Brevet FR2504706A1 — publié le 19821029

La présente invention concerne un dispositif de reconnaissance des formes et d'indication des pressions d'appui d'un corps pesant par rapport à une surface de référence. Dans le domaine de l'extensométrie, il est connu d'exploiter, en combinaison avec des filtres et des analyseurs polarisants, les variations de réfringence de modèles en matériau translucide pour concrétiser et analyser la répartition des contraintes dans ce modèle sous l'application de différentes sollicitations, par exemple des forces ou des couples.Il a également été proposé, dans le domaine de la podologie, des capteurs opto-élastiques de pression s'inspi ranz des techniques précédentes et utilisant un matériau biréfringent en combinaison avec un filtre polarisant bi-directionnel pour analyser la répartition des efforts appliqués a partir des cercles de diffraction visuaiisés.Ces dispositifs présentent les inconvénients de travailler en lumière traversante, de recourir à des accessoires coûteux et délicats à ettre en oeuvre, tels que les filtres, et de ne pas permettre une détermination quantitative précise des différentes charges appliquées visualisées. La présente invention a précisément pour objet de proposer un dispositif de reconnaissances des formes et d'indications de pression d'appui d'un corps pesant sur une surfa ce de référence de construction simple, de mise en oeuvre rapide, même par un personnel non spécialisé, de faible coût de revient, et permettant d'effectuer des mesures quantitatives des pressions d'appui exercées par le corps pesant sur la surface de référence. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, le dispositif comprend un corps translucide à résistance de forme constituant un pseudo-guide d'ondes lumineuses présentant des faces principales et des faces d'extrémité, au moins une source lumineuse disposée au voisinage d'au moins une desdites faces d'extrémité pour envoyer par cette face d'extrémité un rayonnement par diffusion et réfraction dans le corps translucide, et une structure d'interface, disposée librement le long d'une des surfaces principales du corps translucide constituant la surface de référen#ce, pour recevoir le corps pesant à analyser et permettre la visualisation des zones d'appui de ce dernier sur la surface de référence. Selon une caractéristique plus particulière de la présente invention, la structure d'interface comprend une patrice d'éléments élastiques disjoints, constitués avanta3eusement de demi-sphères identiques de petites dimensions en un matériau élastomère. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; La figure 2 représente schématiquement en vue du dessus la matrice d'éléments élastiques d'interface du dispoitif de la figure 1; Les figures 3 à 6 illustrent le mode de fonctionnement et l'exploitation du dispositif des figures 1 et 2; La figure 7 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention; et Les figures 8 et 9 représentent schématiquement les modes de fonctionnement et d'exploitation du dispositif de la figure 7. Le dispositif de reconnaissance des formes et d'indication de pression d'appui selon l'invention comprend typiquement un corps translucide à résistance de forme 1, constitué en l'occurrence par une plaque de verre trempé, ou réalisée, en variante, en chlorure de polyvinyle. en méthacrylate ou en polycarbonate transparents, comprenant une première face principale 2, une seconde face principale opposée parallèle 3, et deux faces d'extrémité de dimensions réduites 4 et 5. Le long des faces d'extrémité 4 et 5 sont disposées des sources lumineuses, en l'occurrence des tubes au néon 6 et 7 envoyant par une fente latérale des rayonnements lumineux dans la plaque 1, par les faces d'extrémité 4 et 5.La différence d'indice entre le matériau translucide de la plaque 1 et l'air environnant est telle qu'il y a réflexion sensiblement totale des ondes lumineuses projetées par les sources 4 et 5 le long des faces principales 2 et 3, la plaque 1 se comportant ainsi comme un pseudo-guide d'ondes lumineuses, comme l'ont démontré les travaux de Chodera à l'Académie des Sciences de Prague à la fin des années 50. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend une structure d'interface 8 disposée librement le long de la surface principale supérieure 2, et constituée d'une pluralité d'éléments élastiques hémisphériques 9 disjoints les uns des autres et portant contre la surface principale 2 par leurs sommets arrondis inférieurs. Comme on le voit sur la figure 2,suivant la sensibilité et le degré de définition que lîon souhaite obtenir pour le dispositif, les éléments élastiques 9 sont répartis en grand nombre (par exemple plusieurs milliers) suivant un réseau quadratique ou en quinconce formant une matrice lignes1,colonnes de pas g variable, les diamètres d des éléments identiques 9 étant déterminés en fonction des dimensions et des capacités requises pour le dispositif.En pratique, les différents éléments élastiques 9 sont maintenus en place par un voile de liaison 10, solidarisé aux surfaces