Brevet FR2542993A1 — publié le 19840928

Otthèse motorisée du membre supérieur. La présente invention concerne une orthèse motorisée du membre supérieur et plus spécialement de l'épaule et du coude On a déjà proposé divers types d'orthèses pour remédier à la faiblesse fonctionnelle du membre supérieur dont certaines sont motorisées soit par des vérins pneumatiques, soit par des moteurs électriques.Elles comportent d'une manière générale un corset ou harnais pour la fixation sur le thorax, des pièces de bras et d'avant-bras réunies par une articulation de rotation, l'articulation entre ces deux pièces pouvant être bloquée mécaniquement à diverses valeurs de l'angle ou motorisée et la pièce de bras est ellé-même articulée sur la pièce d'épaule du corset par des articulations diverses à rotule ou à simple rotation autour d'un axe, l'articulation de l'épaule étant en général seulement soumise à une sollici tation élastique, pour soutenir le poids du bras pendant les mouvements d'abduction et d'antépulsion. Ces or thèses connues, sauf les orthèses complètes du bras qui sont des mécaniques complexes et lourdes, ne constituent que des aides à la mobilisation de 11 épaule mais n'assurent pas une véritable motorisation de l'or thèse pour les mouvements d'abduction, d'adductiona d'antépulsion et de rétropulsion avec une indépendance entre ces deux mouvements et ne permettent pas une motorisation du déploiement et du repliement de l'articulation du coude avec une gamme étendue de valeurs pour l'angle de cette articulaion, en synchronisme avec les mouvements d'antépulsion et de rétropulsion.Dans une autre réalisation le repliement de l'articulation du coude peut etre rendu indépendant de l'antépulsion et de la retro- pulsion par une motorisation indépendante. La présente invention a pour but de réaliser une orthèse répondant à ces conditions qui soit néanmoins simple et légère tout en étant motorisée par une puissance motrice réduite. L'orthèse motorisée du membresupérieur conforme à l'invention est caractérise'eencequ'elle comporte un demi-arceau monté à rotation directement ou indirectement sur une embase solidarisée avec le harnais, ce demi-arceau d'épaule pouvant etre entraîné positivement en rotation dans l'un ou l'autre sens selon un débattement angulaire limité par un premier moteur autour d'un premier axe sensiblement arrière-avant et sensiblement horizontal passant par le centre de l'articulation de l'épaule et un support de bras monté à rotation à l'extrémité de ce demi-arceau d'épaule pour pouvoir etre entrainé positivement en rotation dans l'un ou l'autre sens, selon un débattement angulaire limité, par un second moteur autour d'un second axe orthogonal au premier et concourant avec le premier axe au centre de l'articulation de l'épaule. Le premier axe peut être fixe par rapport à l'embase mais il peut être relié indirectement à celle-ci par une pièce intermédiaire articulée sur l'embase par une articulation. autorisant sa rotation limitée autour d'un troisième axe sensiblement vertical perpendiculaire au premier et concourant galet ment avec les deux premiers axes au centre de l'articulation de l'épaule. Ce troisième mouvement de rotation peut être motorisé ou blocable dans un certain nombre de positions. Le premier axe permet les mouvements d'abduction et d'adduction du bras et le deuxième axe les mouvements d'antépulsion et de rétropulsion, le troisième axe permettant les mouvements dits de rotation de l'épaule. Selon une autre caractéristique de l'invention un organe d'équilibrage élastique agit entre le harnais et le support de bras selon une ligne d'action passant à l'extérieur du premier axe pour aider à l'abduction avec une composante de couple par rapport au deuxième axe pour faciliter l'antépulsion, l'organe d'équilibrage élastique étant bandé par les mouvements d'adduction et de rétropulsion Selon une autre caractéristique -et selon un premier mode de réalisation, le support d'avant-bras est articulé sur le support de bras par l'axe d'un coude à trois crémaillères circulaires, le support d'avant-bras pouvant être solidarisé sélectivement à l'aide d'un cliquet choisi parmi les cliquets correspondant aux trois crémaillères avec l'urede la pluralité d'encoches de l'une des trois crémaillères dont une est fixe sur le support de bras, les autres étant entrainées en rot###on, au cours des mouvements d'antépulsion et de rétropulsion, par des transmissions respectivement "parallèle et "anti parallèle", la première augmentant l'angle entre