Brevet FR2960421A1 — publié le 20111202

Roue instrumentée pour un fauteuil roulant, et fauteuil roulant adapté pour tests comportant une telle roue La présente invention concerne une roue instrumentée pour un fauteuil roulant manuel et plus généralement un fauteuil roulant adapté pour effectuer des tests et mesures en ergonomie et comportant une telle roue. Elle concerne encore plus particulièrement une roue de fauteuil roulant adapté pour recevoir une instrumentation utile à l'analyse ergonomique et à la compréhension des phénomènes biomécaniques chez un utilisateur de fauteuil roulant manuel dans les conditions d'utilisations réelles. Pour comprendre la gestuelle et les actions mécaniques exercées lors des déplacements en Fauteuil Roulant Manuel (désigné par la suite FRM), les études scientifiques menées s'intéressent principalement à quatre groupes de paramètres qui permettent d'étudier la biomécanique de la locomotion en FRM : L'analyse de l'activité musculaire (électromyographie) - Les paramètres issus de l'analyse cinématique du mouvement - Les paramètres temporels (fréquence de propulsion, temps de poussée, temps de repos, etc.) - Les paramètres issus de l'analyse dynamique (Forces, Moments, Pression d'appui, etc.) C'est à la détermination de ces trois derniers types de grandeurs qu'est destinée la présente invention. Il a déjà été évoqué dans la littérature scientifique d'utiliser des dispositifs destinés à mesurer les grandeurs physiques considérées prépondérantes pour une meilleure compréhension de ces interactions. Ces grandeurs physiques sont : 2 - Le déplacement du FRM pour évaluer son utilisation, Les vitesses et accélérations de déplacement pour évaluer l'intensité de ces déplacements, Les données liées aux poussées sur les mains- courantes pour qualifier les cycles de poussée, - Les efforts exercés sur le système de soutien du corps (siège, dossier, repose-pieds, accoudoirs) et sur les mains courantes, par la quantification des forces, des moments et de la répartition des pressions. Les dispositifs conçus pour obtenir ces mesures comprennent d'une part des dispositifs de laboratoire, tels qu'ergomètres à rouleaux, tapis roulants et simulateurs, et d'autre part des dispositifs de terrain qui sont souvent des FRM sur lesquels une ou plusieurs parties sont complétées par une instrumentation de mesures. Dans les ergomètres à rouleaux, les roues arrière du FRM reposent sur un ou plusieurs cylindres reliés à une instrumentation. Dans les systèmes à tapis roulants, le fauteuil est placé sur un tapis dont les dimensions sont adaptées à ce type de locomotion et qui possède une instrumentation. Les simulateurs, de conception plus ou moins complexe, tendent à reproduire la locomotion en FRM en jouant notamment sur les résistances au roulement du FRM. Ces trois premiers types d'équipements limitent les études au laboratoire. Ils occultent complètement les phénomènes rencontrés en situations réelles sur le terrain et ne peuvent donc répondre au souhait prémentionné d'analyse des phénomènes biomécaniques chez un utilisateur de FRM dans les conditions d'utilisations réelles. Les dispositifs prévus pour une expérimentation de terrain visent à étudier la locomotion en condition réelle avec une instrumentation montée sur le FRM. Des 3 dispositifs connus comportent en particulier des capteurs de position ou de vitesse angulaire des roues, des accéléromètres, des capteurs de forces. Pour prendre en compte certains paramètres complémentaires, il a aussi été proposé d'utiliser des procédés d'analyse vidéo, mais ceux-ci sont compliqués à mettre en oeuvre simultanément avec les autres mesures, et pratiquement impossible à utiliser en expérimentation terrain dans des conditions d'utilisation réelles. Tous ces dispositifs connus permettent de déterminer un ou parfois plusieurs paramètres, mais aucun ne permet de mesurer simultanément l'ensemble des grandeurs physiques listées précédemment et indispensables à l'étude complète de la biomécanique de la propulsion manuelle en fauteuil. En particulier, ces dispositifs connus ne permettent pas de mesurer en continu et dans les conditions d'utilisation réelle tous les efforts exercés volontairement ou non par l'utilisateur du fauteuil roulant, dans les différentes zones de contact entre l'utilisateur et son siège, ainsi que les variations de ces efforts dans le temps et en fonction des caractéristiques du terrain sur lequel le fauteuil roulant se déplace. Le document W09505141 décrit un système destiné à mesurer le couple moteur exercé par un utilisateur d'un fauteuil roulant manuel sur les mains courantes d'entraînement des roues, soit à titre d'analyse des efforts soit à titre de pilotage d'un système d'assistance à la motricité du fauteuil. Ce système utilise des capteurs disposés au niveau des moyens de liaison classiques situés vers la périphérie, entre la main courante et la roue. Cette disposition vise particulièrement à permettre de prendre en compte exclusivement les efforts tangentiels utiles pour l'entraînement en rotation des roues. 