Brevet FR2604783A1 — publié le 19880408

"Dispositif pour l'analyse du champ de force appui d'un corps sur une surface de support" L'invention a trait à un dispositif pour l'analyse, suivant une surface de support, des forces d'appui d'un corps sur cette surface, comportant une pluralité de capteurs de forces d'appui arrangés en réseau ordonné, chaque capteur formant un signal représentatif de sa déformation élastique dans la direction de la force d'appui qui lui est appliquée, et des moyens de collection de signaux de capteurs. On a fréquemment besoin, notamment en orthopédie, de déterminer la configuration de l'appui d'un corps suivant une surface d'appui, par exemple de l'appui des pieds d'un sujet en station debout, ou de l'appui de la région du bassin en station assise ou semi-allongée. Cette configuration est généralement relevée en disposant une pluralité de capteurs de force, arrangés en réseau ordonné sur une plateforme généralement plane et rigide, et en analysant le signal délivré par chaque capteur, fonction de la force qui lui est appliquée, en relation avec sa position dans le plan de la plateforme. Les Demanderesses ont eu connaissance de divers dispositifs de ce genre ; on peut citer - La plateforme piézophotoélastique du Laboratoire de Biomécanique de Tel Aviv, qui est constituée, sous une membrane souple, d'une nappe de billes rigides reposant sur une plaque transparente présentant un effet photoélastique. Les forces appliquées aux billes par l'appui d'un corps, par l'intermédiaire de la membrane souple, sont déterminées par l'observation des franges dans la plaque photoélastique, d'autant plus serrées que la force appliquée est grande. - L'optopressoscope du Centre de l'Arche qui est constitué, de façon analogue à la plateforme précédente, par une nappe de billes en matériau élastique blanc reposant sur une plaque plane transparente rigide. La charge de chaque bille provoque un élargissement de la surface de contact de la bille et de la plaque plane. Celle-ci est éclairée par sa tranche périphérique, de sorte que le cercle de contact entre bille et plaque apparaît comme une source secondaire de lumière, pour un observateur regardant par-dessous la plaque. En face de chaque bille on a disposé une photorésistance, l'ensemble des photorésistances formant une matrice de lignes et colonnes croisées ; l'analyse du champ de force s'opère par exploration de la matrice, à l'aide de multiplexeurs et générateur d'adresse. - La matrice de peau artificielle du L.A.A.S. de Toulouse, constituée d'une feuille d'élastomère chargé de particules de carbone, en sorte que sa résistivité électrique locale soit influencée par les déformations. Une face de la feuille comporte des plots métallisés en réseau ordonné. L'analyse du champ de forces se fait par la mesure successive de la résistance entre chaque plot et, soit une métallisation générale de l'autre face, soit l'ensemble des plots voisins. Les qualités souhaitables pour de tels dispositifs sont la résolution, la précision et la reproductibilité des mesures, l'indépendance des capteurs, la capacité de répondre uniquement à des forces de direction déterminée, la rapidité des mesures, la possibilité de conformation sur des surfaces d'appui non planes, et, incidemment, le prix de revient. Sous l'aspect de la résolution, les divers dispositifs précédents présentent des distances entre points de mesure de l'ordre du centimètre, ce qui parait un bon compromis entre la résolution proprement dite et lamultiplication des points de mesure. L'aspect dè la précision et de la reproductibilité des mesures est liée à l'indépendance des capteurs et ne peut être examiné sans prendre en considération la capacité d'exploitation rapide des mesures. On précise que l'indépendance des capteurs, ou leur découplage se rapporte à leur capacité de former un signal représentatif de la force qui s'exerce sur le point de mesure normalement à la surface d'appui, sans interférence des forces qui s'exercent sur les points voisins. Par ailleurs la reproductibilité des mesures dépend largement de l'hystérésis des capteurs, liée à la viscoélasticité du matériau à déformation élastique utilisé. La plateforme piézophotoélastique citée en premier parait acceptable du point de vue précision, hystérésis et découplage des capteurs (contact entre les billes et le matériau photoélastique). Mais l'exploitation des mesures est très longue, car la mesure des interfranges doit se faire sur un cliché, et point par point. L'optopressoscope cité en deuxième permet une analyse automatique et, de ce point de vue, permet même des mesures dynamiques, de toutes façons exploitables