le bras et l'avant-bras au cours de l'antépulsion et la seconde réduisant l'angle au cours du même mouvement. Selon un mode de réalisation préférentiel, les transmissions "parallèle" et nanti-parallèle" sont réalisées par des biellettes agissant entre un point d'articulation solidaire du demi-arceau d'épaule et disposé à une certaine distance du deuxième axe et l'extrémité dune manivelle solidaire de la crémaillère considérée et orientée, par rapport a l'axe du coude, selon la direction joignant le deuxième axe audit point d'articulation pour la transmission "parallèle" et dans l'autre direction pour la transmission anti-parallèle". Selon un second mode de réalisation, le support d'avant-bras est articulé à rotation libre sur 11 extrémité du support de bras et soumis à l'action d'un verin agissant entre le support d'avant-bras et le -support de bras. Selon une autre caractéristique un dispositif à coincement hi-dir-ectionnel est prévu dans la transmission entre chaque moteur et chaque pièce qu'il entraîne pour immobiliser la pièce en position en l'absence d'un effort moteur La transmission comporte également de préférence un dispositif limiteur d'effort. Selon un mode de réalisation préférentiel le demi-arceau d'épaule est entraîné par un couple denté monté dans un carter formant l'embase sensiblement dans un plan parallèle à la pièce d'omoplate du corset et lui-même entraîné par un couple conique depuis un moteur électrique d'axe parallèle à la pièce d'omoplate. Cette disposition permet de réaliser un groupe moteur plat appliqué contre la surface dorsale du corset. Selon un autre mode de réalisation le demi-arceau d'épaule est entraîné par un vérin analogue au vérin du deuxième axe. Selon également un mode de réalisation préférentiel le support de bras est entraîné par rapport au demi-arceau d'épaule par uç vérin dont le corps est solidaire du support de bras et dont la tige est articulée sur le demi-arceau d'épaule en un point déporté par rapport à l'articulation du support de bras sur le demi-arceau. Ce vérin peut être un vérin du type à vis entrainé par un moteur électrique. On décrira plus en détail ci-après un exemple de réalisation de ltorthèse du membre supérieur conforme à l'invention avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en élévation par l'arrière de l'or thèse du membre supérieur posée sur un s#et;la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'or thèse; la figure 3 est une vue de détail en élévation de 1'articulation du support de bras et des biellettes "parallèle" et "anti parallèle" sur le demi-arceau d'épaule; la figure 4 est une vue de détail illustrant le mécanisme d'articulation du coude; la figure 5 en élévation latérale et coupe partielle; les figures 6 et 7 sont des graphiques expliquant le fonctionnement de l;articulation du coude en "parallèle" et en "anti-parallèle"; la figure 8 est une vue en coupe verticale partielle du mécanisme de motorisation du demi-arceau; la figure 9 une coupe par IX-IX de figure 8 illustrant un mode de réalisation du dispositif à colncement bi directionnel; la figure 10 est une vue en coupe axiale du vérin de motorisation du support de bras et la figure 11 est une vue analogue à la figure 2 pour une variante de réalisation. Dans les dessins la référence I désigne le corset et 2 la pièce d'épaule du corset sur laquelle est fixée l'embase 3 constituée par le carter de l'ensemble de motorisation assurant le mouvement abduction-adduction lequel sera décrit plus en détail ci-après avec référence à la figure 8. La référence 4 désigne l'axe de sortie sur lequel est calé le demi-arceau 5. 6 désigne l'axe d'articulation sur le demiarceau du support de bras 7, 8 l'articulation à l'extrémité du support de bras de la tige 9 du vérin 10 dont un mode de réalisation sera décrit plus en détail avec référence à la figure 10. Le corps du vérin est solidarisé avec le support d'avant-bras par une patte 11 avec un axe dtarticu lation 12 pour permettre un basculement limité.Le demi-arceau 5 porte également une pièce 13 d'articulation des biellettes 14 et 15 de commande respectivement du mouvement "parallèle" et "anti-parallèle" du support d'avant-bras comme cela sera décrit en détail ci-après. La-bi-ellette-14 parallèle est articulée en 16 sur la pièce 13 et la biellette 15 antiparallèle est articulée en 17 sur la biellette parallèle. La référence 18 désigne d'une manière générale l'articulation du coude qui sera décrite plus en détail ci-après, 19 le support d'avant-bras, 21 l'arceau