Brevet FR2849122A1 — publié le 20040625

i La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs utilisés pour réaliser une articulation à mouvements contrôlés entre deux éléments pivotants l'un par rapport à l'autre, selon un axe de rotation A. Dans une application préférée mais non exclusive, l'invention concerne les 5 articulations à mouvements contrôlés utilisées dans les prothèses de jambes pour former un genou artificiel assurant l'articulation entre un élément d'adaptation sur un moignon de cuisse et un élément, dit tibial, présentant, à son extrémité distale, un pied artificiel. L'articulation ou genou artificiel d'une telle prothèse doit alors être à même 10 d'assurer deux fonctions correspondant à différentes phases de la marche pour l'utilisateur de la prothèse. Tout d'abord, l'articulation à mouvement contrôlé doit pouvoir être bloquée dans les phases, dites d'appui de la marche, pendant lesquelles le poids du corps de l'utilisateur porte sur la prothèse Ensuite, l'articulation doit pouvoir être débloquée 15 afin d'autoriser un mouvement pendulaire du segment tibial lors d'une phase de la marche pendant laquelle l'utilisateur de la prothèse areporté son poids sur sa jambe valide. Afin d'assurer cette double fonction, l'articulation à mouvement contrôlé doit comprendre des moyens de blocage et de déblocage, permettant un passage à ces 20 deux modes de fonctionnement de rotation libre et de rotation verrouillée. A cet effet, un brevet français FR 2 261 742 a proposé de mettre en oeuvre une articulation comprenant un pivot et un vérin pneumatique commandé, afin de bloquer ou autoriser les mouvements pendulaires du segment tibial. Une telle articulation donne satisfaction, en ce qui concerne ses fonctions de 25 blocage du mouvement de rotation et de déblocage de ce dernier, mais présente toutefois l'inconvénient de faire intervenir des composants relativement lourds et, notamment, des systèmes de commande du vérin pneumatique relativement complexes et onéreux, de sorte que l'ensemble de la prothèse présente, d'une part, un poids relativement important et, d'autre part, un cot de mise en oeuvre qui peut 30 apparaîitre rédhibitoire En ce qui concerne le poids, il doit en outre être remarqué que son caractère important rend une telle prothèse inutilisable par des sujets âgés. Ainsi, il apparaît le besoin de disposer d'une nouvelle articulation qui, tout en offrant des possibilités de verrouillage et de blocage de son mouvement de rotation, présente une conception simplifiée qui permette de limiter les accessoires et dispositifs nécessaires à son blocage, de sorte qu'il est possible d'en réduire le poids, tant en ce qui concerne l'articulation en elle-même que les moyens de commande nécessaires à assurer son blocage temporaire. Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention concerne une articulation à mouvement contrôlé entre deux éléments pivotant l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation A. Selon l'invention, cette articulation est caractérisée en ce qu'elle comprend, d'une part, un moyen de liaison hélicodale d'axe A reliant les deux éléments et, 10 d'autre part, des moyens de contrôle de la translation relative de direction A des deux éléments. La mise en oeuvre d'une liaison hélicodale présente l'avantage de permettre un blocage de la rotation par le simple blocage de la translation de la liaison Ainsi, en agissant sur la translation et en contrôlant les paramètres, il est possible d'agir sur le 15 déplacement de rotation associée à la liaison hélicodale. Selon l'invention, la liaison hélicodale peut être réalisée par tout moyen approprié, tel que, par exemple, des systèmes de filets dont la forme pourra être choisie selon la nature des efforts exercés sur l'articulation La liaison hélicodale peut, également, être réalisée par un système de rampes hélicodales à billes. De la même manière, les moyens de contrôle de la translation relative, entre les deux éléments reliés par l'articulation, peuvent être réalisés de toute façon appropriée. Selon une forme de réalisation préférée mais non strictement nécessaire de l'invention, les moyens de contrôle de la translation comprennent au moins une 25 chambre à volume variable, interposée entre les deux éléments liés par l'articulation conforme à l'invention. Ainsi, il est possible, en adaptant, par exemple, des éléments élastiquement déformables dans la chambre, de contrôler le mouvement de translation et, notamment, de définir une butée permettant d'arrêter la rotation à une position 30 prédéterminée des éléments pivotants De plus, la mise en oeuvre d'un élément élastiquement déformable, permet de former un amortisseur de fin de course de rotation. Selon une caractéristique de l'invention, la chambre à volume variable est étanche et se trouve remplie d'un fluide susceptible de changer d'état en fonction du volume de la chambre Il est possible d'utiliser, en tant que fluide à changement d'état, de l'azote qui, lorsque le volume de la chambre sera réduit, deviendra liquide 5 et formera alors une butée faisant obstacle à la translation de la liaison hélicodale et donc verrouillant la rotation de cette dernière. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre à volume variable est étanche et se trouve remplie d'un fluide incompressible et raccordée à un réservoir de fluide Les moyens de contrôle de la translation comprennent alors, en outre, des 10 moyens de contrôle du flux de fluide entre la chambre et le réservoir. Le fluide utilisé peut être de toute nature appropriée, telle que, par exemple, de l'huile ou un liquide, comme ceux utilisés pour assurer les commandes de freins sur un véhicule automobile. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de contrôle du flux de 15 fluide comprennent une vanne commandée et des moyens de pilotage de la vanne. Ainsi, il est possible de commander l'ouverture ou, encore, le débit de la vanne en fonction de paramètres extérieurs, tels que, par exemple, la position relative des deux éléments reliés au moyen de l'articulation, encore l'intensité des efforts exercés sur ces deux éléments. Selon une forme de réalisation, préférée mais non strictement nécessaire de l'invention, les moyens de liaison hélicodale comprennent: un corps femelle, solidaire d'un élément, comprenant au moins un alésage cylindrique de révolution d'axe A pourvu d'au moins un filet hélicodal, et un corps mâle solidaire de l'autre élément comprenant au moins un arbre cylindrique de révolution d'axe A et de forme complémentaire de celle de l'alésage et pourvu d'au moins un filet de forme complémentaire à celle du filet de l'alésage, l'arbre étant disposé dans l'alésage du corps femelle, Les moyens de contrôle de la translation comprennent alors au moins un cylindre solidaire d'un corps et un piston d'axe A, solidaire de l'autre corps, le piston et le cylindre formant une chambre de capacité variable, interposée entre les deux corps et remplie d'un fluide. Selon l'invention, le cylindre peut être solidaire du corps femelle et le piston, solidaire du corps male, et inversement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'articulation comprend deux chambres de volumes variables disposées de manière à pouvoir définir des butées dans les deux sens de la translation d'axe A. L'invention concerne, également, une prothèse de jambe ou jambe arfificielle comprenant au moins un élément d'adaptation sur un moignon de cuisse, un élément 10 tibial artificiel et des moyens de liaison articulés entre l'élément d'adaptation et le segment tibial Les moyens de liaison articulés comprennent alors au moins une articulation selon l'invention reliant l'élément d'adaptation et l'élément tibial. Selon une caractéristique de l'invention, la prothèse de jambe comprend des moyens de commande des moyens de contrôle de la translation de l'articulation selon 15 l'invention, en fonction de la position relative de l'élément tibial et de l'élément d'adaptation, ainsi que de l'effort exercé sur la prothèse. L'invention concerne, également, un procédé de contrôle du mouvement de rotation relative selon un axe A de deux éléments Ce procédé comprend alors les étapes suivantes: * lier par une liaison hélicodale d'axe A les deux éléments, * contrôler le mouvement de translation relative selon l'axe A les deux éléments. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description cidessous effectuée en référence aux dessins annexés qui illustrent différentes formes 25 de réalisation d'une articulation à mouvement contrôlé selon l'invention, ainsi que d'une prothèse de jambe ou jambe artificielle également conforme à l'invention. Ainsi, la fig 1 est une élévation, partiellement arrachée, en vue de côté d'une prothèse totale de jambe conforme à l'invention. La fig 2 est une coupe axiale de l'articulation conforme à l'invention mise en 30 oeuvre sur la prothèse de jambe, telle qu'illustrée à la fig 1. Les fig 3 et 4 sont des coupes axiales, analogues à la fig 2, montrant différentes formes de réalisation d'une articulation à mouvement contrôlé selon l'invention. Une articulation à mouvement contrôlé, telle qu'illustrée aux fig 1 et 2 et 5 désignée dans son ensemble par la référence 1, est, dans une application préférée, destinée à assurer l'articulation d'une prothèse de jambe 2, telle qu'illustrée schématiquement à la fig 1 Une telle prothèse de jambe 2 comprend, tout d'abord, un élément d'adaptation 3, destiné à être fixé sur le moignon, non représenté, de la cuisse d'un utilisateur La prothèse 2 comprend, également, un segment tibial 4, relié 10 à l'élément d'adaptation 3 par l'articulation 1 et pourvu, à l'opposé de l'articulation 1, d'un pied artificiel 5 L'élément d'adaptation 3, le segment tibial 4 et le pied artificiel 5 peuvent être réalisés de toute façon appropriée et connue de l'homme du métier De plus, le mode de réalisation de l'élément d'adaptation 3 du segment tibial 4 et du pied artificiel 5 ne rentrent pas dans le cadre de la présente invention qui 15 concerne, plus particulièrement, l'articulation à mouvement contrôlé 1, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les décrire plus amplement. L'articulation 1 est destinée à former un genou artificiel autorisant une rotation relative autour d'un axe A de l'élément d'adaptation 3 et de l'élément tibial 4 De plus, l'articulation contrôlée 1 est conçue pour permettre un blocage de la rotation 20 autour de l'axe A, afin de permettre un appui ou un report du poids de l'utilisateur de la prothèse 2 sur le pied 5. Afin d'autoriser un mouvement de rotation verrouillable ou contrôlable autour de l'axe A, entre l'élément d'adaptation 3 et l'élément tibial 4, l'articulation à mouvement contrôlé 1 comprend, selon une caractéristique essentielle de l'invention, 25 des moyens 10 de liaison hélicodale d'axe de rotation et de translation A qui peuvent être réalisés de toute façon appropriée. Selon l'exemple illustré, les moyens de liaison hélicoi̋dale 10 comprennent un corps femelle 11, solidaire de l'élément mobile 3 et comprenant au moins un alésage 12 qui présente une forme cylindrique de révolution d'axe A L'alésage 12 est alors 30 pourvu d'au moins un filet hélicoi̋dal 13 qui peut présenter toute forme appropriée, telle que triangulaire, trapézodale ou, encore, ronde. Les moyens de liaison hélicoi̋dale 10 comprennent, en outre, un corps mâle 15, solidaire de l'élément mobile 4 Le corps mâle 15 comprend alors un arbre 16 qui présente une forme cylindrique de révolution d'axe A et de forme complémentaire de celle de l'alésage 12 L'arbre 16 est également pourvu d'un filet 17 de forme 5 complémentaire de celle du filet 13 de l'alésage 12 Bien entendu, l'arbre 16 est disposé dans l'alésage 12, de manière que les filets 13 et 17 coopèrent l'un avec l'autre Ainsi, un mouvement de rotation relative, entre les éléments 3 et 4, autour de l'axe A entraîne une translation relative des éléments 3 et 4 et donc des corps mâle 15 et femelle 11, qui en sont solidaires, parallèlement à l'axe A. Afin de contrôler la rotation relative des éléments 3 et 4, l'invention préconise de mettre en oeuvre des moyens de contrôle de la translation relative des éléments 3 et 4 selon la direction A Selon l'exemple illustré à la fig 2, l'articulation 1 comprend, en tant que moyen de contrôle de la translation, une chambre de volume variable 20, définie par un cylindre 21 formé par le fond de l'alésage 12 et un piston 15 22 formé par l'extrémité de l'arbre 7 Ainsi, la chambre 20 se trouve interposée entre les éléments 3 et 4 et son volume varie en fonction de leur mouvement de rotation relative. Selon l'exemple illustré, la chambre 20 est destinée à être remplie d'un fluide incompressible, tel que, par exemple, de l'huile, et se trouve raccordée par un canal 20 25 à un réservoir de fluide 26 pouvant, par exemple, être constitué par une poche en matériau élastiquement déformable Afin de contrôler le flux de fluide entre le réservoir 26 et la chambre 20, le canal 25 est alors pourvu d'une vanne commandée, raccordée par une ligne 28 à des moyens de pilotage 29 De manière préférée, la vanne commandée 27 est une électrovanne à débit variable et les moyens de pilotage 25 29 sont adaptés pour en réguler le fonctionnement Les moyens de pilotage 29 peuvent alors comprendre des systèmes de capteurs, non représentés, de la position relative des éléments 3 et 4, ainsi que des efforts exercés sur ces derniers. Dans le cadre d'une utilisation de l'articulation 1, telle que précédemment décrite pour la prothèse de jambe 2, les moyens de pilotage peuvent alors 30 comprendre des moyens de détection de la position relative de l'élément d'adaptation de cuisse 3 et du segment tibial 4, ainsi que des moyens de détection de la charge appliquée sur le pied 5, de manière à assurer un blocage de la rotation relative de l'élément tibial 4 et de l'élément d'adaptation de cuisse 3 lorsque le poids de l'utilisateur de la prothèse de jambe 2 porte sur cette dernière. Afin d'assurer ce verrouillage, les moyens de pilotage 29 commandent une fermeture de l'électrovanne 27, de sorte qu'aucun flux de fluide n'est possible à 5 partir de la chambre 20, bloquant ainsi la translation selon l'axe A et, par conséquent, la rotation autour de ce dernier au moins dans le sens de la compression du fluide. Il doit alors être noté que, compte tenu des rapports de surface, entre la section de passage du canal 25 et la section du piston 20, il est possible d'exercer une charge de blocage importante sur le piston 20 correspondant à une très faible pression au 10 niveau de la vanne 27, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de mettre en oeuvre une vanne de volume important Par ailleurs, lorsqu'une rotation libre de l'articulation est nécessaire, les moyens de pilotage 29 commandent une ouverture de la vanne 27, de sorte que le fluide peut circuler librement entre le réservoir 26 et la chambre 20, déverrouillant la translation et donc la rotation de l'articulation 1. De plus, il est possible, en commandant une ouverture partielle de la vanne 27, d'assurer un freinage ou un amortissement du mouvement de rotation relative des éléments mobiles 3 et 4. Ainsi, l'invention permet de réaliser une articulation à mouvements contrôlés 1 qui présente une très grande simplicité de fonctionnement et qui, avec un nombre 20 réduit de composants, est à même d'assurer un blocage de la rotation relative des éléments 3 et 4, tout en pouvant supporter des efforts relativement importants. Selon l'exemple illustré à la fig 2, le piston 22 est solidaire de l'arbre 16, tandis que le cylindre 21 est aménagé dans le corps femelle 11 Toutefois, un tel mode de réalisation n'est pas nécessaire. Ainsi, à la fig 3, le piston 22 est solidaire du corps femelle 11 et le cylindre 21 est aménagé dans l'arbre 16 du corps mâle 15 Selon cet exemple, il est alors aménagé un évent 30 au fond de l'alésage 12, tandis que la chambre 20 est remplie d'un fluide à changement d'état, tel que, par exemple, de l'azote sous très forte pression qui, lorsque le volume de la chambre 20 se réduit fortement, devient liquide 30 et forme ainsi une butée faisant obstacle à une réduction du volume de la chambre 20 et donc à la rotation correspondante. Selon l'exemple illustré à la fig 4, il est prévu, en plus de la chambre de capacité variable 20, une seconde chambre 35 qui est aménagée de manière que son volume augmente lorsque celui de la chambre 20 diminue et inversement A cet effet, la chambre 20 est définie par un cylindre solidaire du corps femelle 12 et un piston solidaire du corps mâle 15, tandis que la seconde chambre 35 est formée par un cylindre solidaire du corps mâle 15 et un piston solidaire du corps femelle 11. De plus, les sections droites transversales des deux chambres 20 et 35 sont choisies pour avoir la même valeur, de sorte que leurs volumes varient en opposition. Ainsi, une réduction du volume de l'une correspond à l'augmentation de volume de l'autre d'une valeur égale Par ailleurs, les deux chambres 20 et 35 sont raccordées par un canal 37 commandé par une vanne 27 actionnée par les moyens de 10 pilotage 29. Ainsi, une fermeture de la vanne 27 permet d'empêcher tout mouvement de translation relative entre les éléments 3 et 4 et interdit donc une quelconque rotation de ces derniers autour de l'axe A. Diverses autres modifications de l'invention peuvent y être apportées sans 15 sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Articulation à mouvements contrôlés entre deux éléments ( 3 et 4) pivotant l'un par rapport à l'autre autour d'un axe A, caractérisée en ce qu'elle comprend, d'une part, des moyens ( 10) de liaison 5 hélicodale d'axe A reliant les deux éléments ( 3 et 4) et, d'autre part, des moyens ( 20) de contrôle de la translation relative de direction A des deux éléments. 2 Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de contrôle de la translation comprennent au moins une chambre à volume variable ( 20) interposée sur les deux éléments ( 3 et 4). 3 Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre à volume variable ( 20) est étanche et se trouve remplie d'un fluide susceptible de changer d'état en fonction du volume de la chambre ( 20). 4 Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre à volume variable ( 20) est étanche, se trouve remplie d'un fluide incompressible et 15 raccordée à un réservoir de fluide ( 26) et en ce que les moyens de contrôle de la translation comprennent, en outre, des moyens ( 27, 29) de contrôle du flux du fluide entre la chambre ( 20) et le réservoir ( 26). Articulation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de contrôle du flux du fluide comprennent une vanne commandée ( 27) et des moyens 20 ( 29) de pilotage de la vanne. 6 Articulation selon la revendication 1, caractérisée: en ce que les moyens de liaison hélicoi̋dale ( 10) comprennent: un corps femelle ( 11) solidaire d'un élément ( 3) comprenant au moins un alésage ( 12) cylindrique de révolution d'axe A pourvu d'au moins 25 un filet hélicodal ( 13), et un corps mâle ( 15) solidaire de l'autre élément ( 4) comprenant au moins un arbre ( 16), cylindrique de révolution, d'axe A et de forme complémentaire de celle de l'alésage ( 12) et pourvu d'au moins un filet ( 17) de forme complémentaire à celle du filet ( 13) de l'alésage 30 ( 12), l'arbre ( 16) étant disposé dans l'alésage ( 12) du corps femelle ( 11), et en ce que les moyens de contrôle de la translation comprennent au moins un cylindre ( 21) solidaire d'un corps ( 11) et un piston ( 22) d'axe A solidaire de l'autre corps ( 15), le piston ( 22) et le cylindre ( 21) formant une chambre ( 20) de capacité variable, interposée entre les deux corps, remplie d'un fluide. 7 Articulation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le cylindre ( 21) est solidaire du corps femelle ( 11) et en ce que le piston ( 22) est solidaire du corps mâle ( 15). 8 Articulation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les 10 moyens de contrôle de la translation comprennent deux chambres à volume variable ( 20, 35) qui sont interposées entre les deux éléments ( 3, 4) et dont les volumes varient en opposition. 9 Prothèse de genou comprenant au moins un élément ( 3) d'adaptation sur un moignon de cuisse, un élément tibial artificiel ( 4) et des moyens de liaison articulée 15 entre l'élément d'adaptation ( 3) et le segment tibial ( 4), caractérisée en ce que les moyens de liaison articulée comprennent une articulation ( 1) selon l'une des revendications 1 à 7, reliant l'élément d'adaptation ( 3) et l'élément tibial ( 4). Prothèse de genou selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de commande ( 29) des moyens de contrôle ( 27) de la 20 translation en fonction de la position relative de l'élément tibial ( 4) et de l'élément d'adaptation ( 3), ainsi que de l'effort exercé sur la prothèse. 11 Procédé de contrôle du mouvement de rotation relative autour d'un axe A de deux éléments mobiles ( 3, 4), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: * lier par une liaison hélicodale d'axe A les deux éléments ( 3, 4), * contrôler le mouvement de translation relative selon l'axe A des deux éléments ( 3, 4).