Brevet FR2901881A1 — publié le 20071207

La présente invention concerne d'une façon générale la conception d'équipements de protection pour les forces de maintien de l'ordre. On entend ici par équipements de protection pour les forces de maintien de l'ordre tout habillement ou équipement porté par l'utilisateur pour réduire ou empêcher le risque de dommages corporel spécifique. Traditionnellement, des équipements de protection de cette nature sont conçus de façon essentiellement empirique : plusieurs prototypes sont réalisés et testés soit des conditions réelles de port de l'équipement ou proches des conditions réelles (en prenant soin de ne pas exercer de sollicitations trop importantes sur la personne effectuant le test). La présente invention vise à pallier ces limitations de l'état de l'art, et à proposer des procédés qui permettent, en assurant notamment une mesurabilité précise et reproductible de l'effet de protection de vêtements ou équipements de protection sur le corps humain, de faciliter la conception de tels vêtements ou équipements en fonction d'un objectif de protection souhaité, d'améliorer leur fiabilité et d'offrir aux utilisateurs une gamme de vêtements ou équipements pouvant offrir différents degrés de protection, en fonction des besoins. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de conception d'un vêtement ou d'un équipement de protection du corps pour les forces de l'ordre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - équiper un mannequin d'un ensemble de capteurs cinématiques et/ou dynamométriques, - positionner un dispositif d'application d'impacts de manière à ce que celui-ci puisse appliquer sur au moins une zone cible prédéterminée du mannequin des impacts selon une cinématique reproductible déterminée, -appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin dépourvue de vêtement ou équipement de protection, et relever les mesures fournies par le ou les capteurs situés dans la région desdites zones cibles, - monter un vêtement ou équipement de protection sur le mannequin de manière à ce qu'il couvre la zone cible, - appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin pourvue du vêtement ou équipement de protection, et relever les mesures fournies par le ou lesdits capteurs, - déduire des mesures au moins une valeur d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force par ledit vêtement ou équipement de protection, et - si la ou lesdites valeurs sont supérieures à des valeurs seuils, désigner le vêtement ou équipement comme 20 acceptable au sens desdits seuils, - dans le cas contraire, apporter des modifications structurelles audit vêtement ou équipement de protection en vue d'améliorer lesdites valeurs d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force. 25 On propose également, selon un deuxième aspect de l'invention, un procédé de test d'homologation d'un vêtement ou d'un équipement de protection du corps pour les forces de l'ordre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 30 - équiper un mannequin d'un ensemble de capteurs cinématiques et/ou dynamométriques, - positionner un dispositif d'application d'impacts de manière à ce que celui-ci puisse appliquer sur au moins une zone cible prédéterminée du mannequin, susceptible d'être protégée par le vêtement ou équipement à tester, des impacts selon une cinématique reproductible déterminée, - appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin dépourvue du vêtement ou équipement à tester, et relever les mesures fournies par le ou les capteurs situés dans la région desdites zones cibles, monter le vêtement ou équipement de protection à tester sur le mannequin de manière à ce qu'il couvre la zone cible, - appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin pourvue dudit vêtement ou équipement, et relever les mesures fournies par le ou lesdits capteurs, - déduire des mesures au moins une valeur d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force par ledit vêtement ou équipement de protection, et - si la ou lesdites valeurs sont supérieures à des valeurs seuils, désigner le vêtement ou équipement comme homologué. