Brevet FR2801490A1 — publié le 20010601

SEMELLES DYNAMOMETRIQUES POUR L'EVALUATION DES ASYMÉTRIES ET DES INSTABILITÉS POSTURALES CHEZ L'HOMME OU L'ANIMAL La présente invention concerne un dispositif ayant pour but de mesurer le placement moyen 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, où une détermination du centre de masses, de forces ou de poussées est recherchée. Cependant, pour simplifier la présentation de l'art antérieur, on citera ' 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 Pierre-Marie GAGEY édite des normes pour la fabrication d'une plate-forme de posturologie. 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 F.P. 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 'et se tient debout. dites forces, selon les normes A.F.P, sont mesurées par des capteurs force disposés de façon très précise pour former les trois sommets d'un triangle équilatéral de 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, fig. 1, avec des poids : Pl = 1 Okg, P2 =20kg et P3 = 40 kg attachés respectivement aux capteurs des sommets A, B, C du triangle équilatéral ainsi 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 avec l= AB -BC =AC=400mmetPT=P,+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 sont rapportées à un repère orthonormé x O y dont l'origine O est situé au barycentre du triangle équilatéral. Mais il est aise par simple calcul de transformation de repère de rapporter le centre des pressions à référentiel attaché au pieds du sujet par exemple à condition toutefois de placer correctement le sujet dans nouveau référentiel. Dans ce mode de calcul, on peut s'aider marques ou de cale-pieds amovibles pour positionner le sujet sur la plate-forme. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, il est opportun de préciser que selon la littérature les excursions du centre de pressions chez un sujet normal, sont de l'ordre de 10 millimètres autour de son placement moyen. Pour une erreur de mesure à moins de 1% - erreur communément tolérée dans ce domaine-, la précision et la résolution du dispositif de mesure dudit centre de pressions devra être inférieure au dixième de millimètre. Les plates-formes utilisées dans ce domaine, présentent les inconvénients suivants - Les capteurs de force (au moins trois) sont mécaniquement liés par les plaques de dessous et de dessus qui n'autorisent qu' un seul degré de liberté sur les six (3 translations et 3 rotations) . Les contraintes, qu'elles soient d'origine thermique ou induites par la charge (flexion des plaques) et qui ne peuvent s'exprimer, induisent des erreurs de geométries ainsi que des frictions liées aux tensions latérales ou de cisaillement . Les dérivent du centre mécanique et électrique sont courantes ce type de matériel et obligent à un re calibrage fréquent. - La connaissance du centre moyen de pressions, dans le référentiel de la plate- forme n'a d'intérêt que si il peut être rapporté à un référentiel lié au sujet. l'Association Française de Posturologie a définit comme origine, le centre du polygone de sustentation déterminé par les appuis externes des deux pieds formant une ouverture de 30 degrés, d'un sujet debout. Une mesure précise du centre de pressions par rapport au centre du polygone de sustentation implique un placement rigoureux du sujet sur la plate-forme. A cet effet, on peut s'aider d'un dessin montrant le placement des pieds ou de cale-pieds amovibles qui servent à positionner le sujet et que l'on retire pour ne pas perturber les conditions de recueil naturelles. Il est évident que dans ces conditions, une précision du dixième de millimètre ne peut être envisagée pour mesure des asymétries posturales. - l'encombrement, le poids et la sensibilité des plates-formes n'autorisent pas leurs déplacements. - La surface réduite de la plate-forme ne permet qu'un écartement ou empattement limité des pieds Une solution problèmes posés ci-dessus est un procédé de mesure du centre des forces rapporté référentiel propre du sujet à partir de la mesure de 4 forces d'appuis attachées à ces pieds. Selon littérature les forces d'appuis de chaque pied d'un sujet debout sont essentiellement localisées autour de deux régions ou foyers anatomiques : le talon et l'avant pied (métatarse). Le recueil de ces deux forces d'appui renseigne ( conditions quasi statiques), sur la répartition avant-arrière du poids du sujet. La répartition du poids entre les deux pieds est simplement donnée par la somme de ces deux forces. Ainsi, selon l'invention, il aisé de déterminer le centre de pressions projeté à l'intérieur du polygone de sustentation des appuis si on connaît la disposition et les forces exercées par les quatre foyers. Selon ce mode de détermination du centre des pressions exercés par un sujet debout sur ce dispositif, on calcule les coordonnées dudit centre par une formule qui prend en considération l'intensité de chacune des quatre 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 fig. 2, avec des poids : P, = 1 Okg, P2 =20kg P3 = 15 kg, P4 = 25 kg attachés respectivement aux capteurs des sommets A, B, C ,D rectangle ainsi définit. On démontre que les coordonnées X et Y du centre des quatre forces exercées par lesdits poids sont données par les