d'emboitement du bras et de réception d'effort de l'organe d'équilibrage élastique, 22 les arceaux d'emboîtement de liavant-bras et 24 le vérin à ressort constituant l'organe de poussée élastique agissant entre une rotule 25 sur le corset et une rotule 26 sur l'arceau 21 d'emboîtement du bras Comme on le voit d'après les figures 1 et 2, l'axe X de poussée du vérin à ressort 24 passe à l'extérieur par rapport à l'axe 4 lors du développement du mouvement d'abduction et s'écarte de plus en plus de cet axe au cours de l'abduction pour accroître le couple de soulagement du bras; de même l'axe X vient, au cours du mouvement d'antépulsion, en avant de l'axe 6 et s'écarte de plus en plus de cet axe au cours de ce mouvement pour accroître le couple de soulagement du bras. L'articulation du coude sera décrite plus en détail avec référence aux figures 4 et 5. Le support de bras 7 porte à son extrémité un boîtier de crémaillère 27 dans lequel est monté l'axe 28 qui est riveté sur le support d'avantbras 19. Le support de bras est monté à rotation sur cet axe et porte à son extrémité une crémaillère circulaire 29. Deux autres disques 30-31 formant une crémaillère circulaire sont montés à rotation autour de l'axe 28 à l'intérieur du boîtier 27 et ils portent des bras radiaux courts 32-33 sur lesquels sont articulées respectivement en 34 et 35 les extrémités des biellettes "anti-parallèle" 15 et "parallèle" 14. Le support d'avant-bras 19 porte un boîtier d#e cliquets 36, les cliquets pouvant venir engrener avec une encoche des crémaillères 29-30-31. Ces cliquets comportent une barre 37 susceptible de coulisser longitudinalement dans le boîtier 36 en étant poussée par un bouton 38.Chaque barre comporte à son extrémité une dent 39 et, latéralement deux encoches 40 qui coopèrent avec une arête 40' de section en coin d'une barre arrêtoir poussée par un ressort 41 pour, lors de l'avancement d'une dent 39.en position d'engrènément, écarter Xtar- retour dont l'arête 40' retombe dans encoche 40 la plus en arrière et maintient l'engrènement. Un ressort 42 sollicite au retrait chaque barre 37 de sorte que lorsque l'arete 4D' est repoussée dans son logement. lors de la poussée en position d'engagement d'une dent 39, la dent 39 qui se trouvait précédemment en engrènement avec une crémaillère se trouve dégagée juste avant la mise en prise de cette autre dent 39 avec une autre des crémaillères 29 à 31. Si la dent en engrènement coopère avec la crémaillère 29, l'angle entre le support de bras 7 et le support d'avant bras 19 est fixe, le nombre de valeurs possibles pour cet angle étant égal au nombre d'encoches de la cémaillère, Si l'engrènement de la dent est avec une encoche de la crémaillère 31, le mouvement relatif entre le support de bras 7 et le support d'avant-bras 19 est un déplacement dit 'mparal- lèle" illustré à la figure 6 pour un angle de départ donné et trois positions.Au cours du mouvement d'antépulsion l'angle a augmente et selon que les quatre axes 6-16-28-35 sont au sommet d'un parallélogramme vrai ou d'un quadrilatère différent du parallélogramme, on obtient un déplacement parallèle de l'avant-bras 19, une sur-rotation comme illustré, l'antépulsion s'accompagnant d'une extension plus marquée du bras, ou une sous-rotation Si l'écartement des axes 2835 est supérieur à celui des axes 6-16. Si l'engrènement de la dent est avec une encoche de la crémaillère 30, le mouvement relatif entre le support de bras 7 et le support d'avant-bras 19 est un déplacement dit "anti parallèle illustré à la figure 7 pour un angle de départ donné et trois positions. Au cours du mouvement d'antépulsion 11 angle p diminue. Un exemple de réalisation du dispositif de motorisation des mouvements d'abduction et d'adduction est représenté à la figure 8 dans laquelle la référence 3 désigne le carter formant embase qui est fixé sur la partie de l'omoplate du corset, la référence 4 désignant l'axe de rotation du demi-arceau d'épaule 5. La référence 43 désigne le moteur dont l'axe 44 entraîne par l'intermédiaire d'un dispositif de blocage bi-directionnel qui sera décrit ci-après,un pignon conique 45 qui engrène avec une couronne dentée conique 46 dont l'axe 47 est parallèle à l'axe 4. Sur une portée conique 48 de l'axe 47 est monté un pignon 49 présentant une portée conique interne de manière à réaliser un limiteur de couple à friction. Le couple de glissement est réglé par un empilage de rondelles élastiques 50 sollicitant le pignon 49 en engagement sur la portée conique 48. Le pignon 49 engrène