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ces procédés sont les suivants : * les impacts sont appliqués à l'aide d'un pendule orthofilaire portant un support pour un impacteur. * le support comporte au moins un capteur cinématique ou dynamométrique. * les mesures fournies par le ou les capteurs sont 30 choisies dans un groupe comprennent des mesures de déplacement, des mesures de vitesse, des mesures d'accélération, des mesures de force, et leurs évolutions en fonction du temps. * les impacts sont appliqués avec un impacteur en forme générale de cylindre de révolution. * les impacts sont appliqués selon au moins deux angles d'incidence différents. * l'une des incidences est généralement orthogonale à la surface du mannequin au niveau de la cible. * les impacts sont appliqués avec un impacteur pourvu d'une arête vive. * le procédé comprend la mesure de l'enfoncement de l'impacteur dans la matière du vêtement ou équipement. * les vêtements et équipements de protection sont choisis dans le groupe comprenant les jambières, les protège-cuisse, les gilets, et les protège-épaule, les manchettes. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante des formes de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est un schéma d'ensemble d'un équipement de test selon l'invention, Les figures 2a et 2b sont des vues de côté et en bout d'un premier type d'impacteur utilisé dans l'équipement de test, et Les figures 3a et 3b sont des vues de côté et en bout d'un deuxième type d'impacteur utilisé dans 30 l'équipement de test. 1) Définitions a) Zone de protection : secteur du corps humain recouvert par l'ensemble d'un vêtement ou d'un équipement de protection et de ses accessoires ; b) zone de test : partie ou zone(s) d'un vêtement ou 5 d'un équipement de protection qui doit être examinée en particulier ; c) cibles : régions anatomiques du corps humain sur lesquelles un coup est visé ; parmi ces cibles : - les cibles primaires sont généralement 10 considérées comme les avant-bras, les fesses, les cuisses, le dos du talon et le cou-de-pied ; ce sont principalement des secteurs où les masses de muscle protègent les éléments squelettiques et qui sont dépourvues d'organes vitaux ; 15 - les cibles secondaires sont généralement considérées comme le dos des mains, l'intérieur des poignets, les joints des coudes, les bras supérieurs, les épaules, les lames d'épaules, l'os de collier et les joints des genoux ; 20 - enfin les cibles tertiaires sont généralement considérées comme chaque partie du visage, du crâne, du cou, la région de l'épine dorsale et de la nervure, le secteur juste au- dessous de la région de la nervure, l'ensemble du foie, le plexus solaire, la rate, les 25 reins, l'abdomen inférieur, l'aine et le coccyx. d) incidence d'un coup : elle est définie par l'angle de frappe par rapport à un axe normal à la surface générale de la cible (axe z), la valeur de 0 correspondant à un choc frontal ; 30 e) niveaux de performance : le niveau de performance d'un vêtement ou d'un équipement est un nombre utilisé pour donner un indication du degré de protection procuré par le vêtement ou l'équipement, tel que déterminé par les tests de performances tels qu'on les décrira dans la suite ; plus le nombre est élevé, plus le degré de performance est élevé. 2) Description de l'équipement La présente invention vise à concevoir et à tester en vue d'une homologation officielle ou privée des vêtements ou équipements de protection du corps humain en proposant un appareil de test permettant la mesure de la diminution de l'énergie et de la force d'impact sur un tel vêtement ou équipement, ceci sous l'effet d'un impacteur simulant un coup réel. Par exemple, un tel impacteur peut simuler un coup 15 avec une batte de baseball ou avec une hache. Cet appareil de test comprend dans une forme de réalisation avantageuse : - un mannequin biomécanique M - un banc d'essai comprenant un pendule orthofilaire 20 P ; - un impacteur I (ici la batte de baseball ou la hache) monté sur le pendule. Le mannequin M simule, dans les limites de sa précision, un être humain de sexe masculin, d'une taille 25 de 175 cm et d'un poids de 80 kg. Il est instrumenté, à savoir équipé d'un ensemble de capteurs de force, de capteurs de moment, de capteurs de déplacement et de capteurs d'accélération. Dans le présent exemple de réalisaticn, on utilise 30 un mannequin M ayant les caractéristiques suivantes : - Hybrid III en frontal, possédant deux voies à savoir un capteur de déplacement et un accéléromètre ; - jambe instrumentée en frontal à cinq voies, à savoir deux capteurs de force, deux capteurs de moment et un accéléromètre ; -fémur instrumenté en frontal à quatre voies selon 5 la norme EuroSID-2, avec deux capteurs de force, un capteur de moment et un accéléromètre ; -épaule instrumentée en latéral à quatre voies selon la norme EuroSID-2, avec trois capteurs de force et un accéléromètre. 10 On notera que ces définitions normalisées de mannequins issues en particulier des activités encadrées légalement de crash-test automobile, sont accessibles avec tous les détails d'implémentation nécessaires à l'homme du métier auprès des instances officielles 15 concernées (voir en particulier le site Internet www.inrets.fr de l'Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité). Un tel mannequin est équipé du vêtement ou équipement de protection à tester. 