammer” type for example).
  • the principle of a sensor-limb CM according to a particular embodiment of the invention is presented in relation to FIGS. 1 and 4.
  • This sensor-limb CM is used here both to reproduce and to evaluate the biomechanical behavior of a lower limb subjected to an external dynamic stress (represented schematically by the arrow SD).
  • the lower limb studied here is the lower limb of a man whose normalized morphological characteristics are those of a Caucasian type man (typically a 4.6 kg leg and a 2.1 kg shoe-foot-ankle assembly) .
  • the lower limb studied consists of the following sub-limbs: a leg (region located between the knee and the ankle), an ankle (region located between the leg and the foot), a foot (region below the ankle).
  • the limb is associated, for each sub-limb, with a certain number of predefined, so-called "real" physiological parameters, such as for example the size and the density of said sub-limb, to name but two .
  • the invention is included here, by way of example, in the context of a shock test aimed at experimentally reproducing an explosion caused by an explosive device buried on an armored military vehicle carrying a troop of soldiers.
  • the test aims more particularly to obtain measurements representative of the biomechanical behavior of a lower limb of a soldier occupying the military vehicle with a view to studying the biomechanical phenomena and the traumatologies brought into play during such a situation.
  • the dynamic stress is representative of the impact of the ground fragments projected by the explosion and of the shock wave resulting from the explosion on the lower part of the military vehicle and transmitted to the lower limbs of the soldier.
  • the sensor-limb CM illustrated in figure 1 comprises:
  • an upper portion 2 of generally tubular shape, representative of an upper part of the limb, namely the leg of the soldier;
  • central measurement portion 3 of generally tubular shape, arranged between the lower and upper portions 1 and 2.
  • the lower base of the central portion 3 is secured to the upper base of the lower portion 1.
  • the upper base of the central portion 3 is secured to the lower base of the upper portion 2.
  • the outer diameter of the lower portion 1 is greater to the outer diameter of the upper portion 2, which itself has a greater outer diameter than the central portion 3.
  • the lower portion 1 of the sensor-limb is intended to receive the dynamic stress SD at its lower base as illustrated in FIG. 1.
  • the longitudinal axis X is representative of the biomechanical longitudinal axis of the lower limb studied.
  • the portions 1, 2 and 3 of the sensor-limb CM are therefore integrally connected together along the longitudinal axis X so as to form a one-piece structure of generally elongated shape along the axis X, capable of reproducing the characteristics physiological conditions of the lower limb of a soldier wearing a shoe.
  • the one-piece structure is defined by a set of anthropomorphic parameters representative of the real physiological characteristics of the member studied (the principle of which is discussed later at the end of the description).
  • the sensor according to the invention does not include an articulation (anthropomorphic articulation), but a measurement zone 3 comprised in the one-piece assembly representing the lower limb.
  • the measurement zone 3 is advantageously a form of revolution around the axis of the one-piece structure, which eliminates the need for the angular orientation of the sensor with respect to the axis of revolution. Thus the measurements are carried out independently of the orientation of the foot.
  • This one-piece structure is obtained for example by molding from a metal alloy based on iron and carbon, such as an alloy steel having good sensitivity to shock waves, good robustness allowing the reuse of the sensor-member CM and a good repeatability in order to be able to use them in number.
  • a metal alloy based on iron and carbon such as an alloy steel having good sensitivity to shock waves, good robustness allowing the reuse of the sensor-member CM and a good repeatability in order to be able to use them in number.
  • the lower part of the lower portion 1 may be made from - or covered with - a cellular material of the polymer foam type, in polyurethane or expanded polystyrene for example (not shown in the figures).
  • This type of material makes it possible to effectively simulate the mechanical characteristics of a shoe, for example, of the “rangers” type.
  • the lower part 1 of the sensor thus leads to taking into account the moment transmitted by the foot when the shock wave arrives.
  • This provides the sensor with a function of translating the temporally differential arrival of the wave (in fact, the wave first arrives at the level of the outer periphery of the lower portion 1 then, with a time lag, at the center of portion 1.
  • the central portion 3 of the sensor-limb CM is configured to be sensitive to the action of the mechanical forces exerted through the structure along the axis X when the lower portion 1 is subjected to the dynamic stress SD.
  • the central portion 3 comprises a test body 31 which is elastically deformable and a network of elements 32 sensitive to the deformation of said body.
  • the network 32 comprises four sensitive elements 32 (only two are illustrated in FIG. 1) uniformly distributed over the outer surface of said test body 31 so as to form with test body 31 a force sensor .
  • a network of sensitive elements 32 comprising four sensitive elements has been presented. It goes without saying that it could include a different number, in particular at least one or more than four sensitive elements.
  • the sensitive elements 32 distributed radially around the measurement zone thus make it possible to carry out multidirectional measurements. Their number can be adapted to the specificities of the signal.
  • the test body 31 is the part of the sensor which is intended to undergo the mechanical deformations induced by the dynamic stress SD. It consists of a sufficiently thin wall and a material of known Young's modulus and remaining elastically deformable in the range of forces generated by the stress along the X axis.
  • the thin wall is defined by the ratio between its thickness and its length, also called slenderness.
  • the length is at least ten times the thickness, preferably the length is of the order of seventeen times the thickness.
  • the test body 31 is shaped to allow, under the effect of the dynamic stress SD, the establishment of uniaxial waves between the lower 1 and upper 2 portions detectable by the network of sensitive elements 32.
  • the network is configured to deliver an electrical signal representative of the elastic deformations undergone by the sensor.
  • the sensitive elements used are strain gauges.
  • the sensitive elements 32 are all arranged in the same plane, the latter being normal to the X axis.
  • the network of sensitive elements 32 is electrically connected to a processing unit, equipped with a processor, in which is stored a computer program aimed at processing the measurement signals recovered from the network of sensitive elements with a view to providing information relating to the measurement of the biomechanical behavior of the lower limb subjected to SD loading.
  • the sensor-limb CM not only has all the endomorphic characteristics necessary for modeling the biomechanical behavior of the lower limb studied but also includes, within its structure itself, all the instrumentation necessary for measuring the forces induced by the stress. dynamic SD. It should be noted that the number, nature and arrangement of the sensitive elements, as well as the proportion of surface occupied by the latter can be adapted on a case-by-case basis, depending in particular on the type of limb studied, the shape of the monobloc structure chosen , the nature of the physical quantities involved (a surface of minimum sensitivity is required to produce an electrical signal of good quality and duly representative of the biomechanical behavior of the limb studied).
  • the shape, the dimensions, the material for each of the portions of the sensor-limb can be adapted on a case-by-case basis, depending in particular on the type of limb studied.
  • the anthropomorphic parameters to be taken into account when producing the sensor-limb according to the invention can be adapted on a case-by-case basis, depending in particular on the type of limb studied and the situation of dynamic stresses that one wishes to carry out (fall , explosion, accidents, etc.) and the type of physical quantity(s) to be studied (pressure force, bending force, inertia, acceleration, etc.).
  • the central portion 3 and the lower 1 and upper 2 portions are made of an identical material in order to facilitate the manufacture of the sensor-limb and to have the best robustness-cost ratio.
  • the central portion 3 on the one hand and the lower 1 and upper 2 portions on the other hand be made of different materials (the portions then being fixed together, in particular by gluing, welding , screwing, etc.).
  • the sensor-limb according to the invention comprises an adjustment weight 4 like that bearing the reference 4 illustrated in FIG. 2.