planes diamétrales supérieures des demi-sphères 9. Lorsque, comme représenté sur la figure 1, un corps pesant 11 est appliqué sur la matrice d'élément élastique de transfert 9, selon la géométrie du corps pesant 11, celui-ci sollicitera directement certains des capteurs inscrits sous sa face d'appui en les écrasant plus ou moins selon la force locale de sollicitation, cet écrasement se traduisant par la formation, au niveau de la zone de con- tact entre la surface principale 2 et l'élément élastique considéré 9, d'une surface de contact d'écrasement circulaire 12, de diamètre proportionnel à l'écrasement de l'élément élastique et donc à la force locale exercée.Ce contact po- noncé suivant la surface d'appui 12 entre ltélément élastique 9 et la surface 2 du corps translucide 1 produit localement au niveau de la face principale 2 du corps translucide 1, un nouvel indice d'interface différent de celui de l'air, entraînant donc des phénomènes de diffusion et de réfraction au droit de cette zone de contact d'appui se traduisant, par observation du côté de la seconde face principale 3, perpendiculairement à celle-ci, par l'apparition de zones circulaires éclairées 13 se détachant sur le ~ond sombre,et ayant un diamètre correspondant à la surface ~e la zone d'écrasement de contact d'appui 12 et en relation drecte , donc,à la force exercée localement sur l'élément é'astique considéré 9. Les figures 3 à 6 illustrent cette visualisation pour différentes charges croissantes exercées sur un même élément élastique 9. Au repos (figure 3), la zone de contact réduite à un point de contact entre l'élément élastique 9 et la surface principale 2 du corps 1, se traduit théoriquement par un point 14 en pratique imperceptible. On comprend donc, que, quelle que soit la confi giration en volume du corps pesant 11, celui-ci exercera sur les éléments élastiques 9 de la matrice 8, pris en sandwich entre le c orps pesant 11 et la surface principale de référence 2, des pressions différentielles permettant, d'une part, une reconnaissance de la forme des zones d'appui du corps pesant 11 sur la surface de référence et, d'autre part, une appréciation quantitative des forces locales exercées par ce dernier, les secteurs d'hyperpression correspondant a' des cercles clairs 13 de diamètre important, les zones peu sollicitées créant des cercles 13 de diamètre plus faible, tendant éventuellement vers zéro. Pour faciliter la visualisation des cercles 13, on dispose au-dessous de la plaque 1 un miroir 14 renvoyant latéralement l'image du motif de cercles lumineux 13. L'observation est instantanée et fugitive, sans rémanence, et l'on peut, de suite après une observation, procéder à une nouvelle investigation, sans préparation particulière du dispositif. L'image observée pour l'appui d'un corps pesant 11 dans une configuration particulière peut bien sûr être enregistrée par un procédé quelconque,par.exemple par photographie ou par nagnétoscopie. Toutefois, cette image peut être analysée en tenus réel par un dispositif d'analyse 15, par exemple du type senseur optique à balayage mécanique ou électronique, permettant de mesurer, suivant un motif de trame déterminé, les dimensions des différents cercles lumineux 13 et à partir de ces dernières, en tenant compte de la fonction de transfert de déformation des éléments élastiques 9,de calculer et d'afficher directement en grandeur réelle ou corrigée, les forces locales d'appui du corps pesant 11 sur la surface de référence 2. Les éléments élastiques 9 peuvent être réalisés en une résine silicone, par exemple du type RTV 501, ou, de préférence, en élastomère,ainsi que le voile de liaison 10, la matrice d'éléments élastiques 9 et le voile de liaison 10 étant avantageusement réalisés d'une seule pièce par moulage. Pour éviter les phénomènes de halo dus à la faible portion de lumière évanescente, quittant le pseudo-guide d'ondes constitué par le corps translucide 1, et se réfléchissant éventuel liement sur les parois des éléments élastiques 11, on peut prévoir de disposer,au moins temporairement, entre les élé :entes élastiques 9 et la face de référence principale 2, un fin filn 16 d'un matériau plastique transparent ou non,par exemple en chlorure de polyvinyle. Dans le mode de réalisation de la figure 7, convenant tout particulièrement pour la reconnaissance des formes, typiquement pour l'examen de l'appui plantaire, la structure d'interface disposée librement sur la surface principale supérieure 2 de la plaque 1 ,toujours pourvue au niveau de ces deux faces d'extrémité 4 et 5 de tubes au néon 6 et 7, est ici constituée d'une simple feuille de matériau plastique translucide 17,typiquement en chlorure de polyvinyle de la qualité ref. 616 F1 commercialisé par la société Ottobock à Orsay. Dans ce mode de réalisation, le corps pesant à analyser, constitué par exemple par les deux pieds 110 d'un sujet, applique ainsi plus ou moins étroitement la feuille 17 sur la surface de référence 2 de la plaque 1, selon le profil d'appui du corps pesant 110, typiquement l'appui plantaire, modifiant ainsi