Brevet FR2873281A1 — publié le 20060127

La présente invention concerne une chaussure équipée d'un ensemble de dispositifs de mesure, de calcul et d'affichage informatisé. La présente invention concerne également un procédé de calcul, basé sur les caractéristiques temporelles de la foulée, permettant le calcul des informations pertinentes telles que: La vitesse instantanée, la vitesse moyenne, la vitesse maximale É L'accélération instantanée, l'accélération moyenne, l'accélération maximale - La distance totale, la distance cumulée La durée totale d'entraînement, la durée cumulée d'entraînement La cadence en cours, la cadence moyenne, la cadence maximale É La vitesse métabolique instantanée, la vitesse métabolique moyenne, la vitesse métabolique maximale - Les données de la dépense énergétique, nombre total de calories brûlées, total cumulé des calories brûlées sur plusieurs séances. Dans l'état actuel de la technique, il existe des appareils d'entraînement sportif munis de compteurs électroniques permettant l'affichage de telles informations. Cependant, l'innovation majeure de la présente invention consiste à intégrer directement une chaîne de mesure, de calcul et d'affichage dans les parties constitutives de la chaussure. Par consequent, les moyens matériels de prise de mesure, de calcul, de programmation, de mémorisation et d'affichage seront considérés comme connu dans la présente invention. 1. Etude de la foulée La figure 1 illustre la structure du cycle de marche. Un cycle de marche ou de course est définit par deux appuis au sol du même pied (1). En pratique, on le définit par deux contacts du talon successifs du même pied avec le sol. Un demi pas est défmit par le contact du talon d'un pied et celui de l'autre pied (2). La figure 2 illustre la structure temporelle du cycle de marche. Les paramètres temporels caractéristiques d'un cycle de marche sont les suivants: Tcyc: durée du cycle en seconde. La durée du cycle est l'intervalle de temps séparent deux appuis au sol du même pied (3). Plus précisément, c'est l'intervalle de temps séparent deux contacts au sol du même talon. É Tstep: durée du demi pas en seconde. La durée du demi-pas c'est l'intervalle de temps séparent le contact du talon d'un pied et celui de l'autre pied (4). Tt: l'instant auquel le talon touche le sol (5). U Teon: phase d'appui ou la phase de support. C'est la durée pendant laquelle le pied est en contact avec le sol. Elle est exprimée en seconde (6). ^ Tr: l'instant auquel l'orteil quitte le sol (7). 2873281 2 To: phase oscillante ou la phase de balance. C'est la durée pendant laquelle le pied n'est pas en contact avec le sol (8). Elle est exprimée en 5 seconde. É Tdc: phase de double contact. C'est la durée pendant laquelle les deux pieds touchent le sol (9). Elle est exprimée en seconde. L'équation 1 montre la relation entre la durée du cycle (Tcyc), la durée de la phase oscillante (To) et la durée de la phase de support (Tcon) : Tcyc = To + Tcon équation 1 La figure 3 illustre la structure spatiale du cycle de marche. Les 15 paramètres spatiaux caractéristiques d'un cycle de marche sont les suivants: o Deye: Longueur de cycle. C'est la distance séparant deux appuis au sol du même pied, exprimée en mètre. Autrement dit, c'est la distance parcourue lors d'un cycle de marche (10). o Dstep: Longueur de demi-pas. C'est la distance qui sépare le contact du talon d'un pied et celui de l'autre pied (11), exprimée en mètre. É Dw: Largeur de cycle (12), C'est la distance qui sépare l'axe longitudinal d'un pied de l'autre pied pendant la marche. En pratique c'est la distance qui sépare le talon d'un pied du talon de l'autre pied pendant la marche, exprimée en mètre. L'équation 2 montre la relation entre la longueur du cycle (Dcyc) et la longueur du demi-pas (Dstep). Dcyc = 2* Dstep équation 2 2. Modes de fonctionnement Selon un mode de réalisation de la présente invention, deux modes 35 de fonctionnement peuvent être envisagés: 2.1. Mode automatique La figure 4 représente un diagramme fonctionnel illustrant le mode de fonctionnement automatique. En mode automatique le type de la locomotion pédestre est détecté automatiquement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ce mode de fonctionnement concerne les locomotions humaines suivantes: o La marche, par exemple la marche lente ou rapide avec ou sans périodes de repos. 