  • a weight 4 is intended to be housed in a recess provided for this purpose in the one-piece structure along the longitudinal axis X.
  • the flyweight makes it possible to restore a balancing in density of the different portions of the sensor-limb CM according to the needs for the impact test.
  • the flyweight 4 comprises a body 5 of substantially cylindrical shape and two elastomer rings 6a and 6b arranged on the circumferential surface of said body 5 intended to come into contact with the internal circumferential surface of the one-piece structure of the sensor-limb. Further details on the structure of a sensor-member housing an adjustment weight are described below in relation to figures 3, 4, 5.
  • the sensor-limb CM' illustrated in FIGS. 3 to 5 comprises a one-piece element 100 of generally elongated shape along the longitudinal axis X' designed to reproduce the behavior of a soldier's lower limb subjected to dynamic stress.
  • the one-piece element 100 comprises:
  • a lower portion 10 representative of the “ankle-foot” or “ankle-foot-shoe” sub-member of the lower limb;
  • the sensor-member CM′ is further provided with a flyweight 40 whose role is to come and distribute the mass of the different portions of the one-piece element 100 of the sensor.
  • the flyweight 40 comprises a body 50 of generally cylindrical shape having two circumferential grooves, the groove 65a being intended to receive the elastomeric ring 60a, the groove 65b being intended to receive the elastomeric ring 60b.
  • the flyweight 40 is mounted in the sensor CM′, the two elastomer rings 6a and 6b come into contact with the internal circumferential surface of the one-piece structure 100, preferably of the lower portion 1.
  • the flyweight 40 is held in suspension by a fixing screw 70 located in the upper portion 20 of the sensor.
  • the central measurement portion 30 is generally tubular in shape. It has a through axial hole of constant diameter intended to accommodate part of the counterweight 40.
  • the portion 30 typically has a length of 12.0 mm, a diameter of 23.4 mm and a wall of 0.7 mm thick (i.e. a hole of 22.0 mm in diameter).
  • the upper portion 20 is generally tubular in shape but has a tubular housing of non-constant internal diameter. More specifically, the portion 20 has a through axial hole consisting of two sections of different diameter: the first section is intended to house the head of the fixing screw 70 and the second section to house the body of the fixing screw 70 and a possible support washer. In this example, the portion 20 typically has a length of 25 mm and a constant external diameter of 26 mm. The first section also has a wall 10 mm thick (ie a hole 16 mm in diameter) and 18 mm thick for the second section (ie a hole 8 mm in diameter).
  • the upper portion 20 has a section in its lower part whose outer diameter and the thickness of the wall tend to decrease progressively, for example according to a curvilinear profile, to tend towards the dimensions of the central portion 30.
  • Such a configuration provides a distribution of masses representative of that of a real lower limb.
  • the lower portion 10 is generally tubular in shape but has a tubular housing of non-constant internal diameter. More specifically, the lower portion 10 has a through axial hole consisting of two sections of different diameters: the first section, secured to the central portion 3, is intended to house the lower part of the flyweight 40 (that comprising the two elastomer rings 60a and 60b), the second section, of larger diameter, remaining hollow.
  • the first section typically has an internal diameter of 22 mm, identical to the internal diameter of the central portion 30, and the second section has an internal diameter of 32 mm.
  • the lower portion has a diameter of 48mm.
  • the portion 10 has a section in its upper part whose external diameter and the thickness of the wall tend to decrease progressively, for example according to a curvilinear profile, to tend towards the dimensions of the central portion 30.
  • the lower portion 10 also has, in the upper part, a smaller outer diameter, of 26mm, identical to the outer diameter of the upper portion 20.
  • Such a configuration makes it possible to have a distribution of the masses representative of that of a real lower limb.
  • Another advantage of the invention is its independence in terms of scale of application (it is thus possible to carry out tests on a reduced scale, for example on a 1/3 scale). Indeed, the proposed solution is homothetic. This is permitted by the fact that the sensor is dimensioned so as to respect a ratio of the masses within the limb to be reproduced. The member is thus reproduced at the level of its mass ratio and not at the level of its dimensions.
  • the mass ratio of the sensor in order to adapt it to different person morphologies (for example a child, an adult, etc.) or population (whose morphology varies) whose limb is reproduced.
  • person morphologies for example a child, an adult, etc.
  • population whose morphology varies
  • limb is reproduced.
  • the dimensions of the limb sensor CM correspond to a reduced-scale representation (corresponds to a scale of 1/27 of the masses) of a lower limb.
  • the one-piece structure of the sensor-limb is defined by a set of anthropomorphic parameters reflecting the real physiological parameters of the lower limb, such as the masses and the distribution of masses for example (without wishing to be exhaustive), and this so that the dynamic behavior rendered by the sensor-limb during a situation of dynamic solicitation is as biofaithful as possible.
  • a given physiological parameter for a limb or a sub-limb of the limb studied is defined one or more anthropomorphic parameters, which make it possible to define the structural characteristics of the sensor-limb (taking into account for example the mass of the material used for the upper portion 20 of the sensor-limb CM′, so that this portion of the sensor-limb is shaped so as to reproduce the characteristics in terms of mass and distribution masses corresponding to said normalized leg).
  • certain anthropomorphic parameters can also be defined by taking into account a predefined scale factor.
  • T a physiological parameter relating to the mass of a normalized lower limb
  • This physiological parameter T can be associated with a predefined scale factor, for example a ratio 1/K, with K an integer strictly greater than at 0, the dividend the value of the physiological parameter of the limb considered and the divisor K the scaling factor for the corresponding anthropomorphic parameter).
  • the value of the anthropomorphic parameter corresponding to the physiological parameter T in other words the mass of the one-piece element 100
  • the mass of the one-piece element 100 will be substantially equal to one twenty-seventh of the mass of the standardized lower limb (i.e. a one-piece element of 249.1 g for a standardized lower limb of 6.7 kg mass).
  • an anthropomorphic parameter can be defined to be associated with a given portion of the sensor-limb or with at least one section (ie a sub-portion) of this given portion to distribute or with a plurality of given portions of the sensor-limb.
  • a predefined profile for example, it is possible to define the thickness of the wall of the upper portion 20 of the sensor-limb or of the wall of one or more sections of the upper portion in order to locally or globally distribute the density according to a predefined profile. (gradient of density) depending on the needs of the study.
  • an anthropomorphic parameter can be defined to be associated with characteristics of the adjustment weight.
  • the set of anthropomorphic parameters to be taken into account for the implementation of the sensor-limb takes into account measurement parameters, such as the type of force studied for example (pressure force, force of bending, moment, acceleration, etc.).
  • the nature of the forces exerted on the sensor-limb can vary from one stressing situation to another and can condition the structural and functional characteristics of the sensor-limb. Thanks to the invention, it is thus possible to adapt the sensor-limb according to the conditions of the impact test that one wishes (nature of the limb, type of dynamic stress to which said limb is subjected, etc. ).
  • a network of sensor-members is proposed.
  • Each sensor-member of the network is identical and is defined according to the aforementioned characteristics according to the particular embodiment described above in relation to FIGS. 3, 4, 5.
  • a remote processing unit collects all the measurement data from the network of sensors for the purpose of processing and studying the behavior and effects of the shocks suffered by the soldiers' lower limbs during the explosion.
  • the invention also relates to an assembly of a sensor and a containment module.