20 Le banc d'essai de l'appareil de test est ici un pendule orthofilaire P sur lequel l'impacteur I est fixé. Un tel pendule simule la frappe sur un individu à l'aide de cet impacteur. Le pendule présente une longueur de corde par exemple de 5 mètres, qui est avantageusement 25 réglable. La position de départ et la masse de l'impacteur déterminent de façon répétable sa vitesse d'impact sur le mannequin, la force transmise au mannequin et l'énergie d'impact. 30 Comme on l'a indiqué plus haut, l'impacteur peut être de l'un parmi deux types dans la présente forme de réalisation, à savoir une batte de baseball ou une hache. Dans tous les cas, l'impacteur comprend une base support S ou armature métallique (typiquement en acier) équipée d'un accéléromètre et d'un capteur de vitesse. La masse minimale de cette base S est typiquement de 2,5 kg. On peut fixer sur cette base un embout de forme adaptée formant l'impacteur proprement-dit I pour simuler la menace souhaitée, à savoir ici un embout simulant la partie la plus corpulente d'une batte de baseball ou simulant la lame d'une hache. Dans le présent mode de réalisation particulier, l'embout Il simulant une batte de baseball est illustré sur les figures 2a et 2b. Il comprend un fût cylindrique en acier massif, d'une longueur de 200 mm et d'un diamètre de 50 mm, et d'une dureté Rockwell de 55 +/-3 (acier de type C). L'embout I2 simulant une lame de hache est constitué quant à lui par une barre d'acier, de dureté identique, présentant une section en forme générale de triangle équilatéral de 5 mm de côté et d'une longueur de 200 mm, comme illustré sur les figures 3a et 3b des dessins. Bien entendu, d'autres types d'impacteurs peuvent également utilisés, et notamment un impacteur simulant l'impact d'un bâton de défense de type tonfa, d'une barre de fer, etc. 3) description de l'utilisation de l'équipement L'appareil de test selon l'invention s'utilise de la façon suivante. On place tout d'abord l'un des deux modèles d'impacteur monté sur sa base sur le pendule orthofilaire, l'ensemble étant positionné et maintenu de façon à atteindre l'énergie, la vitesse d'impact et la force désirées. Ce maintien est réalisé de façon à être parfaitement reproductible pour que l'impacteur puisse toucher la cible respectivement équipée de sa protection et dépourvue de sa protection dans les mêmes conditions. Les vêtements ou équipements de protection à tester sont tout d'abord soumis à un étuvage pendant une durée de 4 h à 80 C, puis stockés à 20 C pendant 48 h avec un taux d'humidité relative de 65%. Dans le cas où le test du vêtement ou de l'équipement doit s'effectuer dans des conditions de température ou d'humidité différentes, alors il est de préférence effectué dans les 5 minutes suivant le déstockage, et durer 20 minutes au plus. Le vêtement ou équipement de protection à tester est placé sur le mannequin tel que décrit plus haut, de façon à reproduire au mieux les conditions réelles. Typiquement, ce vêtement ou équipement est positionné sur le mannequin et mis en contact avec lui avec une force de contact d'environ 20 à 30 N dans le cas où cette force peut être mesurée ou estimée. Le mannequin est ensuite placé sur le banc d'essai en étant positionné de manière à simuler le port réel du vêtement ou de l'équipement en situation de maintien de l'ordre. Les procédures de test peuvent alors être effectuées, le choix initial résidant dans les valeurs souhaitées de vitesse d'impact, d'énergie d'impact et de force maximale transmise (en fait le choix d'un angle d'incidence) comme on l'a déjà indiqué. Par exemple on peut effectuer des tests avec l'embout de type batte de baseball avec les paramètres suivants . - vitesse d'impact : 5 m/s -énergie d'impact : 120 Joules - incidence : 0 et 30 et avec l'embout de type hache avec les paramètres suivants . - vitesse d'impact : 5 m/s -énergie d'impact : 50 Joules - incidence : 0 . Par ailleurs, on utilise avantageusement une force moyenne transmise différente en fonction de la cible envisagée, avec par exemple une valeur inférieure à 5 kN pour le coude ou la cuisse, une valeur inférieure à 8 kN pour le haut du bras, l'avant-bras ou le tibia, et une valeur inférieure à 10 kN pour l'épaule et le genou. Les tests sont réalisés sur les différentes cibles du mannequin et en particulier : - sur une jambière montée fixée sur une jambe du mannequin entre le genou (inclus) et la cheville, avec des cibles sur le dessus du pied, le bas