2873281 3 o La course à pied, par exemple la course légère, jogging lent ou rapide, course d'endurance, marathon, avec ou sans périodes de repos. Le rôle de dispositif de captage, placé dans les parties constitutives de l'article chaussant, est de fournir les paramètres temporels de la foulée: [Tcyc et Tcon] (13), ou [To et Tcon. Si le dispositif de captage fournit les valeurs de Tcyc et Tcon alors I'équation 1 permet d'obtenir To. Si le dispositif de captage fournit les valeurs de To et Tcon alors 10 l'équation 1 permet d'obtenir Tcyc. Détection de mouvement (14) La première étape dans le procédé de calcul consiste à détecter l'état global de l'individu (14). On doit pouvoir dire si l'individu est immobile, s'il marche ou s'il courre. La figure 5 illustre le procédé selon lequel l'état global de l'individu est détecté. Selon un mode de réalisation de la présente invention l'individu est considéré en mouvement à partir du moment où la durée de la phase de support et la durée de la phase oscillante sont toutes les deux non nulles (22). Afm de déterminer s'il s'agit d'un cycle de marche (l'individu marche) ou d'un cycle de course (l'individu courre) on utilisera le facteur f) (duty factor), définit par l'équation 3 (23): D = Tcon/Tcyc équation 3 Avec Tcon, la durée du cycle (s) et Tcon la durée de la phase de support (s). Dans la présente invention, un cycle dont le facteur f) est supérieur ou égal à 50% est considéré comme un cycle de marche (24). Un cycle dont le facteur D est Calcul de la vitesse (15) La vitesse pendant un cycle (V) s'obtient en divisant la longueur de cycle (Dcyc) par la durée du cycle (Tcyc). Or, à ce stade du procédé de calcul, on ne connaît pas encore la longueur du cycle. On doit donc choisir une autre méthode. La figure 6 illustre le procédé selon lequel la vitesse peut être calculée. Le procède de calcul de la vitesse (15) est basé sur l'énoncé suivant: la durée de la phase de support (Tcon) est directement proportionnelle à la longueur entre l'axe de flexion de la cuisse et la semelle du pied (L), et elle est inversement proportionnelle la vitesse (V) (26). 2873281 4 On peut donc écrire la relation entre Tcon, V et L de cette manière: B -C Tcon = A* L* V + D équation 4 Avec Tcon, la durée de la phase de support (s), L la longueur entre l'axe de flexion de la cuisse et la semelle du pied (m), V la vitesse de l0 progression (m/s) et A,B,C, D des coefficients empiriques (25). Un point essentiel est la détermination des coefficients empiriques A, B, C et D. Ces coefficients doivent être déterminés suivant un protocole expérimental rigoureux cohérent avec le contexte d'application de la présente invention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, pour la course, les coefficients empiriques A, B, C et D ont respectivement les valeurs approximatives de (0.8), (0.84), (0.87) et (0). Selon un mode de réalisation de la présente invention, pour la marche les coefficients empiriques A, B, C et D ont respectivement les 20 valeurs approximatives de (1.012),( 0.5), (0.5) et ( 0.143). L'une des caractéristiques fondamentales de la locomotion pédestre est la longueur (en mètre) entre l'axe de flexion de la cuisse et la semelle du pied (L) (25). IL est possible de représenter L en fonction de la hauteur totale de l'être humain, par la relation suivante: L= H équation 5 Avec L la longueur moyenne entre l'axe de flexion de la cuisse et la semelle du pied chez l'être humain en mètre, H la hauteur totale de l'être humain en mètre et o' une valeur constante sans dimension. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le coefficient o' a la valeur de 53%. Ayant obtenu la vitesse de progression pendant un cycle suivant le procédé de calcul susmentionné, la vitesse instantanée, la vitesse moyenne et la vitesse maximale se calculent facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. Calcul de l'accélération (16') Ayant obtenu la vitesse de progression pendant un cycle suivant le procédé de calcul susmentionné (15), on peut calculer l'accélération puisque l'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps. L'accélération instantanée, l'accélération moyenne et l'accélération maximale se calculent facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. La cadence (17) La cadence est défunt dans la présente invention comme le nombre de demi-pas (step) par unité de temps. Un cycle (stride) est constitué de deux demi pas. Par conséquent, en comptant le nombre de cycles effectués par unité de temps, et en multipliant ce nombre par deux, on obtient le nombre total de demi-pas. Ayant obtenu la cadence selon le procédé de calcul susmentionné, la 14 cadence en cours, la cadence moyenne et la cadence maximale se calculent facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. Calcul des caractéristiques spatiales du cycle (18) Connaissant la vitesse V de progression pendant un cycle (15) et la durée du cycle (Tcyc) nous pouvons calculer facilement la longueur de cycle (Dcyc) en utilisant l'équation 6. Dcyc = V * Tcyc équation 6 La longueur de demi-pas Dstep est obtenue à partir de l'équation 2: Dstep = Dcyc 12 équation 7 25 Ayant obtenu la longueur de cycle selon le procédé de calcul susmentionné, la distance