4 US2010036543 décrit aussi un fauteuil pourvu d'un système d'assistance agencé de manière à éviter tout mouvement non souhaité, notamment en sens inverse de celui désiré, en particulier dans le cas d'utilisation sur une surface en pente. Là aussi, les efforts exercés par l'utilisateur sur la main courante sont mesurés pour piloter le moteur d'assistance, et s'y ajoute divers capteurs de vitesse et de sens de rotation. US6155367 décrit aussi un dispositif d'assistance pour fauteuil roulant. Ces divers dispositifs permettent de mesurer en conditions d'utilisation courante les efforts de propulsion exercés sur la main courante, mais sont prévus pour ne mesurer que ces efforts. Autrement dit, aucun ne permet de mesurer simultanément l'ensemble des grandeurs physiques souhaitées pour évaluer l'influence des réglages et positions ergonomiques des roues motrices sur la locomotion en fauteuil roulant manuel. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus, et vise en particulier à permettre de mesurer l'ensemble des interactions entre utilisateur et fauteuil roulant, tout en étant autonome pour placer l'utilisateur dans le cadre d'une utilisation courante et à permettre de mesurer l'impact des réglages d'un tel fauteuil roulant manuel. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une roue instrumentée pour un fauteuil roulant manuel adapté pour des tests d'ergonomie. Selon l'invention, la roue instrumentée est caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure des forces et moments appliqués sur la roue par l'intermédiaire de la main courante et des moyens de détermination de la position angulaire de la roue et de la position de la main de l'utilisateur sur la main courante. L'invention permet ainsi de mesurer non seulement le couple ou l'effort tangentiel exercé sur la roue par l'intermédiaire de la main courante, mais les efforts et moments dans les trois directions de l'espace, appliqués 5 dans un référentiel lié au moyeu de la roue et un référentiel lié à la main-courante. Elle permet aussi de déterminer la position de la main de l'utilisateur lors de la phase de poussée sur la main courante ainsi que simultanément la position angulaire de la roue, pour finalement déterminer les efforts et moments enregistrés, en relation avec la position de la main lors de l'effort de poussée. Des capteurs complémentaires de vitesse et d'accélération permettent de plus de relier les paramètres représentatifs des interactions entre l'utilisateur et le fauteuil aux paramètres extérieurs représentatifs de la dynamique du fauteuil dans son environnement lors de son utilisation courante. Tous ces paramètres peuvent être encore complétés par ceux résultants des mesures de forces et moments exercés sur l'assise, le dossier et les repose-pieds, selon les dispositions décrites dans la demande de brevet déposée simultanément à la présente par le même demandeur. L'ensemble de ces informations permet d'avoir en continu une connaissance la plus complète possible de toutes les interactions entre l'utilisateur et le fauteuil et de leur évolution en temps réel lors d'une utilisation courante du fauteuil. Selon une disposition particulière de l'invention, les moyens de mesure des forces et moments appliqués sur la roue comportent un capteur à six composantes, forces et moments, monté sur un moyeu de la roue et la main courante est reliée exclusivement et directement au dit capteur par un flasque rigide. Ainsi, la main courante entraîne le capteur fixé dans le moyeu qui fait rentrer en rotation la roue motrice. Contrairement aux dispositifs connus antérieurement, la transmission des 6 efforts entre la main courante et la roue n'est pas assurée par une liaison directe située en périphérie, à proximité de la jante, comme dans les fauteuils roulants manuels courants et ceux qui sont décrits dans l'art antérieur précité. Au contraire, toutes les forces et tous les moments exercés via la main courante passent par le capteur situé au moyeu de la roue. Cette disposition particulière fait que la roue instrumentée selon l'invention permet de mesurer tous les efforts et moments, dans toutes les directions, exercés sur la roue par la main courante lors de la manipulation de cette dernière par l'utilisateur. La géométrie et la rigidité du flasque permettent de transmettre l'ensemble des actions mécaniques exercées sur la main courante au capteur du moyeu, avec la meilleure précision et la meilleure sensibilité possibles. Pour déterminer la position de la main de l'utilisateur sur la main courante lors de l'effort de poussée, la main courante est pourvue d'un capteur de position tactile souple en forme de ruban placé à la surface de