Brevet FR2960420A1 — publié le 20111202

Fauteuil roulant adapté pour tests La présente invention concerne un fauteuil roulant et plus particulièrement la structure de châssis de fauteuil roulant adapté pour effectuer des tests et mesures en ergonomie. Elle concerne encore plus particulièrement un châssis 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 : - Le déplacement du FRM pour évaluer son utilisation, 2 - 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 dispositifs connus comportent en particulier des capteurs de position ou de vitesse angulaire des roues, des 3 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 WO9949827 décrit l'utilisation de capteurs de charge sur un fauteuil roulant, mais il s'agit là uniquement d'assurer l'équilibre d'un fauteuil roulant motorisé sur un terrain en pente. De plus, les systèmes connus ne permettent pas de prendre en compte et d'expérimenter les variations de mesures pouvant résulter de variations dimensionnelles du fauteuil, ces paramètres nécessitant alors d'équiper plusieurs fauteuils de dispositifs de mesure, ou de procéder à de nouvelles adaptations de chaque dispositif de mesure lors d'un changement de fauteuil. Il a donc été constaté que les différentes solutions techniques précédemment imaginées ne permettent pas de mesurer l'ensemble des grandeurs biomécaniques en situation réelle, dans la rue par exemple ou sur des terrains de diverses natures (goudrons, terre battue, 4 pavés, etc._), et ne permettent pas d'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 un fauteuil roulant manuel adapté pour des tests d'ergonomie, comportant un châssis supportant une assise et un dossier et sur lequel sont montées des roues latérales et le fauteuil étant pourvu de capteurs de mesures. Selon l'invention, le fauteuil roulant est caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs dynamométriques à six composantes disposés au niveau de l'assise et du dossier pour mesurer les forces et moments exercés par l'utilisateur sur l'assise et le dossier, et des capteurs d'accélération et d'inclinaison du fauteuil. Préférentiellement, le fauteuil comporte aussi des capteurs dynamométriques à six composantes au niveau des repose-pieds, pour mesurer les forces et moments exercés par chaque pied de l'utilisateur sur les repose-pieds. L'invention permet de mesurer les efforts au niveau de l'assise, du dossier, et des repose-pieds, ainsi qu'au niveau des mains-courantes comme on le verra par la suite, le châssis du fauteuil étant également conçu pour accueillir en supplément des roues de mesures spécifiques pour l'évaluation des actions mécaniques lors de la propulsion manuelle, comme cela est décrit dans la demande de brevet déposée simultanément à la présente, par le même demandeur. Le dispositif permet de mesurer aussi les accélérations, l'inclinaison du FRM, la position des mains sur les mains-courantes, et aussi les distances parcourues. Les capteurs dynamométriques à six composantes 5 permettent de mesurer les forces et les moments dans les trois dimensions, sur l'assise et sur le dossier ; un accéléromètre trois composantes et un inclinomètre deux composantes complètent cette instrumentation pour permettre de relier les mesures des interactions entre l'utilisateur et le fauteuil, avec les caractéristiques du milieu où le fauteuil se déplace, et cela en permanence pendant une utilisation courante dudit fauteuil. Les données mesurées sont traitées par un calculateur avec enregistreur, embarqués 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. Selon une disposition constructive particulière, le châssis est constitué au moins en partie d'éléments tubulaires assemblés entre eux par des organes de liaison ajustables en position, pour permettre d'adapter les dimensions du fauteuil et les positions relatives des éléments tubulaires. En particulier, le fauteuil pourra comporter un support de roues arrière 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, 6 des positionnements relatifs des diverses parties du châssis. On pourra par exemple analyser l'incidence de la position longitudinale de l'assise par rapport à l'ensemble du châssis, ou de la position de l'assise par rapport aux roues arrière, etc. Préférentiellement, les éléments tubulaires constitutifs du châssis sont en fibre de carbone, assemblés par des organes de liaison en matière plastique composite. La réduction de masse qui résulte de l'utilisation de matériaux légers permet de compenser l'augmentation de poids due à l'appareillage de mesure embarqué, tout en conservant une grande rigidité mécanique du châssis, malgré une structure à assemblages réglables susceptible de nuire encore à la masse et à la rigidité. Globalement le fauteuil conserve, malgré ce surcroît d'équipement, une masse voisine de celle d'un fauteuil standard. A titre indicatif, le surpoids des équipements de mesure et des batteries nécessaires à leur alimentation est de près de 25 kg ; malgré cela la masse du fauteuil complet a pu être maintenue à environ 30 kg, proche de celle d'un fauteuil classique. Ainsi, il n'y a pas de modifications sensibles des interactions entre utilisateur et fauteuil, par rapport à ce qu'elles seraient avec un fauteuil standard. L'utilisation