  • This confinement module allows, on the one hand, the sensor to move in the appropriate direction(s) following a request in order to carry out the measurements and, on the other hand, to limit its movement(s) in order to prevent the sensor is not ejected and/or is a source of damage (for itself or for its environment, in particular an anthropomorphic mannequin placed nearby). In other words, following a stress, the sensor is maintained close to its initial position.
  • the confinement module is configured to surround the sensor when the latter is placed on the surface transmitting the stress.
  • the containment module is mounted on the transmission surface.
  • the confinement module comprises a cavity in which the sensor is mounted. The opening of the cavity is placed at the level of the lower portion 1 of the sensor so that the lower portion 1 is in contact with the surface transmitting the stress when the sensor is put in place.
  • the confinement module can also comprise holding means making it possible to hold the sensor in its measurement position, in other words against the stressing surface, whatever the orientation of the latter (in particular when the surface is substantially vertical).
  • These holding means may be in the form of at least one spring/a spring-damper assembly or an elastomer. These holding means can in particular be placed between the bottom of the cavity and the upper portion 2 of the structure.
  • the cavity can be formed from an elastomeric material in order to have the dual function of confinement and maintenance. The stiffness of the holding means is advantageously low so as not to interfere with the measurements of the sensor during stress.
  • Such a holding module is particularly advantageous when the contact surface between the sensor and the biasing surface is not flat. This is particularly advantageous in the case of the study of prostheses, shoes, helmets, elbow pads, etc.
  • the senor can comprise a fluid of the non-Newtonian type, or by magnetic effect for example.
  • the viscosity of such a fluid increases when a force is exerted on this fluid.
  • the non-Newtonian fluid is placed between the one-piece structure and the counterweight 4.
  • the displacement of the counterweight 4 relative to the one-piece structure due to the deformation of the latter, in particular at the level of the measurement zone 3, during a stress
  • the movement of the flyweight 4 is thus reduced, which leads to stiffening of the one-piece structure-flyweight assembly 4.
  • the stiffening of the limb is thus reproduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

Il est proposé un capteur-membre anthropomorphique (CM) destiné à reproduire le comportement d'un membre soumis à une sollicitation dynamique et à réaliser une mesure biomécanique de cette sollicitation dynamique. Un tel capteur-membre comprend une portion inférieure (1) représentative d'une partie inférieure du membre, une portion supérieure (2) représentative d'une partie supérieure du membre et une portion centrale de mesure (3), reliées solidairement entre elles le long d'un axe longitudinal de manière à former une structure monobloc représentative du membre et dont la portion inférieure est destinée à recevoir la sollicitation dynamique. La portion centrale de mesure est configurée pour être sensible à l'action d'une grandeur physique s'exerçant à travers la structure monobloc le long de l'axe longitudinal lorsque le capteur-membre est soumis à la sollicitation dynamique.

Description

Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine de la mesure biomécanique du corps humain.
Plus particulièrement, l'invention porte sur un nouveau type de dispositif anthropomorphique instrumenté, dit capteur-membre, destiné à reproduire artificiellement le comportement biomécanique d'un membre humain dans une situation de sollicitations dynamiques (comme celle survenant par exemple lors d'une explosion, d'une détonation, d'un choc ou d'une collision) et à mesurer les effets directs ou indirects de ces sollicitations dynamiques sur le membre sollicité.
L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple, mais non exclusivement, dans le domaine de la recherche en accidentologie militaire où un tel capteur- membre peut être utilisé pour prédire les blessures qu'un opérateur pourrait subir au sein d'un véhicule militaire terrestre lorsque ce véhicule rencontre un engin explosif. L'invention peut également s'appliquer à des fins d'établissement de répliques numériques de tous membres humains (inférieurs ou supérieurs notamment) dans différentes situations données (par exemple dans une situation militaire ou encore dans une situation civile comme l'étude de systèmes pied- chaussure de sport ou de membres inférieurs lors d'un crash de véhicules).
Art antérieur
On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existante dans le domaine de la recherche en accidentologie militaire, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour tout dispositif anthropomorphique de mesure biomécanique devant faire face à une problématique proche ou similaire.
Dans le cas de conflits armés, les véhicules militaires terrestres sont menacés par des engins explosifs, tels que les engins explosifs improvisés les (également désignés EEI ou EID pour « Improvised Explosive Device » en anglais) par exemple, conçus pour causer des dommages à ces véhicules ainsi qu'à ses occupants, du fait notamment du souffle provoqué par la détonation de ces engins explosifs ainsi que l'impact des fragments projetés de sol dans lequel ces engins explosifs sont enterrés. Bien que les opérateurs soient protégés par un système de sièges suspendus, leurs pieds en contact avec le plancher du véhicule sont ainsi soumis aux sollicitations dynamiques.
Il apparaît important de bien connaître et comprendre le comportement du corps humain, en particulier des membres inférieurs, soumis à de telles sollicitations dynamiques afin de fournir par exemple aux concepteurs d'outils prédictifs de lésions, toutes les données nécessaires à l'évaluation et à l'optimisation de systèmes de protection militaires.
Les études expérimentales menées depuis des décennies en biomécanique du choc permettent de mieux appréhender les phénomènes physiques et traumatismes corporels corollaires intervenant dans les conflits armés. Ces études expérimentales s'appuient sur des essais dits « de sollicitation dynamique » ou « de choc » consistant à provoquer volontairement une explosion ou une détonation sous un véhicule blindé dans lequel des corps donnés à la science, voire des cadavres d'animaux, ou des mannequins équipés de capteurs de mesure ont été placés en conditions réelles de terrain. Des données de mesure issues des capteurs sont récoltées à des fins d'étude du comportement et des effets des chocs subis par les corps au cours de l'explosion ainsi qu'à la constitution de répliques numériques (ou « jumeaux numériques ») utilisé(e)s notamment pour la certification numérique des systèmes de protection ou de surprotection. L'utilisation de corps humains ou de membres humains fournit des résultats qui soulèvent des problématiques d'ordre éthique et rendent les conditions d'expérimentation généralement peu propices à l'établissement de « jumeaux numériques ».
Il existe donc un réel besoin de proposer une nouvelle solution qui soit non seulement éthique, mais qui permette d'obtenir des mesures spécifiques du comportement biomécanique d'un membre humain en réponse à une sollicitation dynamique.
Résumé de l'invention
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un capteur-membre anthropomorphique destiné à reproduire le comportement d'un membre soumis à une sollicitation dynamique et à réaliser une mesure biomécanique de cette sollicitation dynamique. Un tel capteur-membre est caractérisé en ce qu'il comprend une portion inférieure représentative d'une partie inférieure du membre, une portion supérieure représentative d'une partie supérieure du membre et une portion centrale de mesure disposée entre lesdites portions inférieure et supérieure, lesdites portions inférieure, supérieure et centrale étant reliées solidairement entre elles le long d'un axe longitudinal et ayant une forme générale de manière à former une structure monobloc représentative dudit membre et dont la portion inférieure est destinée à recevoir ladite sollicitation dynamique, ladite portion centrale de mesure étant configurée pour être sensible à l'action d'une grandeur physique s'exerçant à travers la structure monobloc le long de l'axe longitudinal lorsque le capteur-membre est soumis à ladite sollicitation dynamique.
Ainsi, la présente invention repose sur une solution alternative pour reproduire artificiellement et évaluer le comportement biomécanique d'un membre humain dans une situation de sollicitations dynamiques, sans avoir recours à des corps donnés à la science. L'invention repose donc sur une approche éthique et pratique pour réaliser des tests expérimentaux de choc sur des différents types de membres de corps humain.
