Brevet FR2645730A1 — publié le 19901019

L'invention a pour objet un appareil de nesures cinétiques autorisant l'étude des mouvements chez l'être humain, en particulier a des fins d'entrainement spor-tif, de rééducation, et de recherches physiologiques et biomécaniques. L'invention se rattache au secteur technique des appareils de mesure à usage médical et plus particulièrement ayant des applications biomécaniques. Il est particulièrement intéressant d'étudier, d'analyser et de décomposer les différents mouvements et gestes d'un individu afin de mesurer les vitesses, accélérations, forces, énergies, puissances déve loppées par ce dernier. Les études sont notamment ef- fectuées en médecine du sport pour l'entrainement des athlètes ou de rééducation Actuellement, les techniques utilisées mettent en oeuvre des moyens coûteux tels que l'analyse ciné matographique ou vidéographique, ou bien certaines techniques stroboscopiques. Les techniques qui permettent la décomposition des mouvements et leur étude sont cependant difficiles à mettre en oeuvre, nécessitent un temps de traitement important et ne sont pas très précises. Elles nécessi- tent en outre un équipement en matériel important et coûteux de sorte que leur utilisation est limitée compte tenu des investissements à engager. Le but recherché selon l'invention était donc de trouver une solution qui remédie à ces inconvé- nients et propose une réalisation simple, peu coOteuse et qui permette des mesures et calculs précis. Ainsi selon une première caractéristique de l'invention, l'étude des mouvements de l'être humain est réalisé par un appareil établi sous forme d'un bras cinétique de mesures, Selon une première caractéristique, 1 'appareil de mesures cinétiques est remarquable en ce qu'il comprend un bras articulé composé de plusieurs barres reliées entre elles par des moyens d'articulation intermédiaires, l'une des extrémités du bras articule étant reliée a un point fixe de référence, l'autre extrémité du bras étant libre et pouvant être accouplée et coopérer avec des- moyens complémentaires associés à une masse en rapport, en fonction de L'étude des mouvements dans l'application biomécanique considérée ; et en ce que des moyens de mesuresont disposés sur chaque articulation et permettent de déterminer et calculer les variations de position angulaire de deux barres consécutives joignant une articulation entre elles en fonction du mouvement considéré, ledit bras pouvant se mouvoir dans les trois dimensions Selon une autre caractéristique, l'appareil de mesure cinétique trouve une première application dans l'étude de mouvenents liés a la pratique de l'haltérophilie ou du soulevé de barres. Selon une autre caractéristique, l'appareil de mesures cinétiques trouve une seconde application dans l'étude des mouvements de bondissements de l'individu. Selon une autre caractéristique, I 'appareil de mesures cinétiques trouve une autre application dans l'étude des mouvements d'un individu en situation de course à pied et de marche sur un tapis roulant. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins ou - La figure 1 est une vue de l'appareil de mesures cinétiques selon l'invention - La figure 2 est une vue à caractère schéma- tique illustrant l'appareil de mesures dans son application a l'étude des mouvements liés a la pratique de l'haltérophilie. - La figure 3 est une vue à caractère schématique illustrant l'appareil de mesure dans son application a l'étude des mouvements lies a la pratique de bondissements - La figure 4 est une vue a caractère schémati- que illustrant l'appareil de mesures cinétiques dans son application à l'étude des mouvements en course pied et/ou sur un tapis roulant Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux f figures des dessins. L'appareil de mesure selon l'invention comprend un bras articulé composé de plusieurs barres reliées ent-re elles par des moyens d'articulation intermédiaires, 1 'une des extrémités A du bras articulés étant reliée a un point fixe de référence P, l'autre extrémité B du bras étant libre et pouvant etre ac couplée et coopérer avec des moyens complémentaires associés à une masse en rapport, en fonction de l'étude des mouvements dans l'application biomécanique considérée Des moyens de