relations si on prend à titre d'exemple AB = 150 mm, AC = 200 mm et PT = PI + P2 + P3 + P4 on trouve: X =10, 7 mm et Y = -14,2 mm. Plusieurs réalisations ont été proposées notamment dans le domaine de la recherche pour résoudre ce problème, mais elles présentent toutes des inconvénients. Ainsi dans une réalisation non commercialisée figure 3, chacune des plaques était supportée par au moins 3 capteurs, la force exercée sur ladite plaque résultait de la somme des forces mesurées par chaque capteur. Ce type de réalisation présente les inconvénients suivants - coût 'levé car il nécessite au moins 12 capteurs par paire de semelles - mécanique délicate pour la réalisation des points de contact avec les capteurs car type de liaison mécanique doit permettre contraintes latérales (flexion et dilatation) de s'exprimer. - hauteur importante des semelles à cause de l'utilisation de capteurs à déformation axiale qui ont un profil haut. - poids (fonction du nombre de capteurs) Dans une autre réalisation destinée à la recherche figure 4, chaque plaque était supportée par un seul capteur de type poutre de flexion, dans ce type de réalisation, l'inconvénient majeure résidait dans le choix du point d'application de la force le fléchissement de la poutre est fonction du moment de la force, donc, pour une force constante, de la distance d du point d'application par rapport au point d'immobilisation de la poutre (mise en étau) figure 5. Pour pallier à cet inconvénient, le support d'une des poutres était réglable en translation avant-arrière afin d'ajuster les points d'application des forces d'appui du talon et du métatarse selon la pointure du sujet. On peut à cet effet pratiquer une rainure (5) dans la plaque inférieure (1) pour permettre au capteur de coulisser. L'objet de l'invention, ne présente aucun des inconvénients ci-dessus. Selon l'invention, le dispositif de mesure du centre des forces est constitué de deux semelles une pour chaque pied - faites d'un matériau de haute raideur : de l'aluminium AU4G par exemple . Chaque semelle est constitué d'une plaque inférieure formant bâti et de deux plaques supérieures juxtaposées sur lesquels reposent respectivement le talon et l'avant pied. Les forces d'appui exercées sur ces plaques sont traduites signal électrique grâce à des capteurs de force disposés entre le bâti et lesdites plaques. Une des particularités selon l'invention est que le capteur utilisé sert aussi de support mécanique aux deux plaques d'appuis. Les capteurs de forces utilisés selon l'invention sont type poutre à moment constant . Le principe de fonctionnement de ce type de poutre est illustré figure 6 . Le type d'évidement (6) pratiqué dans la partie active de la poutre confère à celle-ci des propriétés mécaniques remarquables telles, que pour une même force F appliquée entre A et B, la déformation reste constante et parallèle au plan de fixation. Il est à noter que dans une utilisation normale, la déformation n'excède pas pour la pleine échelle, quelques dixièmes de millimètres. La figure 7 donne un exemple de réalisation d'un peson. La traduction de la force F exercée sur la plaque (2), en signal 'lectrique est assurée par des jauges de contrainte (7) et (8) collés aux endroits les plus amincis de l'évidement (6). Il est à noter que la jauge (7) s'étire alors que la jauge (8) se comprime sous l'effet de la force F. Il sera ainsi aisé de réaliser un demi pont ou un pont de mesure - bien connu des électroniciens-, en collant aux endroits appropriés deux ou quatre jauges. Selon un mode de réalisation non illustrée, d' une semelle de mesure de la force exercée par le pied ainsi que sa répartition entre talon et avant du pied, on pourra soit disposer de deux pesons disposés sous les foyers des forces soit fixer un même bâti les deux poutres. Compte tenue de leur propriétés mécaniques, ces types poutres n'ont pas besoin d'être fixées au centre des plaques d'appui du talon et l'avant pied, ni d'être alignées sorte que pour réduire l'encombrement lesdites poutres pourront être disposées par exemple en quinconce. Afin de faciliter la réalisation mécanique et de réduire le coût de fabrication de ce type de semelles, dispose selon l'invention d'une seule poutre (9) qui assure la fois, la liaison mécanique des deux plaques d'appui sur les bossages (10) de ladite poutre, leur fixation au bâti (1 sur le bossage (11) et la mesure des deux forces exercées deux bords libres, grâce aux jauges (7) et (8). A titre d'exemple non limitatif, les figures 8 (vue en perspective), 9 (vue de face), 10 (vue de dessus) montrent une réalisation d'une poutre symétrique mais pas nécessairement, capable de supporter une force de plus de 100 kilogrammes chaque bord libre ou extrémité (10). Selon une variante de réalisation mécanique de semelles de posture figure 11 (vue de profil) , figure 12 (vue de dessus) - la poutre (9) est fixée au bâti (1), sur le bossage (11) par quatre ' 6 dont les têtes seront noyées, grâce à un lamage pratiqué sur la face inférieure dudit bâti - la plaque (2) recevant le talon, et la plaque (3) recevant l'avant pied sont fixées aux deux autres bossages (10) de la poutre (9) par des vis dont les têtes pourront être noyées grâce aux lamages pratiqués