Brevet FR2581552A1 — publié le 19861114

La présente invention concerne les appareils servant à développer ou a reconstituer la musculature d'un sujet, et vise plus particulierement des moyens permettant l'adaptation des conditions d'utilisation d'un tel appareil en fonction de son application, par exemple à l'entraînement sportif d'un sujet sain, a la rééducation d'un sujet ayant subi des traumatismes ou des lésions et même à la détermination et au repérage de ces lésions. De tels appareils sont largement connus et utilisés, et le plus généralement comportent des moyens mécaniques, hydrauliques ou même électriques agissant comme forces antagonistes à la force de la musculature du sujet. Toutefois ces moyens présentent l'inconvénient de représenter des charges passives qui ne permettent ni de programmer ni de contrôler les efforts sollicités du sujet. Ainsi par exemple, le brevet français 83 18295 décrit un appareil d'entraînement dont il est précisé qu'il assure des résultats "optimisés" pour le sport de compétition, grâce au fait que les contre-poids habituellement utilisés dans les appareils semblables sont remplacés par un moteur électrique à vitesse et/ ou puissance réglable, dont le couple de sortieest opposé aux efforts du sujet. Toutefois, il apparaît qu'une fois un réglage effectué, ledit couple de sortie demeure constant quelles que soient les conditions de l'exercice. Or on sait que les exercices musculaires, quels que soient leur finalité (développement de la force du sujet, développement du volume musculaire, rééducation après traumatisme, o tests et mesures d'effort, repérage de lésions), peuvent être classés suivant trois catégories principales 1. Les exercices en mode dit "isotonique", dans lesquels la force opposée par l'appareil demeure constante pendant l'exer- cice, la vitesse du sujet étant alors libre. C'est le cas général des exercices effectués avec le matériel existant. 2.Les exercices en mode dit "isocinétique", dans lesquels au contraire la vitesse du sujet demeure constante ; dans ce cas c'est la force antagoniste qui devra varier. 3. Les exercices en mode dit "isométrique", dans lesquels les déplacements du sujet sont constants et généralement nuls. En d'autres termes, l'exercice s'effectue dans une position donnée d'une articulation, quels que soient les stimuli de forces provenant de l'appareil. La présente invention vise un appareil du type général considéré et dont les forces antagonistes sont asservies par un moteur électrique programmé conformément à l'une quelconque des lois de mouvement pour fournir à tout moment -le couple souhaité, en grandeur et en direction, étant bien entendu que ce couple est toujours antagoniste à l'effort musculaire du sujet. A cet effet, selon l'invention, le moteur fournissant le couple antagoniste est un moteur à courant continu du type à excitation séparée, alimenté par un générateur de courant du type réversible capable de fonctionner dans tous les quadrants du plan couple/vitesse (charge résistante et entraînante dans les deux sens de marche). Un tel générateur de courant et/ou de tension est bien connu pour la régulation de couple dans de nombreuses industries mais selon l'invention, ce générateur est utilisé de manière différente, de maniere à imposer simultanément au moteur - la valeur de son courant de commande, quel que soit le régime de fonctionnement (moteur ou générateur), et quel que soit le régime de vitesse ; - son sens de rotation, de maniere, comme indiqué plus haut que le couple résultant de ce sens s'oppose toujours à la force déployée par le sujet. Selon l'invention, un montage électronique de base unique permet, sur un appareil de musculation unique, de créer les conditions d'exercices conformes aux trois modes précités : Dans ce montage, conçu-sur le principe bien connu des systemes asservis, la vitesse est affichée à l'entrée du variateur précité et transmise à une première boucle (dite boucle de vitesse), qui convertit l'information en une tension qui, appliquée aux bornes du moteur, le fait tourner à ladite vitesse affichée. Le moteur, recevant une consigne de vitesse, tend à entraîner l'élément de l'appareil servant à exercer la musculature ; le sujet sous exercice oppose sa force