Selon un aspect particulier de l'invention, la portion centrale de mesure comprend un corps d'épreuve qui est élastiquement déformable sous l'action de la grandeur physique et un réseau d'au moins un élément sensible à la déformation dudit corps, de façon à former un capteur de déformation.
Ainsi, le dispositif selon l'invention possède non seulement toutes les caractéristiques endomorphes nécessaires à la reproduction fidèle du comportement biomécanique d'un membre du corps humain mais comprend également, au sein même de sa structure, toute l'instrumentation nécessaire à la mesure d'une grandeur physique induite par la sollicitation dynamique. Le corps d'épreuve est élastiquement déformable le long de l'axe longitudinal pour pouvoir supporter les efforts engendrés sous l'action de la sollicitation dynamique au sein de la structure monobloc sans se déformer de manière irréversible (déformation plastique). Le corps d'épreuve est constitué d'un matériau ayant un module d'Young et présente une paroi d'épaisseur suffisamment mince pour produire une grandeur mesurable par le réseau d'éléments sensibles sous l'action de la sollicitation dynamique.
Selon une caractéristique avantageuse, le capteur-membre est tel que le réseau comprend une pluralité d'éléments sensibles uniformément répartis sur la surface externe du corps d'épreuve. De cette manière, on obtient une surface de captation d'effort uniforme.
De manière générale, les éléments sensibles sont répartis en fonction de la nature et la direction des efforts susceptibles d'être induits dans la structure sous l'action de la sollicitation dynamique.
Selon un aspect particulier, le corps d'épreuve et lesdites portions inférieure et supérieure sont constitués d'un matériau identique. Ceci permet d'offrir un capteur-membre de mise en œuvre simple et peu coûteux.
Selon une variante, le corps d'épreuve et lesdites portions inférieure et supérieure sont constitués de matériaux différents. Selon une caractéristique particulière, le capteur-membre comprend en outre une masselotte de réglage, et dans lequel la structure monobloc présente un évidement orienté le long de l'axe longitudinal configuré pour loger ladite masselotte le long de l'axe longitudinal.
Une telle masselotte permet de rétablir, le cas échéant, un équilibrage en masse volumique des différentes portions du capteur-membre en fonction des besoins.
Selon un aspect particulier, ladite masselotte de réglage est suspendue à une vis de fixation fixée solidairement à l'intérieur de la portion supérieure.
Selon un autre aspect particulier, ladite masselotte au moins un anneau élastomère disposé sur la surface circonférentielle de ladite masselotte de réglage de manière à ce que ledit au moins anneau élastomère est en contact avec la surface circonférentielle interne de la structure monobloc.
Grâce à ces caractéristiques, la grandeur physique induite dans la portion centrale de mesure n'est pas perturbée par la présence de la masselotte d'équilibrage.
Selon une caractéristique particulière, la masselotte d'équilibrage présente une masse volumique supérieure à la masse volumique de chacune desdites portions centrale, inférieure et supérieure.
Selon une caractéristique particulièrement intéressante, ledit membre étant défini par une pluralité de paramètres physiologiques, la structure monobloc est définie par une pluralité de paramètres anthropomorphiques tenant compte des paramètres physiologiques dudit membre. Par ailleurs, au moins un paramètre anthropomorphique de ladite pluralité tient compte en outre d'un facteur d'échelle prédéfini. Par ailleurs, au moins un paramètre anthropomorphique de ladite pluralité tient compte en outre d'un paramètre de mesure.
En conditionnant ainsi les caractéristiques structurelles du capteur-membre à des paramètres prédéfinis représentatifs des caractéristiques physiologiques réelles dudit membre, on rend le capteur-membre biofidèle audit membre à un facteur près. De plus, la prise en compte de tels paramètres anthropomorphiques permet la mise en œuvre d'un capteur-membre adapté à tout type de situation.
Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un réseau de capteurs caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteur-membres chacun défini selon les caractéristiques précitées dans l'un quelconque de ses modes de réalisation).
Figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
- la Figure 1 est un schéma de principe d'un capteur-membre selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
- la Figure 2 est un schéma de principe d'une masselotte de réglage destinée à équiper le capteur-membre de la figure 1 ;
- la Figure 3 illustre un exemple, en coupe partielle, d'un capteur-membre logeant une masselotte de réglage selon l'invention ;
- la Figure 4 est une vue en coupe du capteur-membre illustré la figure 3 ;
- la Figure 5 est une vue en coupe de la masselotte de réglage illustrée à la figure 3.
Description détaillée de l'invention
Sur les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.
Le principe de l'invention repose sur un nouveau type de capteur de type anthropomorphique utilisé pour la mesure biomécanique d'un membre du corps humain soumis à une sollicitation dynamique.
On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire l'invention dans le cadre de l'étude de la traumatologie des membres inférieurs de soldats pour la recherche en sécurité militaire. En effet, les véhicules militaires blindés sont régulièrement soumis à des explosions lors des conflits armés et les dommages corporels des membres inférieurs, non protégés par les sièges suspendus car en appui sur le sol du véhicule, des soldats occupant ces véhicules sont malheureusement très fréquents dans ce genre de situation et méritent d'être mieux appréhender.
L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, ni à l'étude d'un tel membre en particulier, mais s'inscrit dans toute application ayant pour objet une mesure du comportement biomécanique d'un membre (notamment un membre supérieur constitué des ensembles bras, poignée et main) constitutif du corps humain (pouvant comprendre ou non des articulations) soumis à une sollicitation dynamique. En particulier, l'invention peut être appliquée dans des domaines civils, notamment pour des essais sur des chaussures de sport ou bien de crash de véhicules civils. Elle peut s'appliquer également, mais non exclusivement, à un membre supérieur pour l'étude de sollicitations dynamiques engendrées sur les membres supérieurs lors de l'utilisation d'outils mécaniques (de type « marteau-piqueur » par exemple). On présente, en relation avec les figures 1 et 4, le principe d'un capteur-membre CM selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce capteur-membre CM est ici utilisé à la fois pour reproduire et évaluer le comportement biomécanique d'un membre inférieur soumis à une sollicitation dynamique extérieure (représentée schématiquement par la flèche SD). Le membre inférieur étudié ici est le membre inférieur d'un homme dont les caractéristiques morphologiques normalisées sont celles d'un homme du type caucasien (typiquement une jambe de 4,6 kg et un ensemble chaussure-pied-cheville de 2,1 kg). Le membre inférieur étudié est constitué des sous- membres suivants : une jambe (région située entre le genou et la cheville), une cheville (région située entre la jambe et le pied), un pied (région inférieure à la cheville). Par ailleurs, le membre est associé, pour chaque sous-membre, à un certain nombre de paramètres physiologiques prédéfinis, dit « réels », tels que par exemple la taille et la masse volumique dudit sous-membre, pour n'en citer que deux.
L'invention s'inscrit ici, à titre d'exemple, dans le cadre d'un test de choc visant à reproduire expérimentalement une explosion provoquée par un engin explosif enterré sur un véhicule militaire blindé transportant une troupe de soldats. Le test vise à obtenir plus particulièrement des mesures représentatives du comportement biomécanique d'un membre inférieur d'un soldat occupant le véhicule militaire en vue d'étudier les phénomènes biomécaniques et les traumatologies mis en jeu lors d'une telle situation. Dans ce cadre particulier, la sollicitation dynamique est représentative de l'impact des fragments de sol projetés par l'explosion et de l'onde de choc résultant de l'explosion sur la partie inférieure du véhicule militaire et transmise aux membres inférieurs du soldat.