totale et la distance cumulée se déduisent facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. Le coût énergétique et la vitesse métabolique (19) Dans la présente invention, le coût énergétique représente une quantité d'énergie consommée par unité de distance (J/m). Dans la présente invention, la vitesse métabolique (Émet) représente une quantité d'énergie consommée par unité de temps (J/s). Le coût énergétique normalisé représente en général une quantité d'énergie consommée par unité de distance et par unité de la masse corporelle du sujet (J/m/Kg). Dans la présente invention, afin de faciliter la compréhension des procédés de calcul, le coût énergétique normalisé représente une quantité d'énergie consommée par unité de distance et par unité du poids du sujet (J/m/N). Selon les définitions susmentionnées, la relation suivante exprime le coût énergétique normalisé (J/m/N) en fonction de la vitesse métabolique (Emet, J/s) de la vitesse (V, mis) et du poids de l'individu (Wb, N) Par conséquent, connaissant le coût énergétique normalisé lié à la locomotion, la vitesse et le poids de l'individu, il est possible de calculer la vitesse métabolique Emet. Le coût énergétique normalisé est différent selon le type de la locomotion pédestre (marche ou course). En fait, le coût énergétique normalisé pendant la course est supérieur au coût énergétique normalisé pendant la marche. Dans la présente invention, deux méthodes seront proposées pour le calcul de la vitesse métabolique: Méthode 1: La figure 7 illustre le calcul de la vitesse métabolique 20 suivant la méthode 1. La première méthode consiste à obtenir les coûts énergétiques normalisés pour chaque type de la locomotion pédestre (la course, la marche) (19a) en utilisant un tableau de référence prédéfini stocké dans la mémoire. A ce stade des procédés de calcul, nous connaissons la vitesse V et le poids de l'individu Wb (19b). Selon le type de la locomotion pédestre, la vitesse métabolique s'obtient en multipliant la vitesse par le poids de l'individu et par le coût énergétique normalisé de la locomotion (19c, 19d). Méthode 2: La deuxième méthode consiste à calculer directement la vitesse métabolique. La figure 8 illustre le calcul de la vitesse métabolique d'une course suivant la deuxième méthode. Dans cette méthode, la vitesse métabolique s'obtient à partir de la durée de la phase de support Tcon, le poids de l'individu Wb et deux coefficient empiriques (19e). La vitesse métabolique (Emet), c'est-à-dire la vitesse (énergie par unité de temps) à laquelle l'énergie est dépensée pendant la course est directement proportionnelle au poids corporel (Wb) de l'individu et inversement proportionnelle à la durée de la phase de support (Tcon). Emet Le coût énergétique normalisé = V*Wb 2873281 7 La vitesse métabolique (Emet) peut s'écrire en fonction du poids de l'individu (Wb) et de la durée de la phase de support (Teon), en utilisant l'équation 8 (19g). Emet c Wb / Tconéquation 8 Avec Emet la vitesse métabolique (en Jls ou W), Wb le poids de l'individu (en N), Tcon la durée de la phase de support (en seconde) et c un coefficient du coût énergétique (cost coefficient, en J/N). En pratique, pendant la course, le coefficient du coût énergétique e (colt coefficient) change très peu avec la vitesse. Le coefficient du coût énergétique e (cost coefficient) est proportionnel au poids de l'individu et peut s'écrire approximativement sous la forme de la relation empirique 9 (19f): relation 9 Un point essentiel est la détermination des coefficients empiriques Z et Y. Ces coefficients doivent être déterminés suivant un protocole expérimental rigoureux cohérent avec le contexte d'application de la présente invention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les coefficients empiriques Z et Y (19e) ont respectivement les valeurs approximatives de 0.25 et 0.05 0.07 pour la course. Ayant obtenu la vitesse métabolique selon les procédés de calcul susmentionné, la vitesse métabolique instantanée, la vitesse métabolique moyenne et la vitesse métabolique maximale se calculent facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. il est préférable d'afficher les vitesses métaboliques en Kcallmin. Calcul des dépenses caloriques (20) Ayant obtenu la vitesse métabolique selon les procédés de calcul susmentionnés (19) et connaissant la durée totale de l'activité physique nous pouvons calculer les dépenses caloriques liées à l'activité physique (Dépense calorique nette), en utilisant l'équation 10: Y c 2 Wb Dépense calorique nette (Kcal)= vitesse métabolique (Kcal/s)* durée totale de l'activité physique (s) équation 10 L'équation 10 montre qu'en multipliant la vitesse métabolique moyenne par la durée de l'entraînement nous obtenons aisément la dépense 10 énergétique nette. Pour obtenir le