propre à cet entraînement ; la consigne vitesse n'étant pas atteinte, la boucle de vitesse se sature et donne la consigne maximum de courant à une seconde boucle (dite boucle de courant) ; toutefois cette consigne ne s'exercera que selon des limites affichées, également selon la loi de mouvement programmée sur l'appareil, la relation courant-force ayant été préalablement définie, par mesure de la fonction de transfert, il devient possible de normer ladite boucle de courant pour tous les régimes de fonctionnement. On a illustré à la figure 1 le principe de cemontage. Sur ce dessin, on a désigné schématiquement par 1 le moteur à courant continu dont l'arbre de sortie transmet le couple souhaité à l'élément de l'appareil utilisé par le sujet. Ce moteur est excité de manière connue par un amplificateur de puissance 2, alimenté par un amplificateur de vitesse 3 et un amplificateur de courant 4. La "boucle de vitesse" précitée est schématisée par 5 et la "boucle de courant" par 6. Par la référence 7, on désigne l'élément du montage qui, selon le mode choisi fonctionne en affichage de vitesse ou en programme de vitesse, et de même, par la référence 8 on désigne l'élément qui, selon le mode choisi fonctionne en affichage de courant ou en programme de courant. La référence 9 désigne le capteur de vitesse du moteur, transmettant ses informations à un amplificateur correcteur de vitesse, désigné par 10. De même la référence 11 désigne le capteur de position transmettant ses informations à un amplificateur 12, un élément d'affichage de position 13 étant interposé entre 11 et 12. Un élément de compensation des pertes mécaniques et électriques 14 est prévu pour participer par 15 au fonctionnement de l'élément 8. Enfin, on peut prévoir de faire participer également au fonctionnement de l'élément 8, un générateur de fonctions spéciales désigné ici par la référence 16. Additionnellement, un microprocesseur 17 peut être prévu pour la programmation et la gestion globale des exercices. Ce montage intervient de manière différente selon le mode de fonctionnement choisi 1. En mode isotonique, l'élément 7 représente l'affichage de la vitesse, laquelle est constamment supérieure à la vitesse maximum du sujet, tandis que l'élément 8, ne recevant d'information que de l'élément 14/15 détermine le programme de courant injecté au point 18 du circuit. Dans ce cas, le sujet effectue un travail à force constante et avec une vitesse et une amplitude qu'il définit lui-même. La loi de courant programmée à l'avance définit alors la loi de force, c'est-à-dire l'effort constant que doit fournir le sujet. 2. En mode isocinétique, c'est l'inverse, c'est-à-dire que l'élément 7 détermine le programme de vitesse injecté au point 19 du circuit, tandis que l'élément 8, qui reçoit alors des informations de l'élément 14/15 ainsi que de l'ampli 10 luimeme informé par le capteur de vitesse 9. Dans ce cas, le sujet effectue un travail 9 vitesse constante, mais toujours en antagonisme à l'appareil : Si le sujet ralentit, à la suite de la fatigue ou d'une sensation douloureuse, la force résistante (ou entraînante selon le cas) est diminuée, et inversement stil accélère, la force résistante (ou entraînante) est augmentée. La loti de vitesse programmée à l'avance définit alors la loi isocinétique (vitesse constante, progressive, dégressive ou quelconque). 3. Enfin, en mode isométrique, l'élément 7 représente comme dans le premier cas un affichage vitesse, tandis que l'élément 8 reçoit cette fois des informations outre encore une fois de l'élément 14/15 mais également de l'ampli 12, lui-même informé par la position 11, l'affichage de position étant assuré par 13. Le programme courant n'est alors actif sur le moteur, via le variateur, en intensité et fréquence que pour une position précise des organes de l'appareil de musculature, préalablement affichée en 13. Des stimuli de fréquence et d'amplitude réglables peuvent être superposes, par exemple par le générateur de fonctions 16. Les possibilités d'application de ces systèmes sont considérables et dépassent largement la notion classique de l'utilisation du contrôle électronique d'un moteur créant un simple couple antagoniste aux efforts d'un sujet. Ainsi, si l'on considère tout