Le capteur-membre CM illustré sur la figure 1 comprend :
- une portion inférieure 1, de forme générale tubulaire, représentative d'une partie inférieure du membre, à savoir la cheville, le pied et la chaussure du soldat ;
- une portion supérieure 2, de forme générale tubulaire, représentative d'une partie supérieure du membre, à savoir la jambe du soldat ;
- une portion centrale de mesure 3, de forme générale tubulaire, disposée entre les portions inférieure et supérieure 1 et 2.
La base inférieure de la portion centrale 3 est solidarisée avec la base supérieure de la portion inférieure 1. La base supérieure de la portion centrale 3 est solidarisée avec la base inférieure de la portion supérieure 2. Le diamètre extérieur de la portion inférieur 1 est supérieur au diamètre extérieur de la portion supérieure 2, qui elle-même présente un diamètre extérieur supérieur à la portion centrale 3. La portion inférieure 1 du capteur-membre est destinée à recevoir la sollicitation dynamique SD au niveau de sa base inférieure comme illustré sur la figure 1. L'axe longitudinal X est représentatif de l'axe longitudinal biomécanique du membre inférieur étudié.
Les portions 1, 2 et 3 du capteur-membre CM sont donc reliées solidairement entre elles le long de l'axe longitudinal X de manière à former une structure monobloc de forme générale allongée le long de l'axe X, apte à reproduire les caractéristiques physiologiques du membre inférieur d'un soldat muni d'une chaussure. Pour remplir cette fonction, la structure monobloc est définie par un jeu de paramètres anthropomorphiques représentatifs des caractéristiques physiologiques réelles du membre étudié (dont le principe est discuté plus loin en fin de description).
Le capteur selon l'invention ne comprend pas d'articulation (articulation anthropomorphique), mais une zone de mesure 3 comprise dans l'ensemble monobloc représentant le membre inférieur. La zone de mesure 3 est avantageusement une forme de révolution autour de l'axe de la structure monobloc, ce qui affranchit de la nécessité de l'orientation angulairement du capteur par rapport à l'axe de révolution. Ainsi les mesures sont réalisées indépendamment de l'orientation du pied.
Cette structure monobloc est obtenue par exemple par moulage à partir d'un alliage métallique à base de fer et de carbone, tel qu'un acier allié présentant une bonne sensibilité aux ondes de choc, une bonne robustesse autorisant la réutilisation du capteur-membre CM et une bonne répétabilité afin de pouvoir les utiliser en nombre.
Afin de reproduire fidèlement les caractéristiques physiologiques du membre inférieur lorsque celui-ci est muni d'une chaussure, la partie inférieure de la portion inférieure 1 peut-être réalisée à partir - ou recouverte - d'un matériau alvéolaire de type mousse polymère, en polyuréthane ou polystyrène expansé par exemple (non illustré sur les figures). Ce type de matériau permet en effet de bien simuler les caractéristiques mécaniques d'une chaussure, par exemple, de type « rangers ».
La partie inférieure 1 du capteur conduit ainsi à la prise en compte du moment transmis par le pied lors de l'arrivée de l'onde de choc. Cela assure au capteur une fonction de traduction de l'arrivée temporellement différentielle de l'onde (dans les faits, l'onde arrive d'abord au niveau de la périphérie extérieure de la portion inférieure 1 puis, avec un décalage temporel, au centre de la portion 1.
Par ailleurs, la portion centrale 3 du capteur-membre CM selon l'invention est configurée pour être sensible à l'action des efforts mécaniques s'exerçant à travers la structure le long de l'axe X lorsque la portion inférieure 1 est soumise à la sollicitation dynamique SD. Pour se faire, la portion centrale 3 comprend un corps d'épreuve 31 qui est élastiquement déformable et un réseau d'éléments 32 sensibles à la déformation dudit corps. Dans cet exemple, le réseau 32 comprend quatre éléments sensibles 32 (seulement deux sont illustrés sur la figure 1) répartis uniformément sur la surface externe dudit corps d'épreuve 31 de façon à former avec le corps d'épreuve 31 un capteur d'effort.
Il a été présenté un réseau d'éléments sensibles 32 comprenant quatre éléments sensibles. Il va de soi qu'il pourrait en comprendre un nombre différent, notamment au moins un ou plus de quatre éléments sensibles. Les éléments sensibles 32 répartis radialement autour de la zone de mesure permettent ainsi de réaliser des mesures multidirectionnelles. Leur nombre peut être adapté aux spécificités du signal.
Le corps d'épreuve 31 est la partie du capteur qui est destinée à subir les déformations mécaniques induites par la sollicitation dynamique SD. Il est constitué d'une paroi suffisamment mince et d'un matériau de module d'Young connu et restant élastiquement déformable dans la gamme d'efforts engendrés par la sollicitation le long de l'axe X. La paroi mince est définie par le rapport entre son épaisseur et sa longueur, également désigné élancement. De préférence, la longueur est au moins dix fois l'épaisseur, de préférence la longueur est de l'ordre de dix-sept fois l'épaisseur. En d'autres termes, le corps d'épreuve 31 est conformé pour permettre, sous l'effet de la sollicitation dynamique SD, l'établissement d'ondes uniaxiales entre les portions inférieure 1 et supérieure 2 détectables par le réseau d'éléments sensibles 32. Le réseau est configuré pour délivrer un signal électrique représentatif des déformations élastiques subis par le capteur. A titre d'exemple purement illustratif, les éléments sensibles utilisés sont des jauges d'extensiométrie. Les éléments sensibles 32 sont tous disposés dans le même plan, ce dernier étant normal à l'axe X.
Le réseau d'éléments sensibles 32 est relié électriquement à une unité de traitement, équipée d'un processeur, dans laquelle est stocké un programme d'ordinateur visant à traiter les signaux de mesure récupérés depuis le réseau d'éléments sensibles en vue de fournir des informations relatives à la mesure du comportement biomécanique du membre inférieur soumis à la sollicitation SD.
Ainsi, le capteur-membre CM possède non seulement toutes les caractéristiques endomorphiques nécessaires à la modélisation du comportement biomécanique du membre inférieur étudié mais comprend également, au sein même de sa structure, toute l'instrumentation nécessaire à la mesure des efforts induits par la sollicitation dynamique SD. A noter que le nombre, la nature et la disposition des éléments sensibles, ainsi que la proportion de surface occupée par ces derniers peuvent être adaptés au cas par cas, en fonction notamment du type de membre étudié, de la forme de la structure monobloc choisie, de la nature des grandeurs physiques mises en jeu (une surface de sensibilité minimale est requise pour produire un signal électrique de bonne qualité et dûment représentatif du comportement biomécanique du membre étudié).
De même, la forme, les dimensions, le matériau pour chacune des portions du capteur- membre peuvent être adaptés au cas par cas, en fonction notamment du type de membre étudié.
Les paramètres anthropomorphiques à prendre en compte lors de la réalisation du capteur-membre selon l'invention peuvent être adaptés au cas par cas, en fonction notamment du type de membre étudié et de la situation de sollicitations dynamiques que l'on souhaite menée (chute, explosion, accidents, etc.) et du type de grandeur(s) physique(s) à étudier (effort de pression, effort de flexion, inertie, accélération, etc.).