mesures sont disposés sur chaque articulation et permettent de déterminer et calculer les variations de position angulaire de deux barres consécutives joignant une articulation entre elles en fonction du mouvement considéré ; le bras pouvant se mouvoir dans les trois dimensions. Plus particulièrement, l'étude et la mesure des mouvements d'un individu s'effectue par un appareil réalisé sous la forme d'un bras articulé (1) composé de 4 barres (2, 3, -4, 5) reliées entre elles par des trois moyens d'articulation (6, 7, 8) Ces bras sont de longueuer préétablie mais variables selon les besoins. Les bras peuvent être de longueurs égales ou différentes les unes des autres. Ils sont réalisés en un matériau tel que alliage léger L'une des extrémités (À > dus bras articulé est reliée de manière rigide a un point ou plan d'appui fixe de référence P. La première barre t1) est ainsi en position fixe et assure en pratique un dégagement des autres parties du bras par rapport au plan d'appui pour permettre l'articulation de celui-ci dans les trois dimensions, Les articulations (6, 7, 81 sont du type à cardans mais non limitativement. Dans la mise en oeuvre illustrée, l'une des extrémités de chaque barre (2.1, 3.1, 4.1, 5,1) présentent une forme en chape (2,2, 3.2, 4.2, s autorisant l'engagement de blocs (9, 10, 11) de forme carrée ou octogonale et leur articulation par des axes (12-13-14).L'orientation des axes de rotation des trois articulatic,'ns est telle que l'extrémité libre (B) du bras peut se mouvoir dans les trois dimensions de l'espace. En variante les articulations peuvent être réalisées a partir de moyens sphériques ou équivallents. Les différents éléments constitutifs du bras sont démontables, Selon une disposition importante, l'extrémité de la quatrième barre, de longueur adaptée, est libre pour venir coopérer et s'accoupler avec des moyens complémentaires en fonction de l'utilisation et l'ap- plication du bras de mesures cinétiques, Selon une disposition importante, des moyens de mesures (15, 16, 17) de I'ang:e formé par deux barres consécutives joignant une ar: iculation sont disposés sur chacune desdites articulations. Les moyens de mesure permettent d'établir avec précision (environ 0,25 0,1 degrés près) l'angle formé par lesdites barres consécutives, La position relative du point. B par rapport au point de référence À peut etre calculée à partir de la connaissance de la valeur des angles formés au niveau des trois articulations et la longueur des différentes barres, ceci par des opéra- tions trigonométriques classiques. Les moyens de mesure peuvent être des codeurs optiques, ou potentiomètres ou moyens équivallents. Les signaux digitaux provenant des codeurs optiques sont interfacés a un ordinateur C18) qui permet le calcul des déplacements, vitesses, et accélérations du mouvement du point (B) dans les trois dimensions de l'espace. Par ailleurs, si l'on connais la masse en mouvement au point B, on peut alors calculer les niveaux d'énergie et les puissances fournies. Le bras de mesures cinétiques trouve une pre misère application dans l'étude des mouvements liés à la pratique de l'hatérophilie, selon figure 2. Dans cette mise en oeuvre, 1 'extrémité de réfé- rence (A) du bras de mesure est fixée sur un piètement (24) posé au sol, tandis que la barre (2) est dans un plan vertical, les barres (3, 4, 5) s'orientant selon les besoins. L'articulation (6) se situe avantageusement dans le même plan horizontal que l'axe longitudi- nal de la barre ou haltère a soulever, L'extrémité (B) mobile du bras de mesure est reliée par la barre (5) à un moyen d'articulation et d'accouplement (19) à l'une des extrémités de le la barre d'haltérophilie CH). Ce moyen (19) doit permettre au bras de mesure d'être relié à la barre d'haltérophilie sans géner les mouvements de celui-ci. La longueur des différentes barres 2, 3, 4, 1; > du bras est déterminé de façon qu'il puisse explorer toute l'étendue des mouvements a étudier, On peut donc calculer les déplacements, les vitesses, et les accé aérations d'élévation ou d'abaissement de la barre dans les trois dimensions de l'espace. La connaissance de la masse de la barre permet de calculer les niveaux d'énergie et de puissances fournies.L'intérêt de cette application