d'abord le fonctionnemer en mode isotonique, qui est le plus simple puisqu'il correspond dans son principe aux applications usuelles du matériel existant le système selon l'invention permet toute une possibilité de nouveaux exercices. Comme l'illustrent les figures 2As 2B, 2c et 2D' qui représentent des exercices possibles avec une barre horizontale B coulissant à ses deux extrémités sur les montants M d'un portique (vertical, horizontal ou oblique), et soumise d'une part aux efforts E du sujet et d'autre part aux forces antagonistes A déterminées par le système selon 1 1invention. -Figure 2A : Exercice de 11développé". La réaction de charge A A étant dirigée vers le bas, l'exercice consiste à soulever cette charge (effort EAI) ou à la retenir (effort EA2). - Figure 2B Exercice detraction". La réaction de charge AB étant dirigee vers le haut, l'exercice consiste à la tirer vers le bas (effort EB1) ou à ralentir son mouvement vers le haut (effort EB2). - Figure 2C : Exercice de "développé-traction". La réaction de charge A étant dirigée alternativement vers le c haut (ACl) et vers le bas (AC2) > les efforts consistent alternati ci vement à la tirer vers le bas (ECî) et à la soulever vers le haut (ex2). Ce programme peut représenter un entraînement pour l'aviron, dans tous les plans de l'espace. - Figure 2D : Exercice de "développé-traction inverse La charge AD étant également dirigée alternativement vers le haut (AD1) et vers le bas (AD2), les efforts consistent alternativement à la ralentir vers le haut (ED1) et à la retenir vers le bas (ED2) Cela complete l'exercice précédent. Bien entendu bien d'autres possibilités sont offertes en loi progressive ou dégressive : possibilité d'accentuer ou de supprimer les efforts de décollage d'une charge, possibilité de dissocier les efforts d'aller et de retour, possibilités de créer des stimuli dans une position quelconque d'un mouvement ou de superposer des stimuli à tout effort constant et analogues. Sous cet aspect le plus simple, l'invention représente donc un élargissement considerable du domaine d'application et de l'efficacité des appareils de musculature, dont le court exposé qui précède ne donne qu'un très sommaire aperçu. On notera à cet égard que l'introduction de l'électroni- que permet au surplus de donner aux réglages une précision bien supérieure à celle des appareils à poids classiques. Si l'on considere maintenant le fonctionnement en mode isocinétique, et en rappelant que le sujet doit exécuter chaque mouvement à vitesse constante, le systeme selon l'inven tion doit donc réagir à tout moment pour aider le sujet à maintenir cette vitesse, soit en diminuant la charge de travail en cas de ralentissement dû à la fatigue ou à des sensations douloureuses, soit en l'augmentant, en cas d'accélération résultant d'un apprentissage d'un levier musculosquelettique. Ce mode de fonctionnement présente donc un intérêt tout particulier dans le domaine de la rééducation articulaire et musculaire apres tout traumatisme ou accident. Au surplus, et pour la premiere fois, il représente un moyen de repérage et de mesure des points forts (ou faibles) d'une articulation, grâce à la possibilité d'enregistrement simultané des variations de force et d'amplitude d'un mouvement. Enfin les modalités et les applications du fonctionnement en mode isométrique sont semblables à celles du mode isotonique, dans la mesure où il ne représente en fait qu'une variante du maintien immobile d'une charge antagoniste. Les applications du systeme selon l'invention sont donc extrêmement vastes, depuis le concept scientifique médical de l'exploration fonctionnelle des efforts jusqu'à l'appareil individuel de musculation, en passant bien entendu par tous les appareillages de kinésithérapie et de musculation professionnelle. A titre d'exemples on va maintenant illustrer schématiquement par des courbes Effort = f(temps) différents exercices programmables conformément à l'invention. 