nombre total de calories brûlées par le corps pendant un temps donné (Dépense calorique brute), il suffirait d'ajouter les dépenses caloriques liées au métabolisme de base (21) aux dépenses caloriques liée à la locomotion (équation 11). Dépense calorique brute (Kcal)= Dépense métabolisme de base (Kcal) + dépense calorique nette (Kcal) équation 11 Les dépenses caloriques liées au métabolisme de base d'un individu (21) se calculent facilement à partir des formules prédéfrnies, en fonction de 1' age/sexe/taille/poids. Ayant obtenu le nombre de calories brûlées selon le procédé de calcul susmentionné, le total cumulé des calories brûlées sur plusieurs séances se calcule facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. 2.2. Mode manuel En mode manuel le type de l'activité physique est choisi par l'utilisateur lui-même. Calcul des dépenses caloriques en mode manuel En mode manuel , le type d'activité physique est choisi par l'utilisateur lui-même. Par conséquent, le calcul des dépenses énergétiques se fera en fonction de ce choix. La méthode choisie selon un mode de réalisation de la présente invention consiste à utiliser un tableau de référence prédé fini stocké dans la mémoire. Dans la présente invention, la vitesse métabolique normalisée représente une quantité moyenne d'énergie consommée par unité de temps 40 et par unité de la masse corporelle du sujet (J/s/Kg) ou (Kcal/min/kg). 2873281 9 La vitesse métabolique normalisée liée à chaque type d'activité physique est stockée dans un tableau. Ce tableau possède au moins deux colonnes. L'une des colonnes contient l'identifiant de l'activité physique. L'autre colonne contient la vitesse métabolique normalisée (KcaUmin/kg) de l'activité en question. Le nombre de calories brûlées lié à l'activité physique est calculé en multipliant la valeur de la vitesse métabolique normalisée de l'activité par la durée totale de l'entraînement et par la masse de l'individu . Le tableau suivant montre un exemple concernant le contenu du tableau susmentionné: TAB AP: Activité Physique CE: la vitesse métabolique normalisée (Kcal/min/kg) Basket-ball 0.103 Billard 0.042 Cyclisme 0.064 Football 0.132 Golf 0.085 Gymnastique 0.066 Judo 0.195 Squash 0.212 Tennis 0.109 Volley-ball 0.050 A titre d'exemple, si un individu de masse 70 kg joue au tennis 15 pendant 50 minutes, le nombre de calories brûlées lié à son activité physique pendant ces 50 minutes est le suivant: Masse* durée de l'entraînement* la vitesse métabolique moyenne normalisée (tennis) =70*50*0.109=381.5 Kcal Pour obtenir le nombre total de calories brûlées par le corps pendant un temps donné, il suffirait d'ajouter les dépenses caloriques liées au métabolisme de base aux dépenses caloriques liée à la locomotion. Les dépenses caloriques liées au métabolisme de base d'un individu se calculent facilement à partir des formules prédéfinies, en fonction de 1' age/sexe/taille/poids. Ayant obtenu le nombre de calories brûlées selon le procédé de calcul susmentionné, le total cumulé des calories brûlées sur plusieurs séances se calcule facilement en utilisant les formules classiques employées en mathématique/physique. 3. Les caractéristiques Techniques Un schéma blocs simplifié de la chaîne de mesure informatisée est 5 illustré en figure 9. La figure 10 illustre le schéma-bloc équivalent simplifié du circuit électrique de la chaîne de mesure informatisée, selon un mode de réalisation simplifié de la présente invention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la structure de base de la chaîne de mesure informatisée comprend au minimum quatre dispositifs: un dispositifs de captage(27), un dispositif de mise en forme du signal (28), un dispositif d'acquisition (29) et un dispositif de traitement informatique (30). Selon un mode de réalisation de la présente invention, les capteurs d'efforts (de force) seront utilisés dans le dispositif de captage, afin de mesurer au moins deux caractéristiques temporelles de la foulée: la durée de la phase de support, et la durée de la phase oscillante/la durée du cycle. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif de captage est incorporé dans la semelle de la chaussure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les capteurs doivent être fixés dans la semelle, dans les zones correspondantes aux centres de pression de la voûte plantaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il suffirait d'utiliser 2 zones de captage, une en avant pied (au niveau de l métatarsien ou hallux le gros orteil) et l'autre en arrière pied (talon) . Le dispositif de mise en forme du signal (28) est essentiellement un conditionneur de signal dont le rôle principal est l'amplification du signal délivré par le dispositif de captage pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de numérisation. Ce dispositif, selon un mode de réalisation de la présente invention, peut intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal. Le dispositif d'acquisition (29) est une unité de numérisation (analogique - numérique) qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers (échantillonnage) et affecter une valeur numérique à chaque point d'échantillonnage (quantification). Le dispositif de traitement informatique (30), à base de microprocesseur, peut exploiter les mesures qui sont sous forme de données numériques. Cette exploitation comprend les fonctions de mémorisation, de traitement mathématique, et d'affichage. 