est donc de déterminer par la décom- position des mouvements si la technique développée par l'individu est bonne par rapport a des trajectoires optimum, en déterminant également les forces- de tira- ges ou de poussée à chaque phase du mouvement considé- ré, et ainsi améliorer les performances de l'individu. Ainsi tous les mesures prises par les capteurs ou codeurs ou moyens similaires et les calculs et comparaisons en résultant permettent une analyse bioméca- nique de l'haltérophilie et plus généralement de tout mouvement de soulever de barres. le bras de mesures cinétiques selon 1 # invention trouve une autre application selon la figure 3 dans l'étude des mouvements de bondissements ou sauts. Dans cette mise en oeuvre, l'extrémité de ré- férence (A) du bras de mesure est fixée sur un piète- ment (24) fixé au sol ou éventuellement à un autre plan d'appui vertical. La barre (2) est fixe et perpendiculaire au piètement tandis que les barres (3, 4,) sont articulées selon les besoins, L'extrémité mobile (B) du bras de mesure est. reliée par l'inter- médiaire d'un moyen (20 > d'articulation ou d'accou- plement ss une ceinture (21) passée autour de la taille de l'individu, De manière similaire ce moyen supplé- mentaire d'articulation et d'accouplement doit per mettre au bras de mesure d'être relié à la ceinture sans gêner les mouvements de l'individu. Egalement la longueur des différentes barres constituant le bras est calculée pour explorer toute l'étendue des mouvements a étudier. On mesure ainsi les déplacements, les vitesses, les accélérations de la taille de l'individu dans les trois dimensions. Sachant que le centre de gravité de l'individu se situe approximativement au niveau de sa taille, la connaissance de la masse de ce dernier permet de calculer les niveaux d'énergie et les puissances fournies lors d'un ou plusieurs sauts ou bonds. Ainsi toutes les mesures prises par les capteurs ou codeurs ou moyens similaires permettent d'effectuer une analyse biomécanique des sauts ou des bonds. Le bras de mesures cinétiques selon l'invention trouve une autre application selon la figure 4 dans l'étude des mouvements en situation de course a pied et/ou à la marche sur tapis roulant, Dans cette mise en oeuvre, l'extrémité de référence CAT du bras de mesure est relié de manière rigide a un plan d'appui (24 > tel que plafond ou autre, la barre (2) reste fixe tandis que les barres L'extrémité mobile (B) (22) du bras de mesure est reliée par un moyen d'articulation et d'accouplement ( a une ceinture ( passée autour de la taille de l'individu. Comme précédemment le moyen ( supplémentaire doit permettre au bras articulé d'être relié à la ceinture sans gêner les mouvements du sujet, La longueur des différentes barres constituant le bras est déterminée pour permettre a ce dernier d'explorer toute l'étendue des mouvements a étudier, L'individu peut se déplacer par rapport au sol mais dans ce cas, Il apparait nécessaire que le bras puisse lui-même se déplacer sur un rail de guidage, ou utiliser tout transporteur approprié ou de préférence, l'individu se déplace sur un tapis roulant (25 > motorisé tel qu'illustré figure 4, On rappelle succintement que la piste est constituée par un tapis en forme de courroie sans fin entre deux cylindres ou rouleaux de renvoi et entrainée par un moteur électrique dont la vitesse est constante, Ainsi lors d'un mouvement de l'individu, on peut calculer les déplacements, les vitesses et les accélérations de la taille de l'individu dans les trois dimensions Par ailleurs, a titre complémentaire, un moyen du type codeur optique (26) associé à un convertisseur fréquence-tension est monté sur l'axe de l'un des cylindres de renvoi et d'entrainement du tapis.On peut alors calculer la vitesse relative de l'individu par rapport au tapis roulant en additionnant la vitesse frontale obtenue par le bras de mesure a la vitesse du tapis roulant. On peut ainsi en déduire la fréquence, la durée et la longueur des foulées Par ailleurs, sachant que le centre de gravité de 1 ' individu se situe approximativement au niveau de sa taille, la connaissance de la masse de ce dernier permet de calculer les niveau d'énergie, et les puissances fournies lors de la course ou de la marche ou course sur tapis