immédiatement. Le matériau qui constitue les billes présente une hystérésis faible. Par ailleurs, si l'on dispose les billes en arrangement compact tangentes les unes aux autres, pour n' avoir pas à les maintenir individuellement en place, le couplage entre billes est notable, car la dépression selon l'axe polaire est compensée par une expansion équatoriale. La matrice de peau, citée en troisième, autorise des mesures dynamiques dépouillées par ordinateur. Mais les mesures sont d'une précision médiocre, entachées d'une forte hystérésis, et la peau artificielle est sujette au vieillissement. L'élastomère qui constitue la peau accepte, comme les élastomères en général, des déformations importantes, mais à volume pratiquement constant ; une dépression normale à la peau s'accompagne d'une expansion latérale qui va s'atténuant avec la distance sans jamais s'annuler totalement. Le couplage entre les points de mesure est très accentué, et ses effets sont peu contrôlables. Sous l'aspect de la conformation à une surface d'appui non plane, qui peut être soit la surface supérieure d'un volume élastique, tel qu'un coussin, ou une surface rigide conformée, telle une semelle orthopédique par exemple, les dispositifs cités en premier et en deuxième Sont clairement inadaptés. La matrice de peau citée en troisième paraitrait à priori devoir convenir, mais les déformations de la peau pour se conformer sur la surface d'appui se traduisent par des signaux parasites dont la compensation est difficile, en raison de l'hystérésis notamment, ainsi qu'en raison des non-linéarités. Pour pallier les insuffisances des dispositifs antérieurs, l'invention propose un dispositif pour l'analyse, suivant une surface de support, des forces d'appui d'un corps sur cette surface, comportant une pluralité de capteurs de forces d'appui arrangés en réseau ordonné, chaque capteur formant un signal représentatif de la force d'appui dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface d'appui, en réponse à une déformation élastique, et des moyens de collection séquentiels des signaux de capteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un voile souple apte à se conformer sur la surface d'appui, d'où dépassent les capteurs, chaque capteur comportant un organe élastique inséré dans un tube rigide d'axe normal au voile, et traversant cet organe, et déformé avec lui un canal aux extrémités duquel sont disposés une source lumineuse et un composant électriquement photosensible. Grâce à cette disposition, le voile souple assure, non seulement la conformation sur une surface d'appui non plane, mais le maintien de l'arrangement géométrique des capteurs. Les capteurs sont séparés les uns des autres, et l'insertion des organes élastiques dans un tube rigide d'axe normal au voile interdit que la déformation d'un organe se répercute sur les capteurs voisins. En outre les capteurs ne sont sensibles qu'aux forces dirigées suivant l'axe du tube, qui seules provoquent par déformation de l'organe élastique l'écrasement du canal et l'oblitération progressive du trajet optique entre source lumineuse et composant photosensible. En dispositions préférées, non nécessairement liées, le canal est perpendiculaire à l'axe du tube, et situé à mi-hauteur sensiblement de ce tube, le tube rigide présente une symétrie axiale, présente une paire de faces planes parallèles auxquelles le canal est perpendiculaire, et est de section carrée. L'organe élastique fait saillie du tube au moins du côté du voile opposé à la face d'appui, et la saillie est bombée. La perpendicularité du canal par rapport à l'axe du tube et la disposition du canal à mi-hauteur du tube accentuent l'insensibilité du capteur aux efforts latéraux. Par ailleurs la mise en place de la source lumineuse et de l'élément photosensible est rendue plus aisée. L'existence d'une paire de faces planes perpendiculaires au canal concourt aussi à la facilité de montage. De préférence, pour obtenir une répartition dense des capteurs, le réseau ordonné est un réseau régulier, dont les mailles sont toutes égales, et mieux un réseau hexagonal régulier, où la distance entre deux capteurs adjacents est une constante. Par ailleurs, pour faciliter l'analyse, les capteurs sont de préférence arrangés électriquement en matrice de lignes et colonnes1 pour au moins une des pluralités de sources et de composants photosensibles. Les sources seront commodément des diodes électroluminescentes, et les composants photosensibles des photorésistances, celles-ci acceptant de très larges variations d'éclaircissement sans saturation. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente en élévation coupée un capteur pour un dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une coupe suivant le plan II-II de la figure i la figure 3 représente en élévation un capteur correspondant à la figure 1, déforme sous l'action d'une force la figure 4 est une élévation coupée d'une. variante de capteur selon l'invention la figure 5 représente un dispositif selon l'invention, conformé sur une surface d'appui non plane la figure 6 est une vue schématique en plan d'un arrangement de dispositif selon l'invention ; la figure 7 est un schéma électrique d'un capteur de l'invention, à un point de croisement de matrice. Conformément au mode de réalisation choisi et représenté figures 1 et 2, le dispositif comporte une pluralité de capteurs 1, dont un seul est représenté ici, arrangés sur un voile souple 2 en réseau ordonné, dont la figure 4 donne un exemple. Le capteur 1 comprend un organe élastique 10, constitué d'un caoutchouc de composition étudiée pour présenter un minimum d'hystérésis de forme. Cet organe 10 est inséré dans un tube il à section carrée en acier, dont il déborde à son extrémité inférieure pour former un rebord limité à sa partie inférieure par une tranche 10a à fleur de la face inférieure du voile 2 pour reposer sur une surface d'appui 12, et latéralement par une bordure en continuité avec la surface extérieure du tube 11. L'organe élastique 10 déborde également du tube 11 à sa partie supérieure, où il est conformé en calotte bombée 10b, qui recouvre la tranche supérieure du tube 11. On notera que la calotte bombée 10b, et une partie du tube 11 dépassent la face supérieure du voile 2. Sensiblement à mi-hauteur du capteur 1, en négligeant la calotte bombée 10k, est pratiqué un canal tubulaire 15, qui traverse le capteur perpendiculairement à l'axe du tube 11, en coupant cet axe. Le canal 15 traverse la paroi du tube 11 perpendiculairement. A une extrémité du canal 15, on a disposé une diode électroluminescente 13, avec son bulbe émetteur de lumière enfoncé dans le canal 15. Sur la face opposée du tube 11, à l'autre extrémité du canal 15, on a disposé une photorésistance 14. On aura compris que la diode électroluminescente 13 rayonne, à travers le canal 15, sur la face active de la photorésistance 14, lorsqu'elle est connectée à une source de tension à travers ses conducteurs 13a et 13k. Par ailleurs la valeur de résistance de la photorésistance sera déterminée, comme on le verra à propos delta figure 7, à travers les connexions 14q et 14k. Comme on le voit figure 3, la dépression de la calotte bombée 10k sous l'effet d'une force d'appui va provoquer une déformation du canal 15. Comme on le sait, les déformations élastiques d'un élastomère affectent la forme, pratiquement sans modification du volume. Comme l'organe 10 est maintenu latéralement par le tube 11, pratiquement indéformable, et suivant sa face '10a par la surface d'appui 12, la dépression de la calotte bombée 10k se répercute, volume pour volume, en une striction du canal 15, et, en conséquence, en une oblitération partielle du flux lumineux qui, issu de la diode électroluminescente 13, vient frapper la face active de la photorésistance 14. On remarquera qu'une force transverse ou de cisaillement, appliquée au sommet de la calotte bombée 10k, a tendance à déformer cette calotte par glissement dans des plans parallèles à la tranche supérieure du tube 11. Au niveau de cette tranche, la résultante du champ de forces parallèles à l'axe du tube Il sera globalement nulle, et n'aura pas tendance à induire des variations de volume de l'organe 10 en dessous de ce niveau. Les déformations locales à ce niveau seront transmises avec une forte atténuation aux niveaux inférieurs, et seront presque insensibles au niveau du canal 15. Bien entendu, comme aucun des phénomènes mis en jeu, striction du canal 15 en réponse à l'affaissement de la calotte bombée 11k, réduction du flux lumineux traversant le canal 15, et variation de la résistance de la photorésistance avec le flux lumineux reçu, n'est strictement linéaire, il est pratiquement impossible de déterminer analytiquement la sensibilité du capteur, et celle-ci sera déterminée expérimentalement en fonction de différentes forces d'appui. Le capteur 101 représenté figure 4 se distingue essentiellement de celui de la figure 1 par la forme de l'organe élastique 110. Celui-ci présente des extrémités inférieure 1103 et supérieure 110k également en calottes bombées émergeant du tube rigide en acier 111 de part et d'autre de celui-ci. Le voile souple 102 est fixé sur la périphérie extérieure du tube 111, à égale distance des extrémités bombées 110g et 110k de l'organe élastique 110. il est clair