de fibre de carbone répond aussi au besoin de conserver une grande rigidité mécanique du châssis, malgré sa structure à assemblages réglables. On notera que l'intérêt d'un châssis multi-réglages est de pouvoir proposer à l'utilisateur un large panel de configurations possibles et donc de donner plus d'informations sur l'impact des réglages dimensionnels possibles. Le châssis permet aussi d'adapter les essais à des personnes handicapées d'âge, de morphologie et de pathologies différentes. Le fauteuil selon l'invention a donc été conçu de sorte à disposer de l'ensemble des principaux réglages 7 présents sur les FRM classiques ; à savoir : longueur et largeur d'assise, largeur et hauteur du dossier, longueur de potence de repose-pieds, profondeur d'assise, hauteur de l'assise à l'arrière et à l'avant, hauteur des repose- pieds, inclinaison du système de soutien du corps, inclinaison du dossier, inclinaison des potences, carrossage et voies des roues motrices, empattement entre roues directrices et roues motrices, position en translation antéropostérieure du système de soutien du corps par rapport au châssis, angle des pivots des roues directrices. Selon une disposition particulière, chaque capteur dynamométrique à six composantes est situé entre une plaque-support liée rigidement à l'armature tubulaire et une platine de transmission d'effort constituant l'assise, le dossier ou le repose-pied, respectivement. Les plaques-supports et/ou les platines sont en fibre de carbone, et encore préférentiellement avec une structure en nid d'abeille, afin d'en réduire le poids tout en assurant la rigidité nécessaire pour transmettre aux capteurs les forces exercées par l'utilisateur sur les différentes platines de transmission d'effort, avec la plus grande précision possible, sans atténuations ou altérations qui pourraient sinon résulter d'une déformation des dites plaques ou platines. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite à titre d'exemple d'un fauteuil 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, - la figure 2 est une vue de côté du fauteuil, 8 - la figure 3 est une vue en éclaté du fauteuil montrant notamment l'armature assemblée, - la figure 4 est une vue en éclaté de l'armature, - la figure 5 est une vue du montage d'une roue motrice sur l'armature, - la figure 6 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, - la figure 7 est une vue de détail des moyens de réglage de la voie et de l'empattement, - la figure 8 illustre la fixation des platines de transmission d'effort sur les capteurs. 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. Le châssis 1 est formé essentiellement par une armature constituée d'un assemblage d'éléments tubulaires qui comportent notamment, de chaque côté de l'armature : - un longeron supérieur 11, - un longeron inférieur 12, un montant avant 13, reliant le longeron inférieur et le longeron supérieur vers l'avant du châssis, et supportant le repose-pieds, un montant arrière 14 reliant les longerons inférieur et supérieur vers l'arrière du châssis, - un montant de dossier 15, - un pivot 16 de support de roue directrice avant. 30 Les deux côtés de l'armature ainsi constituée sont reliés par des tubes de traverse arrière 17, une plaque de support d'assise 21 fixée sur les longerons supérieurs 11, une plaque de support de dossier 31 fixée sur les 35 montants de dossier 15, une plaque de support de repose- pieds 41 fixée vers les extrémités inférieures des 9 montants avant 13. La plaque de support de dossier 31 est aussi reliée par un tube raidisseur 18 sur un des tubes de traverse arrière 17. L'assise 2 est formée d'une platine 22, recouverte d'une matelassure fine en mousse, fixée sur un premier capteur à six composantes 71 qui est lui-même fixé sur la plaque de support d'assise 21. De manière similaire, le dossier 3 comporte une platine 32 fixée sur un deuxième capteur à six composantes 72 qui est lui-même fixé sur la plaque de support de dossier 31. Et chaque palette 42 de repose-pied est également fixée respectivement sur un troisième et un quatrième capteur 73, 74 à six composantes qui sont tous deux fixés sur la plaque de support de repose-pieds 41. Les éléments tubulaires sont en fibre de carbone, de même que les plaques de support 21, 31, 41 et les platines 22, 32, 42. Celles-ci sont préférentiellement constituées d'une couche médiane en nid d'abeille recouvert de part et d'autres de plusieurs couches de fibres de carbone tissées. Cette constitution permet d'obtenir une masse faible, par exemple de l'ordre de quelques centaines de grammes pour une platine, tout en assurant une grande rigidité permettant une transmission optimale des forces et moments aux capteurs sur lesquels elles sont fixées. Tous les assemblages de tubes entre eux sont assurés par des organes de liaison 8 réalisés en matière plastique composite, de manière à en réduire aussi la masse au maximum. Ces organes de liaison comportent généralement deux colliers à brides 81, 82 assemblés entre eux de manière réglable en rotation. Les colliers à brides 81 sont montés serrés aux extrémités des tubes. Les colliers à brides 82 permettent de régler selon les besoins le positionnement des organes de liaison sur les tubes, par coulissement, et