4. Les caractéristiques de l'article chaussant La figure 11 illustre une chaussure équipée d'un ensemble de dispositifs décrits dans le schéma (9). Le dispositif de captage est intégré dans la semelle intercalaire (ou intermédiaire) (34) situé entre la semelle intérieure de propreté et la semelle d'usure (ou de contact de sol). Le dispositif d'affichage (32) peut être intégré dans/fixé sur le quartier de la chaussure (33). Dans la présente invention le terme quartier est définit comme les cotés de la chaussure, entre l'emboîtage et I'empeigne . Cependant, il est possible d'intégrer/fixer le dispositif d'affichage dans la languette rabattable de la chaussure, afin de faciliter la lecture des informations. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les boutons de réglage (31) ont pour rôles: - De permettre le défilement d'un menu â l'autre D'activer/désactiver/régler un mode de fonctionnement De régler l'heure et la date D'activer/désactiver/régler une alarme De configurer des informations concernant les caractéristiques 20 physiques de l'individu: poids, sexe, age, taille Le petit écran du dispositif d'affichage (35) permet la lecture des informations pertinentes. Afin de protéger le dispositif d'affichage contre les chocs éventuels il est possible de munir le dispositif d'affichage d'un dispositif de protection. 30 35 12 Revendications 1. Chaussure équipée d'au moins un dispositif d'affichage numérique, fixe ou amovible, permettant l'affichage des informations pertinentes concernant une activité physique. 2. Chaussure selon la revendication 1 caractérisée en ce que les informations affichées concernent au moins l'une des grandeurs suivantes: le temps de parcours, la vitesse, l'accélération, la distance, la cadence, la vitesse métabolique, les dépenses énergétiques d'un individu. 3. Chaussure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'au moins un dispositif de mesure d'une grandeur physique placé dans les parties constitutives de la chaussure. 4. Chaussure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'affichage est muni de boutons de réglage. 5. Chaussure selon la revendication 3 caractérisée en ce que la grandeur physique mesurée permet d'obtenir les caractéristiques temporelles de la foulée. 6. Chaussure selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle est équipée d'au moins un dispositif de calcul informatisé. 7. Procédé de calcul caractérisé en ce que qu'il permet le calcul d'au moins l'une des grandeurs suivantes: la vitesse - l'accélération - la distance parcourue - la cadence - la vitesse métabolique - les dépenses énergétiques liées à une activité physique, à partir de deux caractéristiques temporelles de la foulée: La durée de la phase de support , c'est à dire, la durée pendant laquelle le pied est en contact avec le sol, et: - La durée de la phase oscillante , c'est à dire, la durée pendant laquelle le pied n'est pas en contact avec le sol, ou: La durée du cycle , c'est à dire l'intervalle de temps qui sépare deux appuis successifs au sol du même pied. 8. Procédé de calcul selon la revendication 7 caractérisé en ce que le mouvement et le mode de la locomotion pédestre (la marche, la course) sont détectés à partir des deux caractéristiques temporelles mentionnées dans la revendication 7. 9. Chaussure caractérisée en ce qu'elle est équipée d'au moins un dispositif de mesure d'une grandeur physique placé dans la semelle de la chaussure permettant de mesurer au moins deux caractéristiques temporelles de la foulée: - La durée de la phase de support , c'est à dire, la durée pendant laquelle le pied est en contact avec le sol, et: - La durée de la phase oscillante , c'est à dire, la durée pendant laquelle le pied n'est pas en contact avec le sol, ou: La durée du cycle , c'est à dire l'intervalle de temps qui sépare deux appuis successifs au sol du même pied. Cette chaussure est aussi caractérisée en ce que ces paramètres temporels de la foulée permettent le calcul d'au moins l'une des grandeurs suivantes: la vitesse - l'accélération - la distance parcourue - la cadence - la vitesse métabolique - les dépenses énergétiques liées à une activité physique.