localement les variations d'indice le long de la surface principale de référence 2, ce qui se traduit, comme dans le mode de réalisation précédent, par la visualisation d'une image d'appui 111, du corps pesant 110. Cette image 111 est rémanente pendant une période de temps relativement longue avec la catégorie de chlorure de polyvinyle évoquée ci-dessus. L'observation peut ainsi se faire directement sur la partie supérieure de la plaque 1, c'est-à-dire sur le côté de la surface principale de référence 2, cette image pouvant être photographiée.En conséquence, dans un mode de réalisation pratique, la plaque 1 est montée sur un bâti creux 18, dont l'intérieur est peint ou recouvert d'un revêtement noir mat. Pour annuler l'effet mémoire ou la rémanence de l'image 111, il suffit de soulever légèrement la feuille d'interface 17, et l'on peut procéder immédiatement à un nouvel examen sans aucune précaution particulière. Pour rendre relativement rémanente l'image de la matrice d'éléments élastiques 9 du mode de réalisation des figures 1 à 6, la feuille intercalaire 16 peut être substituée par un fin film de chlorure de polyvinyle analogue au film 17 du mode de réalisation des figures 7 à 9. Le dispositif de reconnaissance de formes et d'in dication de pression d'appui se-lon la présente invention trouve des applications dans deux secteurs principaux, à savoir le domaine du génie biologique et médical et le domaine industriel. Dans le premier domaine, on citera les études de statogravimétrie (aide à la décision médicale, fabrication de fauteuils roulants, prévention d'escarres), la podologie générale (fabrication de chaussures ou de semelles orthopédiques) des études biomécaniques de la marche normale et pathologique, et'étude et la conception de lits anti-escarres par détermination des zones d'hyperpression en décubitus dorsal ou ventral chez les patients atteints de troubles cérébro-médullaires.Dans le second domaine, on citera l'aide à la reconnaissance des formes en robotique, par détermination des zones de contact de différentes faces d'une pièce à orienter et à positionner, l'étude de la position assise dans le secteur de l'automobile et de la construction de meubles, ainsi que le tri automatique d'objets dans des chaînes de fabrication,en fonction des traces d'appui des différents objets sur un dispositif au sens de la présente invention. Dans ces différentes applications, on comprendra que le corps translucide n'est pas nécessairement constitué d'une plaque plane mais peut présenter des courbures et définir des faces de références multiples, les structures d'interface étant confortées et réparties en conséquence. Ainsi,pour l'étude'de la-sosition assise,on peut réaliser par moulage de résine synthétique,une forme de fauteuil éclairée par la tranche, les structures d'interface étant conformées et mises en place pour correspondre par exemple aux zones d'assise et de dossier du siège. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes, notamment dans son insertion dans des systèmes d'analyse et de contrôle, qui apparaitront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de reconnaissance des formes et d'indication de pressions d'appui d'un corps pesant sur une surface de référence, caractérisé en ce qu'il comprend - un corps translucide à résistance de forme (1) constituant un pseudo-guide d'ondes lumineuses, présentant des faces principales (2, 3) et des faces d'extrémité (4,5); - au moins une source lumineuse (6; 7) disposée au voisinage d'au moins une desdites faces d'extrémité(4; 5) pour envoyer par ladite face d'extrémité un rayonnement par diffusion et réfraction dans le corps translucide (1); et - une structure d'interface (8; 17) disposée librement le long d'une (2) des surfaces principales du corps translucide (1) constituant la surface de référence pour recevoir le corps pesant à analyser 11; 110) et per#mettre la visualisation des zones d'appui (12; 111) de ce dernier sur la surface de référence (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources lumineuses allo#gées (6, 7) disposées respectivement au voisinage des faces d'extrémité opposées (4; 5) du corps translucide (1). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la structure d'interface (8) comprend une matrice d'éléments élastiques identiques disjoints (9). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments élastiques (9) sont des demisphères liées par leurs surfaces planes diamétrales par un voile souple de liaison supérieure (10). 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments élastiques (9) sont en un matériau élastomère. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure d'interface comprend -une feuille de matériau plastique souple (17) s'étendant sur ladite face principale (2). 7 - Dispositif selon la revendication 6,caractérisé en ce que la feuille est en chlorure de polyvinyle. 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'observation et d'analyse optique (15) des images du corps pesant (11) sur le corps translucide (1) fournies par la structure d'interface (8; 17).