du tibia, le milieu du tibia, le haut du tibia et le genou ; - sur un protège-cuisse fixé sur la cuisse du mannequin entre la hanche et le genou non inclus, avec des cibles sur le bas de la cuisse, le milieu de la cuisse et le haut de la cuisse ; - sur un gilet fixé sur le tronc du mannequin et équipé de coques articulées de protection des épaules et du haut des bras supérieurs ainsi que d'une bavette pour zone pelvienne, avec des cibles au coin de l'épaule, sur le haut du bras supérieur, sur le plexus sclaire, sur les reins, sur les clavicules et sur la zone pelvienne ; - sur un protège-épaule à coques ar=iculées monté sur l'épaule (éventuellement retenu par un gilet comme précédemment), avec des cibles au coin de l'épaule et sur le bras supérieur ; - sur une manchette montée sur un avant-bras du mannequin, avec des cibles au poignet, sur deux régions de l'avant-bras et au coude. Bien entendu, d'autres tests sont possibles sur d'autres équipements ou vêtements de protection. La procédure de test proprement-dite consiste à placer le mannequin, dépourvu de tout vêtement ou équipement de protection, sur une surface d'essai telle qu'une table ou plus généralement tout autre support fixe capable de retenir le mannequin. Comme on l'a indiqué, la position du mannequin est réglée pour correspondre à une situation réaliste correspondant au test. Par exemple, pour un test de jambière, la position du mannequin simule un homme debout, et la pression de contact entre le pied du mannequin et la surface d'essai est ajustée pour correspondre à celle qui serait obtenue avec un homme de poids normal ; les capteurs sont étalonnés, d'une façon connue en soi dans le domaine des tests de sécurité automobile. La position du mannequin est également réglée pour que l'angle d'incidence (frappe orthogonale ou oblique - voir plus haut) soit celui souhaité. Le pendule orthofilaire est ensuite réglé, et plus précisément le point de départ et la charge de l'impacteur (masse de la partie mobile) sont ajustés de façon à obtenir la vitesse, la force et l'énergie d'impact souhaitées. Un repérage est effectué pour que ce point de départ, pour une série d'essais donnée, puisse être déterminé de façon reproductible. Les tests sur les cibles présélectionnées sont alors effectués, tout d'abord sur le mannequin dépourvu du vêtement ou équipement de protection. Puis le vêtement ou l'équipement est placé sur la zone correspondante du mannequin, et les tests sont effectués à nouveau avec les mêmes vitesses, forces et énergies. Préférentiellement chaque test individuel, sans protection puis avec protection, comprend une mesure de l'accélération (en m/s2) en fonction du temps (en s), de l'effort (en daN) en fonction du temps (en s) et du déplacement (en m) en fonction du temps au niveau des capteurs instrumentant le mannequin. Chaque test comprend également une mesure, sur l'impacteur, de l'accélération (en m/s2) en fonction du temps (en s). L'ensemble des mesures ci-dessus est effectué avec l'impacteur simulant une batte de baseball. Comme on l'a indiqué plus haut, d'autres essais avec un des impacteurs simulant par exemple un tonfa ou une barre de fer peuvent être effectués, avec dans ce cas une procédure similaire à celle utilisée avec l'impacteur simulant une batte de baseball. Les données fournies par les capteurs avec lors des tests avec les différents impacteurs sur les différentes cibles sont enregistrées. On obtient ainsi une série de mesures qui permet aux concepteurs des équipements et des vêtements de progressivement améliorer le comportement de ceux-ci. Plus précisément, ces données enregistrées sont retraitées, notamment en comparant les données recueillies lors des impacts directement sur le mannequin (sans la protection) et lors des impacts sur la protection placée sur le mannequin. On peut ainsi calculer notamment un coefficient d'absorption d'énergie ainsi qu'un coefficient d'atténuation de la force transmise aux différents points cibles. La campagne de tests comprend également l'utilisation de l'impacteur simulant une hache. Dans ce cas, aucune mesure n'est relevée au niveau des capteurs, mais on mesure simplement, de façon manuelle, la profondeur d'enfoncement de la lame. A cet effet, l'équipement ou le vêtement de protection est positionné non pas sur le mannequin, mais sur une enclume rigide et fixe, et l'impacteur de type hache est appliqué avec la force, la vitesse et l'énergie souhaitées. Le processus de validation de la conception d'un vêtement ou équipement de protection peut être basée sur la comparaison de ces coefficients avec des seuils pré-établis, selon des règles de calcul qui peuvent être tout à fait variées (par cible, de façon globale, etc.). Le concepteur peut jouer notamment sur la nature et les propriétés mécaniques des matériaux mis en jeu (matières plastiques rigides, toiles mousses) et sur leurs paramètres dimensionnels, principalement en termes d'épaisseur. Bien entendu, l'homme du métier saura apporter à l'invention de nombreuses variantes et modifications. REVENDICATIONS 1. Procédé de conception d'un vêtement ou d'un équipement de protection du corps pour les forces de l'ordre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - équiper un mannequin d'un ensemble de capteurs cinématiques et/ou dynamométriques, - positionner un dispositif d'application d'impacts de manière à ce que celui-ci puisse appliquer sur au moins une zone cible prédéterminée du mannequin des impacts selon une cinématique reproductible déterminée, - appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin dépourvue de vêtement ou équipement de protection, et relever les mesures fournies par le ou les capteurs situés dans la région desdites zones cibles, - monter un vêtement ou équipement de protection sur le mannequin de manière à ce qu'il couvre la zone cible, -appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin pourvue du vêtement ou équipement de protection, et relever les mesures fournies par le ou lesdits capteurs, - déduire des mesures au moins une valeur d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force par ledit vêtement 25 ou équipement de protection, et - si la ou lesdites valeurs sont supérieures à des valeurs seuils,, désigner le vêtement ou équipement comme acceptable au sens desdits seuils, - dans le cas contraire, apporter des modifications 30 structurelles audit vêtement ou équipement de protection en vue d'améliorer lesdites valeurs d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force. 2. Procédé de test d'homologation d'un vêtement ou d'un équipement de protection du corps pour les forces de l'ordre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - équiper un mannequin d'un ensemble de capteurs cinématiques et/ou dynamométriques, - positionner un dispositif d'application d'impacts de manière à ce que celui-ci puisse appliquer sur au moins une zone cible prédéterminée du mannequin, susceptible d'être protégée par le vêtement ou équipement à tester, des impacts selon une cinématique reproductible déterminée, - appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin dépourvue du vêtement ou équipement à tester, et relever les mesures fournies par le ou les capteurs situés dans la région desdites zones cibles, - monter le vêtement ou équipement de protection à 20 tester sur le mannequin de manière à ce qu'il couvre la zone cible, -appliquer lesdits impacts sur la zone cible du mannequin pourvue dudit vêtement ou équipement, et relever les mesures fournies par le ou lesdits capteurs, 25 - déduire des mesures au moins une valeur d'énergie absorbée et/ou d'atténuation de force par ledit vêtement ou équipement de protection, et - si la ou lesdites valeurs sont supérieures à des valeurs seuils, désigner le vêtement ou équipement comme 30 homologué. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les impacts sont appliqués à l'aide d'un pendule orthofilaire portant un support pour un impacteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support comporte au moins un capteur cinématique ou dynamométrique. 10 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les mesures fournies par le ou les capteurs sont choisies dans un groupe comprennent des mesures de déplacement, des mesures de vitesse, des mesures d'accélération, des mesures de force, et leurs 15 évolutions en fonction du temps. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impacts sont appliqués avec un impacteur en forme générale de cylindre de révolution. 7. Procédé selon la revendications 6, caractérisé en ce que les impacts sont appliqués selon au moins deux angles d'incidence différents. 25 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'une des incidences est généralement orthogonale à la surface du mannequin au niveau de la cible. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, 30 caractérisé en ce que les impacts sont appliqués avec un impacteur pourvu d'une arête vive. 20 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend la mesure de l'enfoncement de l'impacteur dans la matière du vêtement ou équipement. 11. Procédé selon l'une des revendicat__ons 1 à 10, caractérisé en ce que les vêtements et équipements de protection sont choisis dans le groupe comprenant les jambières, les protège-cuisse, les gilets, et les protège-épaule, les manchettes.10