Dans ce mode de réalisation particulier, la portion centrale 3 et les portions inférieure 1 et supérieure 2 sont constituées d'un matériau identique afin de faciliter la fabrication du capteur- membre et de disposer du meilleur rapport robustesse-coût. A titre d'alternative, on pourrait envisager que la portion centrale 3 d'une part et les portions inférieure 1 et supérieure 2 d'autres part soient fabriquées dans des matériaux différents (les portions étant alors fixées entre elles, notamment par collage, soudage, vissage, etc.).
Selon un aspect particulièrement intéressant, le capteur-membre selon l'invention comprend une masselotte de réglage 4 comme celle portant la référence 4 illustrée sur la figure 2. Une telle masselotte 4 est destinée à être logée dans un évidement prévu à cet effet dans la structure monobloc le long de l'axe longitudinal X. La masselotte permet de rétablir un équilibrage en masse volumique des différentes portions du capteur-membre CM en fonction des besoins pour l'essai de choc.
La masselotte 4 comprend un corps 5 de forme sensiblement cylindrique et deux anneaux élastomères 6a et 6b disposés sur la surface circonférentielle dudit corps 5 destinés à venir en contact avec la surface circonférentielle interne de la structure monobloc du capteur-membre. De plus amples détails sur la structure d'un capteur-membre logeant une masselotte de réglage sont décrits ci-après en relation avec les figures 3, 4, 5.
Comme pour le capteur-membre CM, le capteur-membre CM' illustré sur les figures 3 à 5 comprend un élément monobloc 100 de forme générale allongée le long de l'axe longitudinal X' destiné à reproduire le comportement du membre inférieur d'un soldat soumis à une sollicitation dynamique. L'élément monobloc 100 comprend :
- une portion inférieure 10 représentative du sous-membre « cheville-pied » ou « cheville-pied- chaussure » du membre inférieur ;
- une portion supérieure 20 représentative du sous-membre « jambe » du membre inférieur ;
- une portion centrale de mesure 30 disposée entre les portions inférieure et supérieure 10 et 20.
Le capteur-membre CM' est en outre muni d'une masselotte 40 ayant pour rôle de venir répartir en masse les différentes portions de l'élément monobloc 100 du capteur. La masselotte 40 comprend un corps 50 de forme générale cylindrique présentant deux rainures circonférentielles, la rainure 65a étant destinée à recevoir l'anneau élastomère 60a, la rainure 65b étant destinée à recevoir l'anneau élastomère 60b. Lorsque la masselotte 40 est monté dans le capteur CM', les deux anneaux élastomères 6a et 6b viennent en contact avec la surface circonférentielle interne de la structure monobloc 100, de préférence de la portion inférieure 1. Ces deux anneaux permettent de minimiser les interactions entre le régime d'ondes mécaniques uniaxiales établi dans l'élément monobloc 100 entre les portions inférieure 10 et supérieure 20 et le régime d'ondes mécaniques propre à la masselotte 40. En d'autres termes, cela permet d'éviter que la présence de la masselotte 40 vienne perturber la mesure d'effort réalisée par la portion centrale 30 du capteur-membre CM'.
Enfin, la masselotte 40 est maintenue en suspension par une vis de fixation 70 située dans la portion supérieure 20 du capteur.
La portion centrale de mesure 30 est de forme générale tubulaire. Elle présente un trou axial traversant de diamètre constant destiné à loger une partie de la masselotte 40. Dans cet exemple, la portion 30 présente typiquement une longueur de 12,0 mm, un diamètre de 23,4 mm et une paroi de 0,7 mm d'épaisseur (soit un trou de 22,0 mm de diamètre).
La portion supérieure 20 est de forme générale tubulaire mais présente un logement tubulaire de diamètre interne non constant. Plus précisément, la portion 20 présente un trou axial traversant constitué de deux sections de diamètre différent : la première section est destinée à loger la tête de la vis de fixation 70 et la seconde section à loger le corps de la vis de fixation 70 et une éventuelle rondelle de support. Dans cet exemple, la portion 20 présente typiquement une longueur de 25 mm et un diamètre externe constant de 26 mm. La première section présente en outre une paroi de 10 mm d'épaisseur (soit un trou de 16 mm de diamètre) et de 18 mm d'épaisseur pour la seconde section (soit un trou de 8 mm de diamètre). La portion supérieure 20 présente une section dans sa partie inferieure dont le diamètre externe et l'épaisseur de la paroi tendent à diminuer de manière progressive, par exemple selon un profil curviligne, pour tendre vers les dimensions de la portion centrale 30. Une telle configuration permet de disposer d'une répartition des masses représentatives de celle d'un membre inférieur réel.
La portion inférieure 10 est de forme générale tubulaire mais présente un logement tubulaire de diamètre interne non constant. Plus précisément, la portion inférieure 10 présente un trou axial traversant constitué de deux sections de diamètre différent : la première section, solidarisée à la portion centrale 3, est destinée à loger la partie inférieure de la masselotte 40 (celle comportant les deux anneaux élastomères 60a et 60b), la seconde section, de plus grand diamètre, restant creuse. Dans cet exemple, la première section présente typiquement un diamètre interne de 22 mm, identique au diamètre interne de la portion centrale 30, et la deuxième section présente un diamètre interne de 32mm. La portion inférieure présente un diamètre de 48mm. A noter que la portion 10 présente une section dans sa partie supérieure dont le diamètre externe et l'épaisseur de la paroi tendent à diminuer de manière progressive, par exemple selon un profil curviligne, pour tendre vers les dimensions de la portion centrale 30. La portion inférieure 10 présente en outre, en partie supérieure, un diamètre extérieur plus faible, de 26mm, identique au diamètre extérieur de la portion supérieure 20.
Une telle configuration permet de disposer d'une répartition des masses représentatives de celle d'un membre inférieur réel.
Un autre avantage de l'invention est son indépendance en termes d'échelle d'application (il est ainsi possible de réaliser des essais à échelle réduite, par exemple à l'échelle 1/3). En effet, la solution proposée est homothétique. Ceci est permis par le fait que le capteur est dimensionné de sorte à respecter un ratio des masses au sein du membre à reproduire. Le membre est ainsi reproduit au niveau de son ratio des masses et non au niveau de ses dimensions.
Par ailleurs, il est possible d'adapter le ratio de masse du capteur afin de l'adapter à différentes morphologies de personne (par exemple un enfant, un adulte, ...) ou de population (dont la morphologie varie) dont le membre est reproduit. Ainsi, en modifiant le ratio de masse, il est possible de réaliser un capteur sur-mesure.
Bien entendu, ces dimensions et formes sont données à titre purement illustratif et peuvent adaptées en fonction des caractéristiques souhaitées pour l'étude. Dans cet exemple, les dimensions du capteur membre CM correspondent à une représentation à échelle réduite (correspond à une échelle de 1/27 des masses) d'un membre inférieur. Comme discuté brièvement ci-dessus, pour reproduire le comportement d'un membre inférieur humain, la structure monobloc du capteur-membre est définie par un jeu de paramètres anthropomorphiques reflétant les paramètres physiologiques réels du membre inférieur, tels que les masses et la répartition des masses par exemple (sans vouloir être exhaustif), et ce afin que le comportement dynamique rendu par le capteur-membre lors d'une situation de sollicitation dynamique soit le plus biofidèle possible.
Ainsi, selon l'invention, à un paramètre physiologique donné pour un membre ou un sous- membre du membre étudié (la masse d'une jambe normalisée par exemple) est défini un ou plusieurs paramètres anthropomorphiques, lesquels permettent de définir des caractéristiques structurelles du capteur-membre (prise en compte par exemple de la masse du matériau utilisé pour la portion supérieure 20 du capteur-membre CM', pour que cette portion du capteur- membre soit conformée de manière à reproduire les caractéristiques en termes de masse et de répartition des masses correspondant à ladite jambe normalisée).