1. Exemples d'exercices en mode isotonique. La figure 3A représente trois séries d'un nombre égal, par exemple 10, de répétitions de l'effort à la force constante I, chaque série étant effectuée en un temps T1, et espacée de la suivante pendant un temps de récupération T2. La figure 3B est semblable à la précédente, mais la force constante dans chaque série, est progressive d'une série à l'autre (11, I2, 13). La figure 4A est semblable à la précédente, mais la force varie linéairement de O à I du commencement à la fin d'une série, soit durant la période T1, soit lors de chaque répétition. Les figures 4B et 4C sont encore semblables, mais la force étant progressive ou constante au début de chaque mouvement et dégressive à la fin.(supp-ression de l'effort de décollage en 4B). Enfin les figures 5A à 5E illustrent d'autres formes A E de réaction à l'effort - Figure 5A : suppression de l'effort de décollage du premier mouvement d'une série. - Figure 5B : au cours de chaque période de travail T1, la charge de travail est progressive et/ou dégressive par paliers suivant diverses combinaisons. - Figure 5C : lors de chaque répétition, la charge de travail est progressive et/ou dégressive par paliers suivant différentes combinaisons. - Figure 5D : lors de chaque mouvement, la force est progressive et la charge de travail croit a chaque répétition linéairement (droite d) ou non (courbe C1 ou C2). - Figure 5E :lors de chaque mouvement, la force est constante, puis dégressive, et la charge de travail croît à chaque répétition (intensification de travail excentrique). Enfin les figures 6A et 6B illustrent les possibilités de différenciation des efforts "POUSSÉ" et "RETENU" - Figure 6A : Lors de chaque mouvement, l'effort poussé (concentrique) est supérieur à l'effort "retenu (excentrique). - Figure 6B : lors de chaque mouvement, l'effort "poussé" (concentrique) est inférieur à l'effort "retenu (excentrique). 2. Exemples d'exercices en mode isométrique. L'objectif est de créer des stimuli de force d'amplitude et de fréquence variables dans une position musculaire fixe. - Figure 7 : Force impulsionnelle constante (T1 et T2 pouvant être réglables) - Figure 8 : Force impulsionnelle progressive ou dégressive : L'amplitude des stimuli peut varier suivant une loi linéaire (d) ou quelconque (c1 ou c2). - Figure 9 : A une force constante mettant la musculature sous tension, sont superposées des stimuli constants ou REVENDICATIONS 1. Système d'asservissement des forces antagonistes aux efforts d'un sujet créées par un moteur électrique dans un appa reil de musculature ou analogue, caractérisé en ce que ledit mo teur étant courant continu du type à excitation continue, il est alimenté par un générateur de courant du type réversible, capable de fonctionner à volonté dans l'une quelconque des quad du plan couple/vitesse. 2. Systeme selon la revendication 1, caractérisé en ce q ledit générateur comporte des moyens pour imposer simultanément audit moteur - la valeur de son courant de commande, quel que soit le régime de fonctionnement (moteur ou générateur), et quel que soit le régime de vitesse ; - son sens de rotation, de manier, que le couple résultant de ce sens oppose toujours à la force déployée par sujet. 3. Systeme selon les revendications 1 et 2, caractérisé ce qu'il comporte un montage électronique unique permettant de créer sur ledit appareil de musculature les conditions d'exercices conformes à volonté aux modes isotonique, isocinétique et isométrique, ou à tout autre mode souhaité. 4. Systeme selon la revendication 3, caractérisé en ce qt la vitesse du moteur est affichée à l'entrée dudit générateur et transmise à une première boucle (dite boucle de vitesse), qui convertit l'information en une tension qui, appliquée aux bornes du moteur, le fait tourner à ladite vitesse affichée, le moteur, recevant une consigne de vitesse, tend à entrainer l'élément de l'appareil servant à exercer la musculature ; le sujet sous exer cice oppose sa force propre à cet entraînement ; la consigne vit se n'étant pas atteinte, la boucle de vitesse se sature et donne la consigne maximum de courant à une seconde boucle (dite boucle de courant) ; toutefois cette consigne ne s'exercera que selon des limites affichées, également selon la loi de mouvement pro grammée sur l'appareil. 5. Application du systeme selon les revendications 1 à 4 à la commande asservie d'appareils destinée à la musculature dentraînement ou de rééducation, à la mesure des efforts et au repérage des traumatismes et des lésions.