de les maintenir ensuite en position par serrage. Le réglage en rotation des organes 10 de liaison permet de régler aussi les inclinaisons relatives des tubes de l'armature. Les plaques de support 21, 31, 41 sont également fixées sur les tubes par des colliers à brides coulissants 82 permettant un ajustement à la demande de la position de l'assise, du dossier et des repose-pieds par rapport à l'armature de châssis. Par exemple, l'assise pourra ainsi être facilement déplacée vers l'arrière ou l'avant pour modifier la répartition des masses sur le train avant et le train arrière du fauteuil. La position en hauteur du dossier pourra de même être ajustée pour modifier le niveau de soutien du dos, et les repose-pieds seront aussi ajustables en hauteur pour adaptation à la longueur de jambes. Le dossier est aussi ajustable en position vers l'arrière ou l'avant par coulissement des organes de liaison 8 des montants de dossier 15 sur les longerons supérieurs 11, ceci afin de pouvoir être adapté par exemple à des modifications de la profondeur d'assise. Le dossier est aussi ajustable en inclinaison grâce aux organes de liaison 8 qui fixent les montants de dossier 15 sur les longerons supérieurs, et au réglage en longueur du tube raidisseur qui le soutien. Afin de pouvoir adapter au mieux le fauteuil à la morphologie de son utilisateur, on pourra aussi utiliser des plaques et platines de largeur et longueur variables, interchangeables facilement grâce à leur fixation par brides ajustables en position par coulissement sur les éléments tubulaires. Les platines d'assise et de dossier en carbone venant prendre place sur la surface des capteurs peuvent aussi être réalisées sur mesure en fonction des caractéristiques morphologiques de largeur d'assise, de profondeur d'assise, de hauteur de dossier et de largeur de dossier. Il est ainsi possible de disposer d'autant de plaques que nécessaire en fonctions des utilisateurs que l'on souhaite étudier. 11 Les roues arrière 5 sont montées sur le châssis 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. Le palier tubulaire est monté réglable en coulissement dans un bloc de support de roue 9 qui est lui-même monté réglable en coulissement et en pivotement sur le tube latéral inférieur 12. Ainsi, comme cela est schématisé par les flèches des figures 5 et 7, l'empattement peut être ajusté par coulissement du bloc support 9 sur le tube latéral inférieur 12. Le carrossage peut être ajusté par pivotement du bloc support 9 sur ledit tube latéral 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. Un système de verrouillage rapide 94 de type similaire peut aussi être utilisé pour immobiliser le bloc support 9 en translation sur le tube inférieur 12, comme représenté figure 7. Les quatre capteurs dynamométriques à six composantes 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 une ouverture totale avec la combinaison et la synchronisation de ce système à d'autres outils de mesure complémentaires pour l'analyse de la locomotion en fauteuil roulant manuel. 15 REVENDICATIONS1. Fauteuil roulant manuel adapté pour des tests d'ergonomie, comportant un châssis (1) supportant une assise (2) et un dossier (3) et sur lequel sont montées des roues latérales (5) et le fauteuil étant pourvu de capteurs de mesures, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs dynamométriques à six composantes (71, 72, 73) disposés au niveau de l'assise et du dossier pour mesurer les forces et moments exercés par l'utilisateur sur l'assise et le dossier. 2. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte aussi des capteurs dynamométriques à six composantes (72, 73) au niveau des repose-pieds. 3. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des capteurs d'accélération et d'inclinaison, liés au châssis. 20 4. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le châssis (1) est constitué au moins en partie d'éléments tubulaires (11 à 18) assemblés entre eux par des organes de liaison (8) ajustables en position. 25 5. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un support de roues arrière (9) ajustable, permettant d'adapter la voie et le carrossage des roues arrière (5), ainsi que l'empattement 30 entre roues avant et arrière. 6. Fauteuil roulant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments tubulaires (11 à 18) constitutifs du châssis (1) sont en fibre de carbone. 13 7. Fauteuil roulant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les organes de liaison (8) sont en matière plastique composite et comportent deux colliers à brides (81, 82) assemblés entre eux de manière réglable en rotation. 8. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque capteur dynamométrique à six composantes est situé entre une plaque-support (21, 31, 41) liée rigidement à l'armature tubulaire et une platine de transmission d'effort (22, 32, 42) constituant l'assise, le dossier ou le repose-pied, respectivement. 9. Fauteuil roulant selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plaques-supports (21, 31, 41) et/ou les platines (22, 32, 42) sont en fibre de carbone. 10. Fauteuil roulant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs sont reliés à un calculateur avec enregistreur, embarqué sur le fauteuil.25