En sus d'un paramètre physiologique prédéfini, certains paramètres anthropomorphiques peuvent être également définis en prenant en compte un facteur d'échelle prédéfini. Prenons par exemple un paramètre physiologique relatif à la masse d'un membre inférieur normalisé, noté T. Ce paramètre physiologique T peut être associé à un facteur d'échelle prédéfini, par exemple un rapport 1/K, avec K un nombre entier strictement supérieur à 0, le dividende la valeur du paramètre physiologique du membre considéré et le diviseur K le facteur de mise à l'échelle pour le paramètre anthropomorphique correspondant). Dans ce cas, en considérant un facteur d'échelle de 1/27 par exemple, la valeur du paramètre anthropomorphique correspondant au paramètre physiologique T, autrement dit la masse de l'élément monobloc 100), sera sensiblement égale à un vingt-septième de la masse du membre inférieur normalisé (soit un élément monobloc de 249,1 gr pour un membre inférieur normalisée de 6,7 kg de masse).
Ainsi, grâce à ces caractéristiques, il est possible d'élaborer un capteur-membre de à échelle réduite, ce qui présente un avantage économique dans la caractérisation expérimentale, tout étant biofidèle.
Selon une mise en oeuvre particulière, un paramètre anthropomorphique peut être défini pour être associé à une portion donnée du capteur-membre ou à au moins une section (i.e. une sous-portion) de cette portion donnée répartir ou à une pluralité de portions données du capteur- membre. Par exemple, il est possible de définir l'épaisseur de la paroi de la portion supérieure 20 du capteur-membre ou de la paroi d'une ou plusieurs sections de la portion supérieure afin de répartir localement ou globalement la masse volumique selon un profil prédéfini (gradient de masse volumique) en fonction des besoins de l'étude. En complément ou de manière alternative, un paramètre anthropomorphique peut être défini pour être associé à des caractéristiques de la masselotte de réglage. Par exemple, s'il est souhaité tester un membre inférieur avec une jambe plus corpulente que celle correspondant à une jambe normalisée caucasienne, il est possible d'ajuster la masse au niveau de la portion supérieure 20 en y intégrant un matériau de masse volumique plus élevée et/ou en présence d'une masselotte de masse volumique adaptée.
Enfin, en complément ou de manière alternative, le jeu de paramètres anthropomorphiques à prendre en compte pour la mise en œuvre du capteur-membre tient compte de paramètres de mesure, tels que le type de force étudiée par exemple (effort de pression, effort de flexion, moment, accélération, etc.). En effet, la nature des forces s'exerçant sur le capteur-membre peut varier d'une situation de sollicitation à une autre et peut conditionner les caractéristiques structurelles et fonctionnelles du capteur-membre. Grâce à l'invention, il est ainsi possible d'adapter le capteur-membre en fonction des conditions de l'essai de choc que l'on souhaite (nature du membre, type de sollicitation dynamique à laquelle est soumis ledit membre, etc.).
Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un réseau de capteur-membres. Chaque capteur-membre du réseau est identique et est défini selon les caractéristiques précitées selon le mode de réalisation particulier décrit ci-dessus en relation avec les figures 3, 4, 5. Sur cette base, il est ainsi possible de réaliser un essai expérimental de choc consistant en une explosion volontaire sous un véhicule militaire blindé dans lequel a été préalablement placé le réseau de capteurs à des emplacements prédéterminés du véhicule. Chaque capteur-membre est représentatif d'un membre inférieur d'un soldat en condition d'opération militaire. Une unité de traitement distante récolte l'ensemble des données de mesure issues du réseau de capteurs à des fins de traitement et d'étude du comportement et des effets des chocs subis par les membres inférieurs des soldats au cours de l'explosion.
L'invention concerne également un ensemble d'un capteur et d'un module de confinement. Ce module de confinement permet, d'une part au capteur de se déplacer dans la/les directions appropriées suite à une sollicitation afin de réaliser les mesures et, d'autre part, d'en limiter le/les déplacements afin d'éviter que le capteur ne soit éjecté et/ou ne soit source d'endommagement (pour lui-même ou pour son environnement, notamment un mannequin anthropomorphique placé à proximité). Autrement dit, suite à une sollicitation, le capteur est maintenu à proximité de sa position initiale. Pour ce faire, le module de confinement est configuré pour environner le capteur lorsque ce dernier est placé sur la surface transmettant la sollicitation. Autrement dit, le module de confinement est monté sur la surface de transmission. Selon une forme de réalisation, le module de confinement comprend une cavité dans laquelle est monté le capteur. L'ouverture de la cavité est placée au niveau de la portion inférieure 1 du capteur afin que la portion inférieure 1 soit en contact avec la surface transmettant la sollicitation lorsque le capteur est mis en place.
Le module de confinement peut également comprendre des moyens de maintien permettant de maintenir le capteur dans sa position de mesure, autrement dit contre la surface de sollicitation, quelle que soit l'orientation de cette dernière (notamment lorsque la surface est sensiblement verticale). Ces moyens de maintien peuvent se présenter sous la forme d'au moins un ressort/un ensemble ressort-amortisseur ou d'un élastomère. Ces moyens de maintien peuvent notamment être placés entre le fond de la cavité et la portion supérieure 2 de la structure. Selon un mode de réalisation alternatif, la cavité peut être formée en un matériau élastomérique afin d'avoir la double fonction de confinement et de maintien. La raideur des moyens de maintien est avantageusement faible afin de ne pas interférer dans les mesures du capteur lors de la sollicitation.
L'utilisation d'un tel module de maintien est particulièrement avantageuse lorsque la surface de contact entre le capteur et la surface de sollicitation n'est pas plane. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas de l'étude de prothèses, de chaussures, de casques, de coudières, etc.
Lorsqu'un membre est soumis à une sollicitation, celui-ci va se rigidifier. Les solutions actuelles à base de mannequins articulés ne permettent pas de reproduire une telle rigidification (non-linéarité) au cours de la sollicitation.
La présente invention se propose ainsi de résoudre ce problème. Pour ce faire, le capteur peut comprendre un fluide de type non newtonien, ou par effet magnétique par exemple. De manière connue, la viscosité d'un tel fluide augmente lorsqu'une force est exercée sur ce fluide. Le fluide non newtonien est placé entre la structure monobloc et la masselotte 4. Ainsi, lors d'une sollicitation, le déplacement de la masselotte 4 par rapport à la structure monobloc (du fait de la déformation de cette dernière, notamment au niveau de la zone de mesure 3, lors d'une sollicitation) engendre une pression sur le fluide non newtonien dont la viscosité augmente alors. Le mouvement de la masselotte 4 est ainsi réduit, ce qui entraîne une rigidification de l'ensemble structure monobloc-masselotte 4. La rigidification du membre est ainsi reproduite.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur-membre anthropomorphique (CM) destiné à reproduire le comportement d'un membre soumis à une sollicitation dynamique (SD) et à réaliser une mesure biomécanique de cette sollicitation dynamique, caractérisé en ce que ledit capteur-membre comprend une portion inférieure (1) représentative d'une partie inférieure du membre, une portion supérieure (2) représentative d'une partie supérieure du membre et une portion centrale de mesure (3) disposée entre lesdites portions inférieure et supérieure, lesdites portions inférieure, supérieure et centrale étant reliées solidairement entre elles le long d'un axe longitudinal (X) et ayant une forme générale de manière à former une structure monobloc représentative dudit membre et dont la portion inférieure est destinée à recevoir ladite sollicitation dynamique, ladite portion centrale de mesure étant configurée pour être sensible à l'action d'une grandeur physique s'exerçant à travers la structure monobloc le long de l'axe longitudinal lorsque le capteur-membre est soumis à ladite sollicitation dynamique.