que, le capteur 101 étant symétrique par rapport à un plan moyen du voile 102, l'application d'une force verticale au sommet de la calotte bombée, et la réaction d'une surface d'appui, vient provoquer des dépressions comparables des deux calottes bombées 110a et 110k, qui se traduiront par une striction du canal 115. Les organes élastiques 10 et 110 ont été réalisés en vulcanisat de caoutchouc naturel, de composition suivante Caoutchouc naturel 100 parties Oxyde de zinc 5 parties 2 éthyl-hexanoate de zinc 2 parties Soufre 0,4 partie Santocure MOR 0,96 partie TBTD* 0,4 partie Antioxygène (4010 NA) 2 parties Noir de carbone 1 partie * TBTD = Disulfure de tétrabutylthiuranne La vulcanisation a été effectuée à 147 C pendant 30 minutes. Ce vulcanisat était connu pour présenter une hystérésis viscoélastique faible. il présente une dureté Shore de 27,5 et un module de cisaillement voisin de 3,3 daN/cm2 (0,33 MPa). L'organe 10 présente un côté de 10 mm et une hauteur de 7 mm environ, et le canal 15 a un diamètre de 2 mm. L'organe 110 présente des dimensions comparables. Les voiles souples 2 et 102, dans lesquels sont noyées les bases des capteurs 1 et 101, ainsi que les fils de connexion des composants, sont constitués par une silicone RTV (Rhodorsil RTV 501) moulée, la polymérisation étant catalysée par du Nuocure. La souplesse des voiles 2 et 102 est suffisante pour que, comme il est représenté à la figure 5 avec des capteurs 101 à deux calottes bombees symétriques, le dispositif puisse se conformer sur des surfaces d'appui 112 non planes. Les axes des capteurs 101 s'orientent suivant la normale locale à la surface d'appui 112. Comme les tubes 11 ou 111 bloquent la transmission des efforts perpendiculaires à leur axe, et que la souplesse du voile absorbe des déplacements relatifs suivant leur axe de capteurs adjacents, le découplage entre capteurs est excellent. La capacité à se conformer sur des surfaces d'appui non planes est intéressante pour la mise au point de surfaces d'appui à la forme du corps, telles que des semelles orthopédiques ou des sièges anti-escarres. Pour l'étude des champs de forces d'appui, on utilisera des dispositifs où une pluralité de capteurs 1 sont maintenus par un voile 2 en arrangement cordonné. Comme représenté figure 6, les capteurs 1 sont arrangés géométriquement sur le voile 2 en réseau hexagonal régulier, de sorte que la distance entre deux capteurs voisins soit constante. On sait qu'un tel arrangement conduit à une densité superficielle maximale. Mais par ailleurs les capteurs sont électriquement arrangés en matrice de lignes (30-1...30-5...) et de colonnes (40-1..,40-4...). Si dans la représentation de la figure 4, les capteurs sont alignés suivant les lignes, ils sont disposés en lignes sinueuses suivant les colonnes. Chaque ligne et chaque colonne est matérialisée par un conducteur (30-1.. .30-5...) pour les lignes et (40-1...40-4...) pour les colonnes respectivement, ces conducteurs se rassemblant en faisceaux 30 et 40 respectivement, pour la liaison avec des multiplexeurs. La figure 7 représente schématiquement le montage d'un capteur 1 au point de croisement de la ligne 30-m et de la colonne 40-n. La diode électroluminescente 13 est connectée par ses fils d'alimentation 13a et 13b à des conducteurs omnibus 131 et 132, reliés respectivement aux pôles positifs et négatifs d'une source de tension. La photorésistance 14 est reliée, par son fil de connexion 14b, au conducteur de colonne 40-n, branché à l'entrée n d'un multiplexeur 45, dont la sortie est au pôle négatif (masse) de la source de tension. Elle est reliée, par son fil de connexion 14a au conducteur de ligne 30-m branché à l'entrée m d'un multiplexeur, par l'intermédiaire d'une diode 14. La sortie du multiplexeur 35 est reliée, à travers une résistance 50, au pôle positif de la source de tension, et attaque en outre l'entrée analogique d'un convertisseur analogique numérique 51. Lorsque les multiplexeurs 35 et 45 sont attaqués conjointement par une paire de signaux d'adresse m et n respectivement, l'entrée m du multiplexeur se trouve reliée au pôle positif de la source de tension à travers la résistance 50, tandis que l'entrée n du multiplexeur 45 est mise à la masse. Le potentiel de l'entrée m et de la sortie du multiplexeur 35 se trouve fixé par le pont de résistance qui comprend la photorésistance 14 éclairée par la diode électroluminescente 13, et la résistance de charge 50, et est par conséquent une fonction de l'éclairement de la photorésistance 14, et en corollaire du raccourcissement du canal 15.La diode 14c sert, de façon classique, à éviter des retours de signaux sur d'autres capteurs que celui qui possède l'adresse ni, n Le signal numérique qui apparaît sur la sortie 52 du convertisseur analogique/numérique 51 peut être traité par des processus informatiques, pour des linéarisations, des restitutions des champs en fonction de l'emplacement géométrique des capteurs. On ne s'étendra pas sur le processus d'adressage des multiplexeurs, qui peut s'effectuer par séquences uniformes, ou modifiées pour ne s'intéresser qu'à des zones limitées du dispositif, ou simplement réduire la résolution dans des zones marginales. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais en embrasse toutes les variantes d'exécution. Les variantes pourront porter également sur les arrangements géométriques des capteurs. Par ailleurs, si le dispositif de l'invention a été mis au point avec pour objectif principal l'analyse des forces d'appui du corps d'un sujet humain, il est clair que le corps peut être également un objet et non un être vivant. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'analyse, suivant une surface de support (20), des forces d'appui d'un corps sur cette surface, comportant une pluralité de capteurs (1) de forces d'appui arrangés en réseau ordonné, chaque capteur formant un signal représentatif de la force d'appui dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface d'appui (10a), en réponse à une déformation élastique, et des moyens de collection (35-45) séquentiels des signaux de capteurs, caractérisé en ce qu'il comporte un voile souple (2), apte à se conformer sur la surface d'appui, d'où dépassent les capteurs, chaque capteur (1) comportant un organe élastique (10) inséré dans un tube rigide (11) d'axe normal au voile, et, traversant cet organe déformé avec lui, un canal (15) aux extrémités duquel sont disposés une source lumineuse (13) et un composant électriquement photosensible (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (15) est perpendiculaire à l'axe du tube rigide (11). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canal (15) est situé sensiblement à mi-hauteur du capteur (fa). 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube rigide (11) présente une symétrie axiale. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube rigide (11) présente au moins une paire de faces planes parallèles, le canal étant perpendiculaire à ces faces. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube rigide (11) présente une section carrée. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit organe élastique (10) fait saillie du tube rigide au moins par une extrémité (lOb 110k) distante de ladite surface d'appui. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite saillie ( 10k, 110b) de l'organe élastique (10, 110) hors du tube rigide est bombée. 9. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit réseau ordonné de capteurs (1) est un réseau régulier. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le réseau régulier est hexagonal. 11. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'une au moins des pluralités de sources lumineuses et de composant électriquement photosensible est électriquement arrangée en matrice de lignes et colonnes adressable. 12. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la source lumineuse (13) est une diode électroluminescente. 13. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le composant électriquement photosensible est disposé à l'écart du capteur, une fibre optique etant disposée entre ce composant électriquement photosensible et l'extrémité correspondante du canal (15). 14. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit composant électriquement photosensible (14) est une photorésistance. 15. Dispositif selon les revendications 11 et 14 prises conjointement, caractérisé en ce que la photorésistance (14) est connectée entre un conducteur de ligne (30-m) et un conducteur de colonne (40-n) de ladite matrice, en série avec une diode (14g). 16. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de collection des signaux de capteurs comportent des multiplexeurs pilotés par des signaux d'adresses correspondant aux lignes (30) et colonnes (40) de ladite matrice. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de collection de signaux de capteurs comprennent en outre un convertisseur analogique/numérique. 18. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'organe élastique est constitué d'un élastomère présentant sensiblement la composition suivante Caoutchouc naturel 100 parties Oxyde de zinc 5 parties 2 éthyl-hexanoate de zinc 2 parties Soufre 0,4 partie Disulfure de tétrabutylthiuranne 0,4 partie Antioxygène 2 parties Noir de carbone 1 partie