la main courante. Les données issues de l'instrumentation qui équipe la roue sont traitées par un calculateur avec enregistreur, embarqué sur le fauteuil, ce qui permet d'assurer l'autonomie du fauteuil roulant. Et les acquisitions peuvent aussi être pilotées et visualisées à distance via une connexion sans fil avec un terminal portable. Ce pilotage à distance apporte l'avantage de laisser l'utilisateur libre dans ses mouvements sans contraintes matérielles (câbles, adaptations mécaniques ou accessoires sur l'utilisateur) qui pourrait perturber la gestuelle naturelle de l'utilisateur de fauteuil. Les signaux du capteur de moyeu et du capteur de position tactile sont préférentiellement transmis au calculateur par une connexion filaire passant dans l'arbre de roue et par un collecteur tournant. Ceci 7 permet d'assurer une plus grande fiabilité à la transmission des données de mesures que par télémétrie, cette dernière solution étant plus coûteuse, encombrante au niveau des récepteurs et limitée dans le nombre de voies de mesure. Par ailleurs elle rendait délicate la synchronisation des signaux issus des différents capteurs placés de part et d'autres du fauteuil roulant. Pour permettre d'évaluer l'incidence de la position des roues, et donc permettre une adaptation facile de leur position, les moyens de liaison en rotation des roues sur le châssis du fauteuil comportent préférentiellement un bloc d'adaptation formant un support de roue ajustable, permettant notamment d'adapter la voie et le carrossage des roues arrière, ainsi que l'empattement entre roues avant et arrière. Cette constitution permet de modifier aisément les caractéristiques dimensionnelles du fauteuil, soit pour l'adapter à l'utilisateur, soit à des fins d'analyse de l'influence des dimensions du fauteuil dans son ensemble, en relation avec la morphologie de l'utilisateur, ou de l'incidence, sur les différentes interactions mesurées, des positionnements relatifs des diverses parties du fauteuil. Le capteur angulaire de position de la roue est préférentiellement monté coulissant sur le bloc d'adaptation de manière à suivre les variations de voie, et relié à l'extrémité de l'arbre de roue. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite à titre d'exemple d'un fauteuil de test comportant deux roues instrumentées, conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective du fauteuil roulant conforme à l'invention, 8 la figure 2 est une vue du montage d'une roue motrice sur l'armature, la figure 3 est une vue en éclaté de la roue, la figure 4 est une vue en éclaté des moyens de mesure de position angulaire de la roue, - la figure 5 est une vue à échelle agrandie et en coupe de la roue, de ses moyens de guidage en rotation et des moyens de réglage de la voie. Le fauteuil selon l'invention comprend un châssis 1, portant une assise 2 et un dossier 3, et sur laquelle sont également montés un repose-pieds 4, les roues arrière motrices 5 et les roues avant directrices 6. Comme cela est décrit plus en détail dans la demande de brevet déposée simultanément à la présente et à laquelle il a déjà été fait référence ci-dessus, le châssis 1 est formé essentiellement par une armature constituée d'un assemblage d'éléments tubulaires reliés entre eux par des organes de liaison ajustables en position longitudinale sur lesdits éléments tubulaires ainsi qu'en orientation. L'assise, le dossier et les repose-pieds sont équipés de capteurs 71 à 74 destinés à mesurer les interactions, en forces et moments, de l'utilisateur avec le fauteuil dans les différentes zones de contact constituées par l'assise, le dossier et les repose-pieds. Pour une connaissance complète des interactions, reste donc à connaître celles entre les mains de l'utilisateur et les roues motrices. C'est à cette fin que sont destinées les roues instrumentées conformes à l'invention, qui vont être décrites ci-après. Chaque roue 5 comporte un moyeu 52 évidé sur lequel sont connectés de manière classique les rayons 53 de maintien de la jante 54. Un capteur six composantes 75 est fixé au fond du logement du moyeu 52. Un flasque rigide 55 est fixé sur le capteur 75. Le flasque 55 9 comporte des bras 551 s'étendant radialement jusqu'à proximité de la périphérie de la roue et sur les extrémités desquels la main courante 56 est fixée rigidement par des pattes 561 vissées. Le flasque est la seule pièce assurant la liaison mécanique entre la main courante et la roue. Le flasque est conformé de manière à être très rigide et à assurer la meilleure transmission possible des efforts et moments de la main courante 56 au capteur 75. Un couvercle 57 de finition et de protection recouvre la partie centrale du flasque et sa fixation sur le capteur, et participe également à la rigidité du flasque 55. Afin de réduire au maximum la masse totale de la roue instrumentée, la jante 54 est une jante de fauteuils sportifs en aluminium. Les rayons sont en kevlar. Le moyeu 52 a des formes et dimensions spécialement adaptées pour recevoir le capteur à six composantes 75, et il est réalisé en aluminium. La rigidité du flasque 55 permet que les efforts mesurés ne soient pas entachés par des erreurs liées à des déformations des éléments de liaison entre la main courante et la roue. De plus la distance entre roue et main-courante est conservée au voisinage de ce que l'on rencontre sur un fauteuil roulant manuel standard, soit environ 3cm, et, grâce à la rigidité du flasque 55, cette distance ne subit pas de variations sensibles malgré les efforts auxquels la main courante est soumise. La réalisation du flasque 55 à base de fibre de carbone, moulée en une seule pièce, permet de répondre aux besoins de rigidité et de faible masse. Le positionnement du capteur au centre de la roue facilite les calculs des forces et moments sur la main courante grâce au théorème du transfert des moments dès lors que sont connues les coordonnées du point d'application des forces, donc du point d'application de la main sur la main courante, ce qui est assuré par le 10 capteur de position tactile 76 équipant la main courante 56. Le capteur 76 est réalisé sous forme d'une bande tactile souple et collé à la surface de la main courante 56 sur tout son pourtour. Typiquement, la surface sensible de cette bande est de 170 cm de long, ce qui correspond à la circonférence d'une main-courante. Elle est composée de 64 capteurs de pression piézoélectriques mis bout à bout. Son électronique de conditionnement délivre une tension de sortie comprise entre 0 et 10V et proportionnelle à l'endroit où la pression mesurée et la plus élevée. Il est donc ainsi aisé de pouvoir calculer les coordonnées du point d'application de la main sur la main-courante. La résolution de mesure sur la longueur est liée au nombre d'éléments sensibles, c'est-à-dire 2,6 cm, compte tenu des dimensions indiquées ci-dessus. Cette résolution bien inférieure à la largeur d'une main est parfaitement adaptée aux besoins. La main courante est par ailleurs réalisée sous la forme d'un profilé creux en aluminium remplie d'une mousse expansive légère et rigide, de type IVOLEN ® par exemple. Cette constitution permet d'obtenir en surface une forme plane particulièrement bien adaptée pour le collage de la bande du capteur 76 de position de la main. De plus, elle confère à l'ensemble de la main courante une masse extrêmement légère, de l'ordre de 100 g. Un voile de protection 58 souple peut être ajouté pour couvrir la bande du capteur 76 et recouvrir l'espace entre la main courante et la roue. L'instrumentation du centre de la roue par le capteur 75, et de la surface de la main courante par le capteur 76, est complétée par un capteur angulaire 77, par exemple de type codeur à disque magnétique. Le capteur angulaire mesure de 0 à 360° en continu et permet d'enregistrer la rotation de la roue motrice afin de pouvoir mesurer les déplacements du fauteuil et de 11 connaître les positions angulaires des capteurs 75 placés dans les moyeux. Cela permet de calculer les grandeurs physiques au niveau de la roue dans un référentiel lié au châssis du fauteuil, de manière notamment à pouvoir combiner l'ensemble des mesures effectuées par les capteurs équipant les roues avec celles issues des capteurs 71 à 74 pour une connaissance complète de toutes les interactions entre utilisateur et fauteuil, en continu dans des conditions d'utilisation courantes. Chaque roue arrière instrumentée 5 est montée sur le châssis 1 du fauteuil par l'intermédiaire d'un bloc d'adaptation 9 assurant le support et le guidage en rotation de la roue, et de manière à permettre le réglage de voie, de carrossage et d'empattement. Pour cela, chaque roue 5 est liée rigidement à un arbre 51 monté libre en rotation dans un palier tubulaire 91 par des roulements 92, comme représenté figure 5. Le palier tubulaire 91 est monté réglable en coulissement dans le bloc d'adaptation 9 qui est lui-même monté réglable en coulissement et en pivotement sur le longeron latéral inférieur 12 du châssis. Ainsi, comme cela est schématisé par les flèches de la figure 2, l'empattement peut être ajusté par coulissement du bloc 9 sur le longeron latéral inférieur 12. Le carrossage peut être ajusté par pivotement du bloc 9 sur ledit longeron inférieur 12. Et la voie peut être ajustée par coulissement du palier tubulaire 91 dans ledit bloc 9, le maintien en position étant assuré par un système de verrouillage rapide 93 coopérant avec des rainures circulaires 911 réalisées sur ledit palier tubulaire 91. Le capteur angulaire 77 est monté sur un support 95 lié au bloc 9 par des broches 96 montées coulissantes dans le bloc 9 parallèlement à l'axe de rotation de la roue, et l'arbre des codeurs du capteur 77 est relié à l'extrémité de l'arbre de roue 51 par un jeu d'engrenages 96 par exemple en polypropylène. Le système de broches 12 coulissantes permet de faire suivre au capteur 77 les variations de voie du fauteuil, par un déplacement latéral correspondant du support 95. Le capteur de position 76 de la main courante est relié à un boîtier de conditionnement du signal solidaire de la roue. Ce boîtier et le capteur 75 sont connectés électriquement par des câbles 79 passant axialement dans l'arbre de roue 51, et connectés à la partie tournante d'un collecteur tournant multi-pistes 78. La partie fixe de ce collecteur, ainsi que le capteur de rotation 77 et les autres capteurs pouvant équiper le châssis, tels que les capteurs 71 à 74, sont reliés à une unité de saisie et de calcul et d'enregistrement des données, non représentée, implantée sur le fauteuil avec sa source d'énergie autonome. Cette unité de calcul peut aussi transmettre directement par liaison sans fil les données reçues des capteurs, ainsi qu'être pilotée à distance. Les signaux de sorties des capteurs sont de types analogiques et peuvent être exportés sur n'importe quel support d'acquisition analogique laissant ainsi de nombreuses possibilités de combinaison et de synchronisation de ce système avec d'autres outils de mesure complémentaires pour l'analyse de la locomotion en fauteuil roulant manuel. On notera que le système de roues instrumentées selon l'invention permet d'obtenir l'ensemble des informations utiles à l'analyse de la propulsion : forces dans les trois directions de l'espace, moments dans les trois directions, coordonnées du point d'appui, position angulaire de la roue, déplacement effectué et vitesse de déplacement. Avantageusement, ces informations sont regroupées avec celles issues des autres capteurs pouvant équiper le fauteuil roulant, comme déjà indiqué. Toutefois, notamment grâce à leur montage indépendant sur un bloc d'adaptation qui peut lui-même être adapté 13 sur tout tube de châssis, les roues selon l'invention peuvent être adaptées sur n'importe quel fauteuil manuel. REVENDICATIONS1. Roue instrumentée (5) pour un fauteuil roulant manuel adapté pour des tests d'ergonomie, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (75) de mesure des forces et moments appliqués sur la roue (5) par l'intermédiaire de la main courante (56) et des moyens (76, 77) de détermination de la position angulaire de la roue et de la position de la main de l'utilisateur sur la main courante. 2. Roue instrumentée selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mesure des forces et moments appliqués sur la roue comportent un capteur à six composantes (75), monté sur un moyeu (52) de la roue et la main courante (56) est reliée exclusivement et directement au dit capteur par un flasque rigide (55). 3. Roue instrumentée selon la revendication 2, caractérisée en ce que la main courante (56) est pourvue d'un capteur de position tactile (76) souple en forme de ruban placé à la surface de la main courante. 4. Roue instrumentée selon la revendication 3, caractérisée en ce que les signaux du capteur (75) de moyeu et du capteur de position tactile (76) sont transmis à un calculateur embarqué sur le fauteuil par une connexion filaire (79) passant dans l'arbre de roue (51) et par un collecteur tournant (78). 5. Roue instrumentée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est montée sur un bloc d'adaptation (9) ajustable, permettant d'adapter la voie et le carrossage des roues arrière (5) du fauteuil, ainsi que l'empattement entre roues avant et arrière. 15 6. Roue instrumentée selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre (51) fixé sur le moyeu (52) et monté en rotation dans un palier tubulaire (91) qui est monté réglable en coulissement dans le bloc d'adaptation (9). 7. Roue instrumentée selon la revendication 2, caractérisée en ce que le flasque (55) est réalisé à base de fibre de carbone, moulé en une seule pièce. 8. Roue instrumentée selon la revendication 3, caractérisée en ce que la main courante (56) est réalisée sous la forme d'un profilé creux en aluminium remplie d'une mousse expansive légère et rigide, et le capteur de position tactile (76) est réalisé sous forme d'une bande tactile souple et collée à la surface de la main courante (56) sur tout son pourtour. 9. Roue instrumentée selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur angulaire (77) monté coulissant sur le bloc d'adaptation et relié à l'extrémité de l'arbre de roue (1). 10. Fauteuil roulant manuel adapté pour des tests d'ergonomie, caractérisé en ce que ses roues motrices sont des roues instrumentées selon l'une quelconque des revendications précédentes, et en ce qu'il comporte des capteurs (71 à 74) destinés à mesurer les interactions de l'utilisateur avec le fauteuil dans les différentes zones de contact constituées par l'assise (2), le dossier (3) et les repose-pieds (4).