roulant. Ainsi toutes ces mesures précises et les calculs en résultant permettent d'effectuer un analyse biomécanique de la course et de la marche sur tapis roulant par exemple. On a ainsi donné à titre d'exemple trois applications particulières du bras de mesures cinétiques appliquées à la biomécanique, mais d'autres encore sont possibles tout en entrant dans le cadre de I invention. Les avantages ressortent bien de 1 ' invent-ion, On souligne en particulier la simplicité du bras de mesure, son adaptatation aisée dans tous locaux', son montage rapide, son autonomi; } la possibilité de le transporter selon les besoins son faible colt, et sa multiplicité d'utilisations pour différentes applications de mesures des mouvements de l'individu appliqués pour la médecine du sport, la rééducation et de manière plus générale a l'étude et- recherche des mouvements a des fins physiologique et biomécaniques. REVENDICATIONS -1- Appareil de mesure autorisant l'étude des mouvements de l'individu caractérisé en ce qu'il comprend un bras articulé (1) composé de plusieurs barres C2, 3, 4 et 5) reliées entre elles par des moyens d'articulation intermédiaires -2- Appareil de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que le bras articulé C1) comprend 4 barres -3- Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la première barre (2) située a l'extrémité du bras est à position fixe dans un plan perpendiculaire au plan d'appui et de fixation (P) du bras. -4- Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé en ce que les moyens d'articulation des barres (2, 3, 4, 5) entre elles sont a cardans, -5- Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure (OS, 16, 17) sont des codeurs optiques dont les signaux digitaux sont interfaces à un ordinateur assurant le calcul des déplacements, des vitesses et accélérations du mouvement de l'extrémité (b) du bras dans les trois dimensions de l'espace -6- Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par son application dans L'étude des mouvements liés à la pratique de l'haltérophilie ou de barres à soulever et en ce que dans cette application l'extrémité de référence (A) est fixe par rapport à un point d'appui et- la barre (2 > fixée perpendiculaire a ce dernier, les barres (3, 4 et S > étant orientables selon les besoins, l'extrémité (B) mobiles du bras étant par la barre t5) reliées à un moyen d'articulation et d'accouplement (19) a l'une des extrémités de la barre ou l'haltère a soulever, -7- Appareil de mesure selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'articulation (6) du bras de mesure est situé dans un plan horizontal correspondant å l'axe horizontal de la barre ou haltère a soulever -8- Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 5 caractérisé par son application dans l'étude des mouvements de bondissements ou de sauts, et en ce que dans cette application l'extrémité de référence IA) du bras de mesure est fixé sur un piètement d'appui, la barre (2) étant fie et perpendiculaire a ce dernier, les barres 3, 4 et 5 étant articulées, l'extremité mobile (B) du bras étant reliée par l'intermédiaire d'un moyen (20) d1articulation et d'accouplement à une ceinture (21) passée autour de la taille de l'individu. -9- Appareil de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par son application dans l'étude des mouvements et situations de course à pied ou marche, et. en ce que l'extrémité de référence (9) du bras de mesure est fixé a un plan d'appui (24), (2) la barre t étant fixe et perpendiculaire à ce dernier, et les barres CS, 4, 5) articulées, l'extrémité mobile du bras de mesure étant reliée par un moyen d'articulation et d'accouplement (22) à une ceinture ( passée autour de la taille de l'individu. -10- Appareil de mesure selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'extrémité de référence (A) du bras de mesure est déplaçable sur un rail de guidage ou transporteur. -11- Appareil de mesure selon la revendication 8 caractérisé dans l'application de l'étude des mouvements en situation de course à pied ou marche, l'individu étant sur un tapis roulant motorisé, un moyen du type codeur optique (26) associé à un convertisseur fréquence-tension étant monté sur l'axe de l'un des cylindres de renvoi et d'entrainement du tapis.