sur la plaque (3). A titre d'exemple non limitatif, le bâti ou support, aura des dimensions de l'ordre de 310 mm de longueur et de 130 mm de largeur. La plaque (2) aura 120 mm de long et 100 mm de large. La plaque (3) aura 200 mm de long et 120 mm de large. La hauteur de l'ensemble sera de l'ordre de 55 mm. L'ensemble des quatre pièces principales constituant la semelle peut être réalisé avec un matériau de haute raideur - de l'AU4G par exemple-. Mais un métal de plus haute raideur permettra de réduire l'épaisseur de l'ensemble. Un avantages du dispositif selon l'invention, par rapport à la plate-forme, est illustré figure 13 - la mesure des forces exercées par le talon (FT) et l'avant pied (FA) est relativement insensible à la position du pied tant que les surfaces d'appui de chaque foyer chevauchent pas les deux plaques-. Cet avantage rend le positionnement des pieds rapide et fiable. Selon une autre variante illustrée figures 14 (vue de profil) et 15 (vue de dessus), on intègre les deux poutres selon l'invention dans un bâti pour former plate-forme à quatre plaques recevant chacune un foyer de force. Une telle plate-forme pourra servir, mais pas uniquement, à mesurer le poids d'un animal et la répartition ce poids selon ses quatre membres. Afin de mesurer et rapporter à une norme les instabilités posturales chez un sujet debout au repos, l'Association Française de Posturologie définit une disposition type des pieds avec une ouverture à 30 degrés. Le dispositif selon l'invention pourra avantageusement servir à cette fin - soit en disposant les semelles (15) selon cet angle soit en incorporant les semelles - figure 16-, dans un cadre ou gabarit (12) , qui les maintient dans cette position standardisée. On pourra dans cette disposition s'aider d'un cale pied amovible (13) et parfaire la stabilité et l'horizontalité de la plate-forme à l'aide de vérins s'aidant d'un niveau à bulle (14) incrusté dans le cadre. algorithme de transformation adapté permet à ce dispositif de simuler les mêmes mesures que celles fournie une plate-forme classique Dans un mode de réalisation d'une interface électronique, la figure 17 illustre ici un exemple non limitatif, constitué d'une platine d'amplification ( pour quatre capteurs à pont de jauges résistifs (16) . Les ponts de jauges (16) sont alimentés par un dispositif d'alimentation (22). L'interface (18) est un dispositif du commerce bien connu, appelé microcontrôleur à circuits intégrés. Ledit microcontrôleur intègre entre autres, les fonctions 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 (19), et le circuit (20 ) sont des circuits d'isolement galvanique selon ce mode de communication et permettent d'isoler électriquement les semelles pour des raisons de sécurité. Le circuit (19), convoie l'information de sortie vers le dispositif (21) de traitement et d'affichage qui peut être un ordinateur tandis que le circuit (20) reçoit, selon ce même mode de communication, l'information en provenance du dispositif 1). 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 #uvre et de gestion des capteurs de force, l'alimentation (22) est une batterie éventuellement rechargeable. Dans ce mode de réalisation il est avantageux de préserver l'énergie, notamment celle qui alimente les ponts de jauges des capteurs. Selon ce mode, l'alimentation desdites 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 (18), 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 (18) et le dispositif (21) se fait par voie hertzienne ou par voie optique. Selon ces modes, le dispositif (19) est un émetteur radio ou un émetteur infrarouge et le dispositif (20) est un récepteur radio ou un récepteur infrarouge. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la position et du déplacement du centre gravité d'une personne constitué de deux semelles sur lesquelles se tient debout la personne, caractérisé en ce que chaque semelle est constituée d'une plaque inférieure bâti (1) sur lequel est fixée une poutre (9) servant à la fois de support à deux plaques d'appui (2) et (3) - recevant respectivement le talon et l'avant pied-, et de dispositif de recueil des forces exercées sur lesdites plaques 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la poutre est à déformation parallèle sur son ou ses deux bords libres et à moment constant permettant une flexion pour une force donnée, indépendante de son point d'application sur les surfaces d'appui (2) ou (3). 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la semelle soit constituée d'un bâti (1) sur lequel est fixé deux poutres à un seul bord libre moment constant, supportant chacune une plaque d'appui. 4 Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce le bâti supporte deux ou quatre poutres pour réaliser une plate-forme à quatre plans d'appui destinée mesures chez l'homme ou chez l'animal. 5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé ce que les deux semelles (15) sont disposées de façon amovible, sur un cadre ou gabarit (12) afin de placer les pieds du sujet selon une position standardisée pour simuler une plate-forme. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un cale pied (13) amovible de placement des pieds du sujet en position standardisée.