Brevet FR2792182A1 — publié le 20001020

PLATE-FORME DE MESURE DE LA POSITION DU CENTRE DE GRAVITE CHEZ UN SUJET DEBOUT La présente invention concerne un dispositif ayant pour but de mesurer la position et les excursions du centre de gravité d'un sujet debout sur ledit dispositif. Le secteur technique de l'invention est le domaine, mais pas uniquement, de la réalisation de matériel d'évaluation et de rééducation des sujets atteints de troubles de la posture. Le procédé et dispositif de la présente invention est utilisable dans toute application, o une détermination du centre de masses, de forces ou de poussées dans un plan est recherchée. Cependant, pour simplifier la présentation de l'art antérieur, on citera ci-après essentiellement les références aux applications de posturologie ou de stabilometrie. En 1985, l'Association Française de Posturologie (A.F.P) fondée par le docteur P.M. GAGEY édite des normes pour la fabrication d'une plate-forme de posturologie. Pour l'étude plus approfondie de ces normes on pourra se référer utilement à la publication assez complète sur le sujet, dans les huit leçons de posturologie éditées par l'A.F.P. La plate-forme de posturologie décrite par l'A.F.P fait l'objet de recommandations qui portent essentiellement sur la dimension du plateau supérieur, sur le nombre et la disposition des capteurs, les autres choix sont laissées à l'appréciation des fabricants. Ces choix concernent par exemple: les capteurs de force, la hauteur de la plate-forme, le type de liaison, les cale-pieds, la couleur, l'électronique etc. Le principe de détermination du centre des forces de la plate-forme aux normes A.F.P, repose sur la mesure de trois forces de réaction du support sur lequel le sujet se tient debout. Les dites forces, selon les normes A.F.P, sont mesurées par des capteurs de force disposés de façon très précise pour former les trois sommets d'un triangle équilatéral de 400 mm de coté. Selon ce mode de détermination du centre des pressions exercés par un sujet debout sur ce type de plate-forme, on calcule les coordonnées dudit centre par une formule qui prend en considération l'intensité de chacune des trois forces ainsi que le lieu géométrique de leur point d'application. Afin de faciliter la compréhension de ce mode de calcul, une illustration est donné planche 1, avec des poids: Pl = 10kg, P2 =20kg et P3 = 40 kg attachés respectivement aux capteurs des sommets A, B, C du triangle équilatéral ainsi -2 - définit: la taille des flèches qui symbolisent les appuis sont en rapport avec les poids correspondants. On démontre que les coordonnées X et Y du centre des trois forces exercées par lesdits poids sont données par les relations: X - I(P3 - P2) r Y-=/3(2P1 - (P2 + P3)) 2PT 6PT avec 1 =AB=BC = AC = 400mmetPT = Pl +P2 + P3 si l'on remplace dans les relations ci-dessus, les variables par les valeurs numériques données en exemple, on trouve: X = +57,14 mm et Y = -66 mm Les coordonnées de ce centre des forces est rapporté à un repère orthonormé x O y dont l'origine O est situé au barycentre du triangle équilatéral. Mais il est aisé par simple calcul de transformation de repère de rapporter le centre des pressions à un référentiel attaché au pieds du sujet par exemple à condition toutefois de placer correctement le sujet dans ce nouveau référentiel. Dans ce mode de calcul, on dispose de cale-pieds amovibles sur la plate-forme sur lesquels le sujet vient se positionner. Pour donner une idée précise de la pertinence de l'invention, il est opportun de préciser 1 5 l'état de la technique antérieure faisant ressortir les problèmes techniques posés. Selon une première fabrication prototype non commercialisée, les transducteurs de force étaient des cellules de compression. Chaque cellule (figure 1) est composée de trois poutres transversales formant un "( Z ": les faces externes de la poutre inférieure et de la poutre supérieure sont les deux plans d'application des forces de compression qui soumettent la poutre centrale (2) à un couple de torsion. La flexion de la dite poutre, sous l'effet dudit couple, est traduite électriquement grâce à un jeu de jauges de déformation résistives (3) collées sur la partie flexible de la dite poutre. La déformation d'un tel capteur sous l'action des forces de compressions est perpendiculaire aux plans de compression (4) et (5). Pour pouvoir déterminer de façon précise les coordonnées X et Y de la résultante des forces exercées sur la plate-forme, les surfaces d'appui des trois cellules rigoureusement disposées au sommet du triangle équilatéral devront être aussi ponctuelles que possible. Dans une première réalisation prototype, la base des cellules était fixée sur le fond de la plate-forme (4) alors que la partie supérieure était surmontée d'une pointe en acier dur (6). La plaque de dessus (5) de la plate forme reposait sur les pointes des trois capteurs par l'intermédiaire de crapaudines en acier dur représentées sur le dessin figure 1 par une cuvette. La plaque de dessus n'est libre que dans la direction perpendiculaire au plan des plaques (un degré de liberté) ce qui correspond à cinq liaisons sur les six pour réaliser une immobilisation - 3 - complète des deux plaques. Les plates-formes construites selon ce principe, présentaient quelques inconvénients: - hauteur trop importante (supérieure à 10 Cm) de la plate-forme rendant son utilisation périlleuse en cas de chute chez des sujets instables - du fait de ses cinq liaisons mécaniques, les déformations qu'elles soient d'origine thermiques ou qu'elles soient induites par la charge, ne peuvent s'exprimer, il en résulte des tensions latérales de cisaillement au niveau des contacts pointe-crapaudine qui faussent la mesure - prix de revient et rapport qualité prix trop élevés erreur de Kode ainsi qu'elle est définit ci-après: Un sujet debout est assimilable à un pendule inversé, en rotation autour de l'axe de la cheville. Il existe une erreur dans la mesure du moment mécanique exercé par le sujet debout sur la plate-forme. Cette erreur selon les calculs de Kode (Kode L., 1978) est proportionnelle au produit de la résultante des forces latérales et de la distance entre le plan horizontal contenant les axes des chevilles et le plan horizontal défini par le plan de portée des capteurs. Nous appellerons pour simplifier, cette erreur: " erreur de Kode ">. Cette erreur est nulle si les capteurs sont sur le même plan horizontal qui contient l'axe des chevilles. Dans une réalisation différente qui a donné lieu à une commercialisation à partir de 1992, par la société Dynatronic, les transducteurs utilisés (figure 2) étaient à poutre de flexion simple et à moment constant, identiques à ceux utilisés pour la réalisation de balances électroniques. La base des poutres était mécaniquement fixée sur le fond (4) tandis que les extrémités en principe mobiles étaient fixées sur la plaque de dessus (5) toujours au points d'exercices. Le tout formant les trois sommets du triangle équilatéral tel qu'il est montré figure 4. Une telle réalisation rendait solidaire les deux plaques dans les six degrés de liberté possibles. La figure 3 montre une vue de coté qui rend compte de l'immobilisation relative des deux plaques. Ces plates-formes à poutre simple étaient moins épaisses et moins chers mais présentaient les inconvénients suivants: - moins fiables et moins précises à cause des liaisons qui ne permettaient pas de réaliser pleinement une déformation dans la direction de la force - à l'erreur de mesure qui augmentait avec la charge s'ajoutait les inévitables dérives dues à la dilatation qui ne peut s'exprimer. -4 - - erreur de géométrie par indétermination du point d'application des forces exact à cause de l'importance de la surface de contact qui ne peut pas être considérée comme ponctuelle. Dans une réalisation différente (planche 3), qui utilise aussi des capteurs à poutre de flexion simple, des solutions ont été apportées pour libérer la plaque de dessus (5) des contraintes axiales et latérales par l'adoption du Principe de Lord Kelvin " Trou -Trait- Plan (T.T.P) " aux trois liaisons avec la plaque de dessus (5). Dans ce type de montage, les extrémités mobiles des capteurs sont surmontées d'un contact mécanique en forme de pointe à bout arrondie ou d'une bille en acier incrustée, non représentée ici, alors que la face interne de la plaque de dessus (5), présente trois portées, rapportées, en acier dur selon une même disposition que les capteurs. Une des portées rapportée est un trou (7), pour loger un des contacts, une autre portée est un sillon (8), le long duquel le contact peut se mouvoir: la figure 6 montre une coupe selon N-N de ce sillon. La troisième portée est un plan (9), sur lequel le contact peut se mouvoir dans toutes les directions. La plaque de dessus (5) est immobilisée en translation et en rotation latérale par rapport à la plaque de dessous (4). Cette conception de l'iso statisme est illustrée par les coupes N- N (fig. 6) et M-M (fig.7). Ces plates-formes commercialisées par la société QFP à Mougins et la société SATEL à Toulouse sont sensibles et précises aux faibles charges mais présentent quelques inconvénients: plate-forme plus épaisse (plus de 8 Cm) à cause de l'ajout de pointes et de surfaces rapportées pour réaliser le " T.T.P ". Les risques de chute sont plus conséquentes. - modification géométrique du lieu des appuis avec la charge à cause de la flexion des poutres, ce qui se traduit par une erreur de géométrie - les forces latérales de friction induisent des points durs ce qui se traduit par des seuils et des hystérésis surtout pour d'importantes charges - réalisation et fabrication plus complexe prix et rapport qualité prix élevés - erreur de Kode non négligeable. Dans d'autres réalisations, les capteurs utilisés sont de type piézoélectrique à base de quartz ou de céramique. Ces capteurs, qui peuvent être miniaturisés présentent l'inconvénient majeur de dériver électriquement et ne conviennent donc pas à la mesure du centre de pressions de pièces statiques ou en mouvement lent. On peut citer pour ce type de fabrication, la plate-forme de la société suisse " Kisler ". -5 - Une solution au problèmes posés ci-dessus est un procédé de mesure du centre des forces à partir d'au moins trois transducteurs de forces d'un type différent de ceux cités ci-dessus et d'une disposition mécanique particulière afin de simplifier la fabrication et de s'affranchir des contraintes mécaniques parasites tout en conférant une bonne précision à la plate-forme. Selon l'invention, le corps de la plate-forme est constitué de deux plaques faites d'un matériau de haute raideur: de l'aluminium AU4G de 10 mm d'épaisseur par exemple, prenant en sandwich suivant une disposition mécanique particulière les capteurs et incorporant toute l'électronique de mise en oeuvre de ces dits capteurs. Le capteur de force utilisé dans cette invention ( planche. 4) présente la caractéristique d'être aussi petit qu'une pièce de monnaie puisque son diamètre d = 16,5 mm, sa hauteur h = 5,4 mm. ledit capteur est en outre à déformation axiale et supporte une charge maximale de 150 kg.. Ledit capteur présente au centre de sa face active un téton cylindrique (10) de longueur I =1 mm et de diamètre t = 1,2 mm, sur lequel doit s'exercer la force à mesurer. Le câble d'excitation et de mesure du capteur a un diamètre f = 1,5 mm. La base ( 11) du dit capteur peut être simplement posée ou collée sur la plaque de fond (4) du bâti fixe. On peut aussi pratiquer sur la plaque de fond (4), un léger chambrage pour y loger la base des capteurs afin de faciliter leur positionnement. La plaque de dessus (5) repose sur les tétons (10) des capteurs par l'intermédiaire de vis " cuvette " (12) sans tête, en acier dur. La profondeur de la cuvette ainsi que son diamètre sont ajustés de telle sorte à recouvrir la tête du téton du capteur sans talonner la base du dit téton. Le trou de la cuvette est légèrement évasé pour permettre une mise en place rapide de la plaque de dessus (5) sur les capteurs. Le fond du trou de cuvette est d'un diamètre légèrement supérieur à celui du téton afin d'éviter un serrage tout en conservant un alignement précis de l'axe du capteur avec l'axe des vis " cuvette ". Outre leur fonction première qui est de recevoir la tête des capteurs, ces vis " cuvette " permettent un ajustage précis de la hauteur de la plaque de dessus (5) par rapport à la plaque de dessous (4). Une hauteur de plate-forme e = 25 mm par exemple, avec des plaques (4) et (5) de 10mm d'épaisseur est facile à obtenir. L'assiette du plateau supérieur (5) peut être aussi aisément réglée à convenance par ces mêmes vis, de même que la répartition du poids dudit plateau sur les capteurs, si besoin. -6 - Ainsi il est possible par ce procédé de concevoir des plates-formes avec plus de trois capteurs dés lors que l'on pourra très précisément ajuster la pression sur tous les points de contact pour mieux répartir les forces et rattraper les défauts de planéité. Dans le type de réalisation qui fait l'objet de l'invention, il est à remarquer que la base des capteurs (planche 5) est laissée assez libre sur son assise (fond de la plate-forme 4) alors que dans tous les cas, les têtes des capteurs restent rigoureusement attachées à leurs logements, dans les vis " cuvette " (12). La précision du lieux d'application des forces de réaction n'est déterminée que par la précision du perçage pour loger les vis " cuvette ". Ainsi un décalage latéral d'une plaque par rapport à l'autre n'a pas d'effet sur la précision de la mesure. Cependant, afin de faciliter le transport de la plate-forme il est préférable de solidariser les deux plaques à l'aide d'une ou plusieurs vis de bridage (13). Ces vis devront néanmoins permettre un léger jeu axial et transversal (14) d'une plaque par rapport à l'autre afin d'éviter toute friction qui entraverait la déformation axiale induite par la charge. Pour ce faire on disposera d'une ou de plusieurs vis de liaison qui prendraient en sandwich les deux plaques sans les serrer grâce à une entretoise de butée ou par l'utilisation de vis épaulées (13). Dans une autre réalisation il a été possible de réduire ce jeu par l'utilisation de ressort (15) comme cela est illustré figure 14. Le dit ressort exerce une force qui vient tirer la plaque de dessous (4) vers la plaque de dessus (5) pour maintenir fermement en sandwich les capteurs ( 11) sans entraver leur déformation. Dans un mode de réalisation, mais pas le seul, qui est du domaine de la stabilomètrie, les plateaux inférieurs (4) et supérieurs (5) seront de dimension suffisante pour inclure les pieds d'un sujet debout en position de repos. Par exemple, des plaques de 500mm de coté seront suffisantes. Dans ladite position, selon la littérature, les pieds forment un angle d'environ 30 degrés avec des talons non-jointifs espacés de 2 centimètres. Dans cette position standardisée, il pourra être utile de disposer de cale-pieds amovibles (18) mais pas nécessairement, afin de rapporter la mesure des placements du centre de pressions dans un référentiel lié au polygone de sustentation qui est définit par le lieux des appuis externes des pieds, ainsi qu'il est souhaité par les recommandations de l'Association Française de Posturologie (Normes AFP-85). Ledit cale-pieds (18) sera avantageusement fixé sur le plateau supérieur à l'aide d'au moins deux piges de centrage qui facilitent sa mise en place et son extraction rapide. A titre d'exemple non limitatif, les trous de - 7centrage pourront se situer sur la base du triangle équilatéral matérialisé par le lieux de contact avec les trois capteurs (11). La stabilité de la plate-forme posée sur le sol pourra être assuré par exemple à l'aide d'au moins trois vérins réglables non représentés ici et qui sont vissés sur le plateau inférieur (4). L'emplacement de ces vérins devra ci possible se situer à l'aplomb des capteurs pour éviter les torsions du plateau inférieur sous l'effet d'une charge. Lesdits vérins serviront aussi à régler l'horizontalité de la plate-forme afin de permettre une mesure non-biaisée du centre de pressions. A ce titre on pourra s'aider avantageusement d'un niveau à bulle (20), qui peut- être par exemple incrusté dans un coin du plateau supérieur (5). Dans une des réalisations selon l'invention, l'électronique (16) de mise en oeuvre des capteurs est placée entre les deux plateaux, proche desdits capteurs de façon à assurer un cheminement non-bruité du signal. L'information, mise en forme par la carte électronique (16) est transmise par l'intermédiaire du connecteur (17) à un mode d'affichage et de traitement non visualisé ici, et qui pourra être par exemple, un ordinateur. Dans un mode de réalisation d'une interface électronique, la figure 18 illustre ici un exemple non limitatif, constitué d'une platine d'amplification (25) pour trois capteurs à pont de jauges résistifs (30). Les ponts de jauges (30) sont alimentés par un dispositif d'alimentation (31). L'interface (26) est un dispositif du commerce bien connu, appelé microcontrôleur à circuits intégrés. Ledit microcontrôleur intègre entre autres, les fonctions de conversions de signaux analogiques en signaux digitaux et les fonctions d'interfaçage de communication du type par exemple communication série bien connu des électroniciens. Dans cette réalisation, le circuit (27), et le circuit (28) sont des circuits d'isolement galvanique selon ce mode de communication et permettent d'isoler électriquement la plate-forme pour des raisons de sécurité. Le circuit (27), convoie l'information de sortie vers le dispositif (29) de traitement et d'affichage qui peut être un ordinateur, tandis que le circuit (28) reçoit, selon ce même mode de communication, l'information en provenance du dispositif (29). Le dispositif d'alimentation en énergie provient soit du secteur au travers d'un transformateur d'isolement, conformément aux normes européennes, soit d'une batterie autonome. Dans un mode de réalisation, mais pas le seul, du dispositif électronique de mise en oeuvre et de gestion des capteurs de force, l'alimentation (31) est une batterie éventuellement rechargeable, embarqué dans la plate-forme. Dans ce mode de réalisation - 8 - il est avantageux de préserver l'énergie, notamment celle qui est fournie pour les ponts de jauges des capteurs. Selon ce mode, l'alimentation desdits jauges est continue ou interrompue, de sorte que l'énergie n'est fournie qu'au moment du recueil du signal de mesure. Selon ce mode, le microcontrôleur (26), génère aussi les impulsions d'énergie en cadence avec le recueil du signal. Dans un mode de réalisation, mais pas le seul, de transmission des données vers le dispositif de traitement et d'affichage, la communication entre le dispositif (26) et le dispositif 29 se fait par voie hertzienne ou par voie optique. Selon ces modes, le dispositif (27) est un émetteur radio ou un émetteur infrarouge et le dispositif (28) est un récepteur radio ou un récepteur infrarouge. Pour des raisons d'esthétique et d'isolement électrique entre la plaque métallique (5) et les pieds du sujet, il convient d'interposer, entre ladite plaque et lesdits pieds, une plaque ou un capot de matière nonconductrice d'électricité ou tout revêtement susceptible de remplir cette fonction d'isolement. Un exemple de réalisation de capot (21) en matière plastique est donnée figure 17. Le dessus dudit capot est dans cette réalisation, sérigraphie et percé (23) pour laisser apparaître le niveau à bulle incrusté sur la plaque (5) et laisser le passage (24) pour les piges de centrage (19) du cale-pieds (18). La sérigraphie, représente dans cette réalisation, un certain positionnement des pieds (22), mais pas uniquement celui-ci. Des graduations sont rapportées pour permettre la lecture de la pointure du sujet. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la position du centre de gravité d'une personne constitué d'une plate-forme sur laquelle se tient debout la personne, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque de fond (4) ou plateau inférieur reposant sur le sol sur lequel est disposé au moins trois capteurs de force (11) piézzo résistifs de type bouton. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il comprend un plateau supérieur (5) qui s'appuie sur les tétons (10) des capteurs (11) par l'intermédiaire de vis cuvette (12) dont le réglage permet de modifier la distance entre le plateau supérieur (5) et le plateau inférieur (4), modifier l'assiette du plateau (5), rattraper des défauts de planéité du plateau (5), parfaire le zéro électrique des capteurs (11) de la plate- forme à vide. Il autorise au moins un degré de liberté, pour permettre une déformation sans entrave des capteurs (Il) sous l'effet d'une charge à mesurer. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs (1 1) sont posés libres sur le plateau inférieur (4). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la base des capteurs (11) est logée avec chambrage sur le plateau inférieur (4). - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la base des capteurs (11) est collée sur le plateau inférieur (4). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une vis ou des vis pour solidariser les deux plaques (4) et (5) dotée d'une butée (13) pour permettre un léger jeu axial et latéral, ces vis étant par exemple des vis épaulées (13) ou des vis normales avec entretoises. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un ressort (15) interposé entre la tête de vis (13) et son logement (14) dans la plaque inférieure permettant à la vis ou les vis (13) d'exercer un serrage contrôlé et limité. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (18) amovible de placement des pieds du sujet en position standardisée sur la plate- forme afin de rapporter les mesures des excursions du centre de pressions dans un référentiel lié aux dits pieds. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif (18) comporte au moins deux piges de centrage (19), permettant au dit dispositif de se fixer sur au moins deux trous de centrage de la plaque (5). /o - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit électronique de mise en oeuvre des capteurs est embarqué dans la plate-forme entre les deux plateaux. 1 l - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (31) constitué d'une alimentation secteur isolée par un transformateur extérieur 12 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (31) constitué d'une batterie autonome. 13 - Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (26) interrompant et commandant le dispositif (31) 14 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte des circuits (27) et (28) d'isolement galvaniques. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un émetteur et un récepteur radio (27) et (28) 16 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé 1 5 en ce qu'il comporte des dispositifs (27) et (28) consistant en un émetteur infrarouge et en un récepteur infrarouge.