2. Capteur-membre selon la revendication 1, dans lequel la portion centrale de mesure comprend un corps d'épreuve qui est élastiquement déformable sous l'action de la grandeur physique et un réseau d'au moins un élément sensible à la déformation dudit corps de façon à former un capteur de déformation.
3. Capteur-membre selon la revendication 2, dans lequel le réseau comprend une pluralité d'éléments sensibles uniformément répartis sur la surface externe du corps d'épreuve.
4. Capteur-membre selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel le corps d'épreuve et lesdites portions inférieure et supérieure sont constitués d'un matériau identique.
5. Capteur-membre selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel le corps d'épreuve et lesdites portions inférieure et supérieure sont constitués de matériaux différents.
6. Capteur-membre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une masselotte de réglage (4), et dans lequel la structure monobloc présente un évidement orienté le long de l'axe longitudinal et configuré pour loger ladite masselotte de réglage le long de l'axe longitudinal.
7. Capteur-membre selon la revendication 6, dans lequel ladite masselotte de réglage est suspendue à une vis de fixation fixée solidairement à l'intérieur de la portion supérieure.
8. Capteur-membre selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, comprenant au moins un anneau élastomère disposé sur la surface circonférentielle de ladite masselotte de réglage de manière à ce que ledit au moins anneau élastomère est en contact avec la surface circonférentielle interne de la structure monobloc.
9. Capteur-membre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, ledit membre étant défini par une pluralité de paramètres physiologiques, la structure monobloc est définie par une pluralité de paramètres anthropomorphiques tenant compte des paramètres physiologiques dudit membre.
10. Capteur-membre selon la revendication 9, dans lequel au moins un paramètre anthropomorphique de ladite pluralité tient compte en outre d'un facteur d'échelle prédéfini.
11. Réseau de capteurs caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteur-membres chacun défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
PCT/EP2022/063816 2021-05-20 2022-05-20 Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant WO2022243556A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2105241A FR3123119B1 (fr) 2021-05-20 2021-05-20 Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d’un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant
FRFR2105241 2021-05-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022243556A1 true WO2022243556A1 (fr) 2022-11-24

Family

ID=77710865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/063816 WO2022243556A1 (fr) 2021-05-20 2022-05-20 Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3123119B1 (fr)
WO (1) WO2022243556A1 (fr)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4000564A (en) * 1976-01-07 1977-01-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Transportation Programmable anthropomorphic articulation
US4488433A (en) * 1982-12-08 1984-12-18 Robert A. Denton, Inc. Crash test dummy lower leg structure
US4605373A (en) * 1985-01-10 1986-08-12 Rosen Bernard A Training device for setting broken limbs
FR2646266A1 (fr) * 1989-04-21 1990-10-26 Dynamic Res Inc Mannequin et procede de simulation d'accidents de motocyclette
US6957961B1 (en) * 2000-12-15 2005-10-25 Ram Consulting, Inc. Manikin having a bio-simulating material and a method of making the same
US20090012431A1 (en) * 2005-01-21 2009-01-08 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Method and member for measuring stress distribution of natural bone, synthetic bone, or member attached to them

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4000564A (en) * 1976-01-07 1977-01-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Transportation Programmable anthropomorphic articulation
US4488433A (en) * 1982-12-08 1984-12-18 Robert A. Denton, Inc. Crash test dummy lower leg structure
US4605373A (en) * 1985-01-10 1986-08-12 Rosen Bernard A Training device for setting broken limbs
FR2646266A1 (fr) * 1989-04-21 1990-10-26 Dynamic Res Inc Mannequin et procede de simulation d'accidents de motocyclette
US6957961B1 (en) * 2000-12-15 2005-10-25 Ram Consulting, Inc. Manikin having a bio-simulating material and a method of making the same
US20090012431A1 (en) * 2005-01-21 2009-01-08 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Method and member for measuring stress distribution of natural bone, synthetic bone, or member attached to them

Also Published As

Publication number Publication date
FR3123119A1 (fr) 2022-11-25
FR3123119B1 (fr) 2023-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0524856B1 (fr) Procédé pour corriger de l'influence de la température les mesures d'une jauge de pression
EP1883800B1 (fr) Collier de mesure de la deformation laterale d'une eprouvette lors d'essais de compression, notamment uniaxiale ou triaxiale
EP0054000B1 (fr) Dispositif de mesure de la charge utile et de la charge sur les essieux d'un camion
CA2608975C (fr) Collier de mesure de la deformation laterale d'une eprouvette lors d'essais de compression, notamment uniaxiale ou triaxiale
WO2010060853A1 (fr) Systeme optique spatial comportant des moyens de controle actif de l'optique
CA2393074A1 (fr) Pneumatique comportant un dispositif de mesure
EP2766703B1 (fr) Capteur de pression pour mannequins anthropomorphes
FR2986322A1 (fr) Dispositif embarque de mesure de la masse et de la position du centre de gravite d'un aeronef
FR2834063A1 (fr) Dispositif de mesure du poids agissant sur un siege de vehicule et amenagement du siege a cet effet
EP2817607A1 (fr) Tete de mesure destinee a equiper un penetrometre dynamique et procede de mesure a l'aide d'une telle tete de mesure
EP3642057B1 (fr) Dispositif d'evaluation de la deformation d'une enveloppe pneumatique
FR3004256A1 (fr) Banc d'essais de palier
EP2406578A1 (fr) Dispositif de caracterisation tactile de texture de surface
WO2011086254A1 (fr) Dispositif de controle d'un materiau viscoelastique.
WO2022243556A1 (fr) Capteur-membre anthropomorphique dédié à la mesure biomécanique d'un membre soumis à une sollicitation dynamique, et réseau de capteurs correspondant
EP0220115A1 (fr) Procédé de contrôle d'une suspension de véhicule par mesure du coefficient de frottement de l'amortisseur et dispositif pour la mise en oeuvre du procédé
EP0968450B1 (fr) Dispositif de positionnement micrometrique d'un support d'element optique spatial selon six degres de liberte
WO2000057149A1 (fr) Procede et dispositif de mesure d'un couple exerce sur une piece soumise a des efforts de couple et de flexion
EP3722254A1 (fr) Charniere offrant une sensibilite aux contraintes internes reduite
EP3598143B1 (fr) Dispositif de mesure de la vitesse de déplacement d'un fluide
EP4078710B1 (fr) Banc de caracterisation mecanique d'objets minces a fiabilite augmentee
FR2812355A1 (fr) Ensemble de roulement interface comprenant au moins une zone de deformation elastique et ensemble de freinage le comprenant
EP3428055B1 (fr) Procédé et dispositif de détermination de la direction et de l'amplitude d'un effort appliqué sur une nacelle de propulsion pour bateau
EP0220116B1 (fr) Procédé et dispositif de contrôle d'une suspension de véhicule par mesure du coefficient de frottement de l'amortisseur
EP3428656A1 (fr) Dispositif de mesure de la vitesse de déplacement d'un fluide

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22732022

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE