Brevet FR2874317A1 — publié le 20060224

L'invention concerne un dispositif pour assujettir une articulation d'un membre du corps humain. Plus particulièrement, le problème que se propose de résoudre l'invention, est d'améliorer le rendement de la course et/ou de la marche à pied, de façon à la rendre moins pénible et de diminuer la consommation d'énergie métabolique. Autrement dit, le dispositif concerne une application avantageuse à un membre inférieur. Des études effectuées sur l'efficacité de la locomotion humaine ont démontré que l'énergie mécanique externe produite lors d'une course à pied ou d'une marche à vitesse constante et sur le plat, est nulle, et que malgré cette absence de production externe d'énergie mécanique, la course ou la marche nécessite la consommation d'énergie métabolique. Cette quantité d'énergie métabolique est généralement proportionnelle à la vitesse lors de la course à pied. L'énergie métabolique de la course à pied résulte du fait, qu'à l'intérieur d'une foulée, deux phases de travail égales et opposées se succèdent, à savoir une phase négative où de l'énergie mécanique est fournie au coureur par le milieu, suivie d'une phase de travail positive où de l'énergie mécanique est fournie par le coureur au milieu. Dans ces conditions, si les muscles et les tendons se comportaient comme un ressort parfait, ils seraient capables de stocker de l'énergie pendant la phase négative et de la restituer totalement pendant la phase positive. Toutefois, la structure contractile du muscle dissipe de l'énergie métabolique même pendant la phase de travail négatif qui sert, au moins en partie, à stocker l'énergie mécanique externe dans les structures élastiques des muscles et des tendons. De plus si les tendons extenseurs des membres inférieurs, en particulier le tendon d'Achille, sont en partie aptes à stocker et à restituer l'énergie sous forme élastique, les muscles extenseurs des membres inférieurs dissipent de l'énergie lors de tous types de contractions, y compris pour des contractions excentriques et des contractions isométriques. On rappelle que, dans le cas de contractions excentriques, les muscles exercent une force en s'allongeant comme lors de la phase de travail négative, tandis que dans le cas de contractions isométriques, les muscles exercent une force sans déplacement comme lors de la transition entre la phase de travail positif et négatif. Pour ces différentes raisons, la course à pied dissipe de l'énergie au niveau musculaire et a donc une dépense métabolique. A partir de cette analyse physique, différentes solutions techniques ont été proposées pour tenter d'améliorer le rendement de la course à pied notamment. Par exemple, on a proposé de monter une composante élastique en série avec le membre inférieur, généralement au niveau des chaussures qui doivent être de conception spéciale, avec des dimensions importantes pour le stockage de l'énergie élastique. Ces chaussures permettent de mieux restituer l'énergie élastique. Cependant, de telles chaussures ne diminuent pas la dépense métabolique de la course à pied, étant donné que les muscles sont sollicités durant le contact au sol, pendant toutes les phases (négatives, isométriques et positives) de contraction musculaire. Il en résulte une dépense métabolique supérieure. Cette solution peut par conséquent permettre d'améliorer les performances dans le cas d'une course de très courte durée (sprint), mais n'est pas adaptée pour des courses de durée moyenne ou longue. Ce type de solution peut aussi être utilisé dans le cas d'amputés au niveau tibial, pour améliorer la locomotion. On connaît d'autres solutions techniques qui consistent à ajouter une force motrice, généralement au moyen de moteurs ou de vérins électriques, au niveau de l'articulation ou des articulations considérée(s). Cette solution permet de diminuer l'effort musculaire et par conséquent la dépense métabolique. Toutefois, l'énergie qui doit être fournie au moteur doit être importante, limitant par conséquent l'autonomie et l'ergonomie du système. Il en résulte également un problème important de stockage de l'énergie électrique. On observe également que si l'on inclut l'énergie fournie au moteur, le rendement de la course n'est pas amélioré, il peut même être globalement diminué. Enfin, on a proposé plus récemment des solutions qui combinent des moteurs et des moyens élastiques. Une telle solution ressort, par exemple, d'une publication accessible à l'adresse http://www.yobotics.com. Cette solution ne permet pas une parfaite autonomie et ne permet pas d'améliorer, d'une manière satisfaisante, le rendement de la course à pied par exemple. Il en est de même en ce qui concerne l'appareil connu sous la marque Spring Walker qui se substitue aux membres inférieurs, ce qui peut aussi poser des problèmes de contrôle de l'équilibre et de la stabilité lors de la locomotion. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients, de manière simple, sûre, efficace et rationnelle. Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'améliorer, d'une manière importante, le rendement et donc la performance de la marche et/ou de la course à pied tout en ayant une autonomie pratiquement illimitée, un bon contrôle de la stabilité et de l'équilibre, et une bonne ergonomie. Pour résoudre un tel problème, il a été conçu un dispositif pour assujettir une ou des articulations d'un membre du corps humain, comprenant au moins un organe élastique apte à être monté d'une manière parallèle à ladite ou auxdites articulation(s). L'organe élastique peut être un ressort ou un vérin. Compte tenu du problème spécifique à résoudre, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas d'un membre inférieur. Dans ce cas, l'organe élastique présente des agencements d'accouplement à chacune des extrémités des articulations constituant le membre inférieur, lesdites extrémités étant constituées par la zone d'articulation du fémur dans la cavité cotyloïdienne de l'os iliaque et l'extrémité du pied, en passant par le genou. Dans une forme de réalisation, les agencements d'accouplement au niveau de l'articulation du fémur sont constitués par un baudrier. Les agencements d'accouplement au niveau de l'extrémité du pied sont constitués par des moyens de connexion avec une chaussure. 2874317 5 Pour résoudre le problème posé d'améliorer l'ergonomie, l'organe élastique est monté en combinaison avec un support articulé au niveau des articulations du fémur, du genou et du pied, ledit organe étant accouplé entre les points d'articulation du support, considérés au niveau des articulations du fémur et du genou. Pour résoudre le problème posé de n'avoir aucune résistance pendant le retour de la jambe, au moins un capteur de contact est monté au niveau du pied en étant apte à agir sur des moyens de débrayage de l'organe élastique de sorte qu'en position de contact du pied, ledit organe élastique est actif, tandis qu'en position de non-contact, ledit organe est inactif Pour résoudre le problème d'adaptation optimale de la composante élastique aux conditions mécaniques de la course, cette élasticité sera ajustable (en fonction de la masse du sujet, de la vitesse de course et de la fréquence de foulée) et plus généralement des paramètres mécaniques de la course. Par exemple, un sujet de 75 kg courant à 5 m/s présente une rigidité des membres inférieurs d'environ 10 kN/m (20 kN/m à 1Om/s). L'ajustement pourra être effectué de manière manuelle ou automatique par tout dispositif mécanique, électrique, électronique ou autre. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue à caractère schématique montrant le principe à la base du dispositif selon l'invention; 2874317 6 - la figure 2 est une vue à caractère schématique montrant une autre forme de réalisation du dispositif, le dispositif étant présenté en position d'extension ou de quasi-extension de la jambe; - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 en position de flexion de la jambe; - les figures 4 et 5 sont des vues en perspective correspondant respectivement aux figures 1 et 3. La description qui va suivre montre l'application du dispositif à un membre inférieur du corps humain, étant rappelé que l'invention peut s'appliquer à d'autres types d'articulation. On rappelle, pour une meilleure compréhension de la suite de la description, qu'un membre inférieur comprend une partie fémorale (F) et une partie tibiale (T), articulées entre elles en (B) au niveau du genou. La partie fémorale (F) est articulée en (A) au niveau cotyloïdien de l'os iliaque, tandis que la partie tibiale est articulée en (C) au niveau du pied (P). Selon une caractéristique à la base de l'invention, le dispositif comprend au moins un organe élastique (1) apte à être monté, de manière parallèle, à l'articulation considérée. Pour l'application au membre inférieur, l'organe élastique (1) présente des agencements d'accouplement sur chacune des extrémités de l'articulation, c'est-à-dire au niveau de l'articulation (A) et à l'extrémité (D) du pied (P). L'organe élastique (1) peut être constitué par un ressort et/ou un vérin. Cette composante élastique génère un coefficient (K) qui est ajustable, par exemple, selon la formule: K = (2nf)2.M 2874317 7 où f, est la fréquence de la foulée, et M la masse du coureur, de façon à ce que le modèle masse ressort ainsi constitué puisse entrer en résonance, c'est-à-dire consommer le moins possible d'énergie. Les agencements d'accouplement de l'organe élastique (1) au niveau de l'articulation (A) peuvent par exemple être constitués par un baudrier (2) . A l'extrémité (D) du pied, les agencements d'accouplement peuvent être constitués par des moyens de connexion à une chaussure. A noter, dans le cas où l'organe élastique est constitué par un vérin, notamment du type hydraulique, qu'une valve peut permettre d'ajuster la valeur de coefficient (K). Si c'est un ressort, l'ajustement peut être réalisé par bras de levier, systèmes manuels ou automatiques d'ajustement mécanique, électrique, électronique..., en fonction des paramètres mécaniques du sujet et de la course. Dans une forme de réalisation illustrée (figures 2, 3 et 5), en vue notamment d'améliorer l'ergonomie, l'organe élastique (1) est monté en combinaison avec un support (3). Ce support est articulé au niveau de l'articulation (A), de l'articulation (B) et du pied (P). L'organe élastique (1) est accouplé entre les points d'articulation du support (3) considéré au niveau de l'articulation du fémur (A) et du genou (B). Dans cette forme de réalisation et d'une manière avantageuse, au moins un capteur (4) de contact est monté au niveau du pied (P) en étant apte à agir sur des moyens de débrayage (non représenté) de l'organe élastique (1). Il en résulte qu'en position de contact du pied (P), l'organe élastique (1) est actif, tandis que dans des positions de non-contact, l'organe élastique (2) est inactif. Ces dispositions suppriment toute résistance de 2874317 8 l'organe élastique dans la phase de retour de la jambe (de la position de flexion à la position d'extension). Différentes solutions peuvent être envisagées pour les moyens de débrayage, parmi lesquelles on peut citer, à titre indicatif: Par un capteur (mécanique ou électronique) de force ou de contact du pied au sol. Le vérin est débrayé quand le pied n'est pas en contact au sol et vice versa; - Par un capteur (mécanique ou électronique) de la position de l'angle entre la cuisse et le tronc. Le vérin est embrayé quand la cuisse dépasse un angle déterminé en avant du tronc et débrayé quand la cuisse dépasse un angle déterminé en arrière du tronc. Le débrayage peut se faire soit en ouvrant et en fermant une valve sur le vérin soit par un système mécanique, électrique ou électronique externe à la valve. Il est préférable de pouvoir débrayer pendant le retour de la jambe quand le pied est en contact avec le sol. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne et on rappelle: l'amélioration du rendement; - l'autonomie; l'ergonomie; - l'équilibre et le contrôle sont assurés par un minimum d'énergie des muscles. Parmi d'autres applications, utilisant le même principe, on peut citer: rotation du tronc par rapport aux membres inférieurs; mouvement des bras. REVENDICATIONS - 1- Dispositif pour assujettir une ou plusieurs articulation(s) d'un membre du corps humain, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe élastique (1) apte à être monté d'une manière parallèle à ladite ou auxdites articulation(s). -2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique (1) est un ressort. - 3- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (1) est un vérin. -4- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique présente des agencements d'accouplement à chacune des extrémités de l'articulation constituées par un membre inférieur, lesdites extrémités étant constituées par la zone d'articulation (A) du fémur dans la cavité cotyloïdienne de l'os iliaque et l'extrémité (D) du pied. - 5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les agencements d'accouplement au niveau de l'articulation (A) du fémur sont constitués par un baudrier (2). -6- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les agencements d'accouplement au niveau de l'extrémité (D) du pied sont constitués par des moyens de connexion avec une chaussure. 2874317 11 -7- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe élastique (1) est monté en combinaison avec un support (3) articulé au niveau des articulations du fémur, du genou et du pied, ledit organe (1) étant accouplé entre les points d'articulation du support (3) considérés au niveau des articulations du fémur et du genou. -8- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins un capteur de contact (4) est monté au niveau du pied en étant apte à agir sur des moyens de débrayage de l'organe élastique (1) de sorte qu'en position de contact du pied, ledit organe élastique (1) est actif, tandis qu'en position de non-contact, ledit organe (1) est inactif.