avec un secteur denté 51 porté par l'axe 4 et solidarisé par des vis 52 avec le demi-arceau 5. La liaison entre l'axe 44 et le pignon conique 45 est assurée par l'intermédiaire d'un dispositif de blocage bi-directionnel. Ce dispositif comporte un noyau 53 solidaire de l'axe 44 qui se prolonge par une chemise cylindrique coaxiale 54, d'un noyau 55 solidaire de l'axe du pignon conique 45 et d'un manchon cylindrique 56 solidaire du carter. Le noyau 55 présente deux plans sécants au noyau 57. La chemise 54 présente une fenêtre 58 dans laquelle est logé avec un certain jeu un ergot 59 qui fait saillie radialement par rapport au noyau 55. La chemise 54 présente en outre en face des plans sécants 57 des fenêtres 60 dans lesquelles sont logés des galets 61 portés par une épingle élastique 62 qui tend à les bloquer dans le dièdre entre le plan sécant 57 et le manchon 56. Pendant les périodes motrices la chemise 54 est entraînée dans l'une ou l'autre direction par le moteur 43 et elle transmet le mouvement au noyau 55 et au pignon conique 45 par butée sur l'ergot 59.Si on admet une rotation dans le sens F le galet 61a va tendre à venir dans la partie la plus large entre la face méplate 57 et le manchon 56 et le galet 61b du fait de la rotation relative de la chemise 54 par rapport au noyau 55 est poussé dans le sens de la flèche F par le bord de sa fenêtre 60 et il est également dégagé du dièdre. Si par contre le moteur 43 et la chemise 54 sont à l'arrêt et si le noyau 55 est entraîné dans la direction de la flèche F, le galet 61b ne sera pas poussé par le bord de la fenetre 60 qui au contraire aura tourné dans le sens inverse de la flèche F par rapport au noyau 55 et le galet 61b assurera le coincement de la manière connue entre la face méplate 57 et le-manchon 56. Si le noyau 55 est entraîné par le pignon conique 45 dans le sens inverse de la flèche F c'est au contraire le qalet 61a qui assurera le coincement. Le vérin de commande du mouvement d'antépulsion-rétropulsion est représenté à la figure 10, son carter étant désigné par 10, sa tige par 9 laquelle est articulée par une rotule 8' sur le demi-arceau 5. Le vérin est du type à vis entraîné par un moteur électrique 63. Le moteur électrique 63 entraîne un noyau 535 analogue au noyau 53 lequel porte une chemise cylindrique 54' qui coopère avec des galets 612 et un manchon fixe 56i pour réaliser un dispositif de blocage bi-directionnel tel que celui décrit ci-dessus avec référence à la figure 9 pour un noyau central à face méplate sécante 64. Le noyau. 64 est monté coulissant sur un axe longitudinal 65 sous l'action de rondelles élastiques 66 La partie supérieure du noyau 65 forme une tete tronconique 67 qui s'embolie à frot- tement sous la poussée des rondelles 66, dans la cavité tron- conique d'un plateau 68 claveté sur l'arbre 65. La tete 67, le plateau 68 et les rondelles 66 réalisent un dispositif limiteur de couple. L'extrémité de l'arbre 65 est filetée en 69 et elle se visse dans un écrou 70 monté coulissant en étant immobilisé en rotation dans le corps du vérin par le demi-arceau 5. L'écrou 70 est solidaire de la tige 9 du vérin.On réalise ainsi un vérin à très grande démultiplication muni d'un dispositif de blocage bi-directionnel dans toute position dans laquelle le vérin a été amené positivement par le moteur avec un dispositif limiteur de couple. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 11, les memffl éléments sont désignés par les mimes références. L'articulation 18 du coude est constituée par un simple axe et le support d'avant-bras 19 se prolonge au-delà de l'articulatio par un bras de levier court 72 sur lequel est articulée en 73 la tige 74 d'un vérin 71 analogue au vérin 10 décrit en détail ci-dessus. Le corps du vérin 71 est solidarisé avec le support d'avant-bras par une patte 75 avec un axe d'articulation 76 pour permettre un basculement limité. Le vérin 71 commande la variation de l'angle entre le support de bras 7 et le support d'avant-bras 19. La cinématique de l'orthèse du membre supérieur peut être transposée notamment en ce qui concerne l'articulation de l'épaule sous forme d'un bras actif de robot universel notamment pour la réalisation d'une série d'opérations à dispositions tridimensionnelles. Revendications 1. Une orthèse motorisée du membre supérieur, caractérisée en ce qu'elle comporte un demi-arceau (5) monté à rotation directement ou indirectement sur une embase (3) solidarisée avec le harnais (1) ce demi-arceau d'épaule pouvant être entraîné positivement en rotation dans l'un ou l'autre sens selon un débattement angulaire limité par un premier moteur (43) autour d'un premier axe (o) sensiblement arrière-avant et sensiblement horizontal passant par le centre de l'articulation de l'épaule et un support de bras (7) monté à rotation à l'extrémité de ce demi-arceau d'épaule pour pouvoir etre entraîné positivement en rotation dans l'un ou l'autre sens, selon un débattement angulaire limité, par un second moteur (63) autour d'un second axe (6) sensiblement orthogonal au premier et concourant avec le premier axe au centre de l'articulation de l'épaule. 2. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier axe (4) est relié indirectement à l'embase (3) par une pièce intermédiaire articulée sur l'embase par une articulation autorisant sa rotation limitée autour d'un troisième axe sensiblement vertical perpendiculaire au premier et passant également par le centre de l'articulation de l'épaule. 3 Une orthèse motorisée-du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'un organe d'équilibrage élastique agit entre le harnais (1) et le support de bras (7) selon une ligne d'action passant à l'extérieur du premier axe (4) pour aider à l'abduction avec une composante de couple par rapport au deuxième axe (6) pour faciliter l1antépulsion, l'organe d'équilibrage élastique (24) étant bandé par les mouvements d'adduction et de rétropulsion. 4. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque.des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le support d'avant-bras (19) est articulé sur le support de bras (7)- par l'axe d'un coude à trois crémaillères circulaires (29-30-31), le support dtavant bras pouvant être solidarisé sélectivement à l'aide asun cliquet (39) choisi parmi les cliquets correspondant aux trois crémais lères avec leune de la pluralité d'encoches de l'une des trois crémaillères dont une (29) est fixe sur le support de bras (7), les autres (30-31) étant entraînées en rotation, au cours des mouvements d'antépulsion et de rétropulsion, par des transmissions respectivement 'paralLèle'! (14) et "anti-parallèle" (15), la première augmentant l'angle entre le bras et l'avant-bras au cours de l'antépulsion et la seconde réduisant l'angle au cours du meme mouvement. 5. Une orthèse motorisée du membre supérieur se)on la revendication caractérisée en ce que les transmissions parallèle et "antiparallèle" sont réalisées par des biellettes (14-15) agissant entre un point d'articulation (16-17) solidaire du demi-arceau d'épaule (5) et disposé à une certaine distance du deuxième axe (6) et l'extrémité d'une manivelle (32-33) solidaire de la crémaillère (30-31) considérée et orientée, par rapport à l'axe du coude, selon la direction joignant le deuxième axe (6) audit point d'articulation (16) pour la transmission parallèle et dans l'autre direction pour la transmission "anti-parallèle". 6. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le support d'avant-bras (19)est articulé à rotation libre sur l'extrémité du support de bras (7)et soumis à l'action d'un vérin (71)agissant entre le support a'avant-bras et le support de bras. 7. Une-orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisée en ce qu'un dispositif à coincement bi-direction-nel (54 à 61) (Figure 9) est prévu dans la transmission entre chaque moteur (43-63) et chaque pièce (5-8) qu'il entraîne pour immobiliser la pièce en position en l'absence d'un effort moteur. 8. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que la transmission comporte un dispositif limiteur dVeEòrt (48-49-50) (66-67-68). 9. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le demi-arceau d'épaule (5} est entraîné par un couple denté (49-51) monté dans un carter (3) formant l'embase sensiblement dans un plan parallèle à la pièce d'omoplate du corset et lui-même entraîné par un couple conique (45-46) depuis un moteur électrique (Q3) d'axe paralw lèle à la pièce d'omoplate. 10. Une orthèse motorisée du membre supérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le support de bras (7) est entraîné par rapport au demi-arceau d'épaule (5) par un vérin (10) dont le corps est solidaire du support de bras et dont la tige (9) est articulée sur le demi-arceau d'épaule en un point (8) déporté par rapport à l'articulation (6) du support de bras sur le demi-arceau. 11. Une orthèse motorisée d'épaule selon lune quelconque des revendications 6 et 10, caractérisée en ce que le vérin (10-71) est du type à vis (69-70y entraîné par un moteur électrique (63).