Brevet FR3062058A1 — publié le 20180727

La présente invention concerne un gant exosquelette robotisé à retour de force permettant de : - Ressentir des objets virtuels en 3D, - Rééduquer la main après un traumatisme ou une maladie, - Piloter à distance des mains robotisés avec la transmission de la sensation du touché. Manipulation d'objets virtuels à l'aide d'un casque de Réalité Virtuelle : La captation des mouvements des mains dans les mondes virtuels ne permet pas, dans l'état actuel d'avancé technologique, de ressentir le toucher des objets 3D avec ses mains. Cela est très déstabilisant en Réalité Virtuelle, car les mains traversent les objets dans la 3D sans que l'utilisateur 10 ne ressente leur contact. Cette sensation altère sensiblement l'immersivité de l'expérience virtuelle. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus présentés, le gant robotisé permet de capter avec précision les mouvements de l'opérateur grâce au capteur (20) positionnés sur chacune des articulations afin de contrôler une main virtuelle et de reproduire mécaniquement la contrainte de contact avec les objets en 3D. L'utilisateur peut ressentir l'objet virtuel comme s'il le tenait dans sa main. Rééducation des traumatismes de la main et des maladies de la main : Aujourd'hui des orthèses sont fabriquées sur mesure pour chaque patient. Les patients utilisent ces orthèses afin de rééduquer leurs mains. Les patients exécutent des exercices qui ne reproduisent dans 20 la plupart du temps qu'un seul mouvement. Les orthèses sont fastidieuses à utiliser, le praticien ne peut pas mesurer précisément la progression du patient. Pour les exercices manuels, il doit se consacrer à un seul patient à la fois. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus présentés, l'utilisation du gant robotisé permet au praticien de personnaliser un programme facilement en reproduisant lui-même les gestes avec le gant robotisé. 25 Le gant va mémoriser la séquence. Le praticien enregistre à l'aide d'un logiciel les mouvements et la cadence qu'il souhaite voir exécuter par le patient. Chaque exercice est enregistré et permet de tracer la progression du patient. Le gant robotisé est connecté à une application sur tablette tactile où sur un ordinateur. Cette application en 3D ludique sous forme de jeux interactif l'encourage, le stimule et l'informe de ses progrès. Le gant robotisé peut également être utilisé par des personnes n'ayant plus 30 assez de force dans la main pour saisir les objets de la vie courante. L'utilisateur porte le gant et exerce une légère pression au bout des doigts. Le gant suit mécaniquement la pression de ses doigts. Le relâchement de cette pression permet la réouverture de la main. 35 Contrôle d'une main robotisée à distance : Il existe aujourd'hui des mains robotique et des gants souples pour les contrôler. Ces gants souples renvoient uniquement à la main robotisée une position approximative des doigts. Il n'y a pas de transmission mécanique de la main robot au gant de l'utilisateur. Avec les gants souples, il n'est pas possible de retransmettre les efforts que la main robotisée rencontre, lorsqu'elle interagie avec un objet 40 solide. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus présentés, le gant robotisé permet précisément de contrôler à distance une main robotisée. Grâce à la structure rigide du gant robotisé, l'utilisateur peut sentir : - Le volume et le contact des objets saisis par la main robot. - La force de préhension qu'il faut exercer pour tenir l'objet au travers de la main robot. 45 - Des vibrations qui indiquent à l'utilisateur que la main robot rencontre ou touche un objet. Le gant robotisé selon l'invention permet de remédier aux inconvenants des solutions actuellement utilisées. Son principe de fonctionnement permet de couvrir quatre modes opératoires afin de répondre 50 à l'ensemble de ces besoins. ler Mode : Le gant est complètement libre, l'utilisateur peut bouger librement sa main sans ressentir de contrainte. 2ème Mode : Le gant va se rigidifier en exerçant une contrainte mécanique sur chaque articulation de la main. Cette résistance est entièrement paramétrable et indépendante sur chaque articulation. 55 3eme Mode : Le gant peut bloquer chaque articulation indépendamment les uns des autres. L'utilisateur ne pourra plus bouger les articulations bloquées. 4eme Mode : Le gant prendra le contrôle mécaniquement de la main, et pourra mouvoir chaque articulation dans la position pilotée par le logiciel. 15 3062058 2 Dans chacun de ces modes, le gant transmettra en temps réel au logiciel les positions précises de chaque articulation de la main. 5 Domaines d'applications : - La simulation et les interactions dans les environnements virtuels (domaine industriel, jeux vidéo, simulateurs, visite virtuelle) - La rééducation fonctionnelle de la main ou l'assistance gestuelle pour les personnes ayant des déficiences de motricité de la main (Domaine Médical). - Le pilotage et le contrôle des robots à distance (Domaine Industriel et Militaire). Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette composé : - d'un ensemble de motorisation déporté dans le dos. La motorisation du gant (15) est localisée dans le dos de l'utilisateur pour optimiser la répartition du poids du système tout en préservant le confort de l'utilisateur. - de deux gants, - d'un harnais porteur(12), - d'un boîtier de commande avec écran et boutons de contrôle (13), - d'une batterie (14), - d'un module de communication sans fil intégré dans le boitier de commande (13), - de dix modules moteurs placés dans le dos (15), ces modules motorisés sont reliés aux articulations par un câble glissant dans une gaine doublée en téflon (11), chaque module contrôle un doigt. -d'une centrale inertielle (22) pour capturer la localisation de la main dans l'espace sur 6 axes de liberté. 30 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette caractérisé en ce que le gant exosquelette robotisé à retour de force permette d'alterner 4 modes de fonctionnement, indépendamment sur chaque articulation. Caractérisé par l'utilisation d'un moteur (3) connecté à un galet d'entraînement (4). Ce moteur est monté sur un chariot qui lui-même est 35 motorisé (5). Un câble va et vient (6) connecté d'un coté à l'articulation et de l'autre au galet, permet le blocage ou le mouvement de l'articulation. Ce câble effectue plusieurs tours autour du galet (6). Le chariot moteur (5) est pourvu de plusieurs gorges circulaires (21) entourant le galet afin d'éviter que le câble ne s'emmêle et finisse par se bloquer autour du galet. Il y a autant de gorges que de tours du câble entourant le galet. Ces gorges ont pour fonction 40 d'accueillir le câble lors de son extension. Mode 01: Quand les câbles ne sont pas tendus, l'articulation (20) reste libre Le câble (6) se loge dans les gorges (21). Mode 02 : Pour tendre les câbles, le chariot (5) va effectuer une translation afin d'éloigner le moteur et le galet du support (7) qui bloque les gaines. Un potentiomètre (8) indique la mesure de la translation 45 du chariot au calculateur. Quand la tension du câble augmente, il va se serrer sur le galet et entrer en friction avec lui (fig.8). L'articulation pourra toujours bouger mais elle résistera. La multiplication des tours autour du galet permet d'augmenter la surface de friction entre le galet et le câble, et donc la résistance de l'articulation. Mode 03 : En continuant la translation du chariot, le câble va serrer fortement le galet. Le moteur (3) 50 étant verrouillé, le câble va se bloquer et va donc également bloquer l'articulation du doigt (fig.9). Mode 04 : Le moteur tourne avec le galet. Il va entrainer le câble qui est en liaison serrage autour du galet. La rotation du moteur entraine le mouvement de l'articulation (fig.10). 55 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un dispositif d'extension mécanique et automatique des doigts (fig.3) caractérisé par déportation de l'axe de rotation de l'articulation naturelle de la main (2) sur l'axe mécanique du gant (1). 20 25 3062058 3 L'extension du doigt se fait proportionnellement en fonction de la courbure de l'articulation (1). Cette extension est représentée par l'intervalle A et B sur la figure (fig. 3). Elle est automatique et s'ajuste en actionnant deux moteurs spécifiques par doigt (16). La mobilité d'un doigt se définit par 5 axes de rotation et 3 axes de translation (fig.15). Sans cette extension, il serait impossible de plier le doigt. Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un dispositif de réglage ergonomique de l'ensemble selon l'une quelconque des revendications précédente en 10 fonction de la taille des doigts caractérisé par une molette (9) disposée à chaque extrémité des doigts. En tournant cette molette, l'utilisateur peut affiner le réglage du gant (10) à la taille de ses doigts. Chaque extrémité des doigts est recouverte d'une matière en caoutchouc tactile antidérapante (10) afin que l'utilisateur puisse saisir des objets dans son environnement. La matière en caoutchouc tactile permet à l'utilisateur d'utiliser des écrans tactiles. 15 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un dispositif de transmission des forces mécaniques par câble, avec doublage de gaine en téflon superposées l'une sur l'autre (11) caractérisé par la superposition de deux gaines, afin de garder le maximum de flexibilité de la gaine sans que la pression exercée sur les câbles ne la compresse. Les deux gaines téflon (11) glissent entre elles et se renforcent mutuellement pour résister à l'écrasement résultant de l'effort mécanique exercé sur les câbles. Du fait de la longueur des gaines, sans ce doublement, la gaine unique serait plus épaisse afin de supporter l'écrasement, et deviendrait trop rigide à la flexion. Cette rigidité contraindrait l'utilisateur dans le mouvement de ses mains. Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un dispositif de rangement ergonomique des gants (fig.1 ) caractérisé par deux clips de fixation (16) où 30 s'attachent les gants, placé idéalement sur le harnais à hauteur de la poitrine afin que l'utilisateur puisse s'équiper avec le harnais, puis passer les gants l'un après l'autre. Cette configuration permet de simplifier la phase d'équipement du système. 35 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un capteur de pression permettant au gant d'interpréter l'intention de mouvement de l'utilisateur caractérisé par des capteurs de pression placés à chaque extrémité des doigts (17). Ces capteurs permettent de contrôler la pression que l'utilisateur exerce sur le gant. Si l'utilisateur applique une trop forte pression qui risquerait d'endommager le gant, le chariot (5) libère 40 automatiquement la tension des câbles de toutes les articulations du doigt concerné. Ces capteurs permettent de mesurer les efforts de l'utilisateur dans le cadre d'exercices de rééducation, afin de tracer son suivi et sa progression. Dans le mode d'assistance pour les personnes ayant des déficiences motrices de la main, ces capteurs détectent l'intention de fermer ou d'ouvrir la main. Une pression du doigt de l'utilisateur sur le capteur, indique au 45 gant de se fermer, et une faible pression du doigt de l'utilisateur verrouille le doigt du gant dans la position actuelle. Un relâchement de la pression du doigt de l'utilisateur réouvre le doigt. Ce mode peut être utilisé par les personnes souhaitant retrouver une mobilité de leurs mains et par la même leur autonomie. 50 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un vibreur à l'extrémité des doigts pour simuler un contact avec des objets virtuels ou réels. Caractérisé par un petit vibreur (18) qui s'active quand la main virtuelle entre en contact avec les surfaces présentes dans l'environnement 3D. Ce vibreur est aussi utilisé lors de la connexion avec une 55 main robot à distance. La vibration indique à l'utilisateur le moment où la main robot entre en contact avec un objet solide. Différentes phases de vibrations permettent de simuler plusieurs types de sensations de contacts. Une forte et longue vibration indique le frottement d'une surface rugueuse, une vibration douce et longue indique le frottement d'une surface lisse, une 5 25 3062058 4 vibration forte courte indique un impact. Un éventail de plusieurs jeux de vibrations avec des phases prédéfinies permettent d'augmenter la sensation du touché. 5 Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette comprenant un axe alterné pour la connexion entre les articulations des doigts caractérisé par une intégration des capteurs et de l'emprise des câbles dans un espace réduit (19). Les connexions entre les articulations sont alternées (19) afin d'éviter qu'elles n'entrent en collision, entre les doigts adjacents. Une conception rainurée circulaire permet de rigidifier et de stabiliser l'articulation pour qu'elle ne 10 se déforme pas, ou qu'elle ne torde le doigt dans le mauvais axe. Ces rainures s'emboîtent entre elles et augmentent la surface de portage entre deux articulations. Procédé de calibrage du gant de l'ensemble caractérisé par une phase d'enregistrement de tous 15 les capteurs du gant au démarrage de l'application. L'utilisateur visualise une main virtuelle sur son écran. Il doit faire concorder les positions de sa main dans le gant avec ce qu'il lui est montré sur l'écran. L'utilisateur suit une succession de positions correspondant aux positions de la main virtuelle affichée sur son écran. C'est à ce moment que le gant détermine la taille de la main de l'utilisateur, et qu'il peut modifier la morphologie du gant pour correspondre à 20 la morphologie de la main de l'utilisateur. L'utilisateur peut enregistrer son profil. 25 REVENDICATIONS1) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette composé : - d'un ensemble de motorisation déporté dans le dos. La motorisation du gant (15) est localisée dans le dos de l'utilisateur pour optimiser la répartition du poids du système tout en préservant le confort de l'utilisateur. - de deux gants, - d'un harnais porteur (12), - d'un boîtier de commande avec écran et boutons de contrôle (13), - d'une batterie (14), - d'un module de communication sans fil intégré dans le boitier de commande (13), - de dix modules moteurs placés dans le dos (15), ces modules motorisés sont reliés aux articulations par un câble glissant dans une gaine doublée en téflon (11), chaque module contrôle un doigt. -d'une centrale inertielle (22) pour capturer la localisation de la main dans l'espace sur 6 axes de liberté. 2) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gant exosquelette robotisé à retour de force permette d'alterner 4 modes de fonctionnement, indépendamment sur chaque articulation. Caractérisé par l'utilisation d'un moteur (3) connecté à un galet d'entraînement (4). Ce moteur est monté sur un chariot qui lui-même est motorisé (5). Un câble va et vient (6) connecté d'un coté à l'articulation et de l'autre au galet, permet le blocage ou le mouvement de l'articulation. Ce câble effectue plusieurs tours autour du galet (6). Le chariot moteur (5) est pourvu de plusieurs gorges circulaires (21) entourant le galet afin d'éviter que le câble ne s'emmêle et finisse par se bloquer autour du galet. Il y a autant de gorges que de tours du câble entourant le galet. Ces gorges ont pour fonction d'accueillir le câble lors de son extension. Mode 01: Quand les câbles ne sont pas tendus, l'articulation (20) reste libre Le câble (6) se loge dans les gorges (21). Mode 02 : Pour tendre les câbles, le chariot (5) va effectuer une translation afin d'éloigner le moteur et le galet du support (7) qui bloque les gaines. Un potentiomètre (8) indique la mesure de la translation du chariot au calculateur. Quand la tension du câble augmente, il va se serrer sur le galet et entrer en friction avec lui (fig.8). L'articulation pourra toujours bouger mais elle résistera. La multiplication des tours autour du galet permet d'augmenter la surface de friction entre le galet et le câble, et donc la résistance de l'articulation. Mode 03 : En continuant la translation du chariot, le câble va serrer fortement le galet. Le moteur (3) étant verrouillé, le câble va se bloquer et va donc également bloquer l'articulation du doigt (fig.9). Mode 04 : Le moteur tourne avec le galet. Il va entrainer le câble qui est en liaison serrage autour du galet. La rotation du moteur entraine le mouvement de l'articulation (fig.10). 3) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un dispositif d'extension mécanique et automatique des doigts (fig.3) caractérisé par déportation de l'axe de rotation de l'articulation naturelle de la main (2) sur l'axe mécanique du gant (1). L'extension du doigt se fait proportionnellement en fonction de la courbure de l'articulation (1). Cette extension est représentée par l'intervalle A et B sur la figure (fig. 3). Elle est automatique et s'ajuste en actionnant deux moteurs spécifiques par doigt (16). La mobilité d'un doigt se définit par 5 axes de rotation et 3 axes de translation (fig.15). Sans cette extension, il serait impossible de plier le doigt. 4) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un dispositif de réglage ergonomique de l'ensemble selon l'une quelconque des revendications précédente en fonction de la taille des doigts 3062058 6 5 caractérisé par une molette (9) disposée à chaque extrémité des doigts. En tournant cette molette, l'utilisateur peut affiner le réglage du gant (10) à la taille de ses doigts. Chaque extrémité des doigts est recouverte d'une matière en caoutchouc tactile antidérapante (10) afin que l'utilisateur puisse saisir des objets dans son environnement. La matière en caoutchouc tactile permet à l'utilisateur d'utiliser des écrans tactiles. 5) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un dispositif de transmission des forces mécaniques 10 par câble, avec doublage de gaine en téflon superposées l'une sur l'autre (11) caractérisé par la superposition de deux gaines, afin de garder le maximum de flexibilité de la gaine sans que la pression exercée sur les câbles ne la compresse. Les deux gaines téflon (11) glissent entre elles et se renforcent mutuellement pour résister à l'écrasement résultant de l'effort mécanique exercé sur les câbles. Du fait de la longueur des gaines, sans ce doublement, la gaine unique 15 serait plus épaisse afin de supporter l'écrasement, et deviendrait trop rigide à la flexion. Cette rigidité contraindrait l'utilisateur dans le mouvement de ses mains. 6) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des 2,0 revendications précédentes comprenant un dispositif de rangement ergonomique des gants (fig.1 ) caractérisé par deux clips de fixation (16) où s'attachent les gants, placé idéalement sur le harnais à hauteur de la poitrine afin que l'utilisateur puisse s'équiper avec le harnais, puis passer les gants l'un après l'autre. Cette configuration permet de simplifier la phase d'équipement du système. 25 7) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un capteur de pression permettant au gant d'interpréter l'intention de mouvement de l'utilisateur caractérisé par des capteurs de pression placés à 30 chaque extrémité des doigts (17). Ces capteurs permettent de contrôler la pression que l'utilisateur exerce sur le gant. Si l'utilisateur applique une trop forte pression qui risquerait d'endommager le gant, le chariot (5) libère automatiquement la tension des câbles de toutes les articulations du doigt concerné. Ces capteurs permettent de mesurer les efforts de l'utilisateur dans le cadre d'exercices de rééducation, afin de tracer son suivi et sa progression. 35 Dans le mode d'assistance pour les personnes ayant des déficiences motrices de la main, ces capteurs détectent l'intention de fermer ou d'ouvrir la main. Une pression du doigt de l'utilisateur sur le capteur, indique au gant de se fermer, et une faible pression du doigt de l'utilisateur verrouille le doigt du gant dans la position actuelle. Un relâchement de la pression du doigt de l'utilisateur réouvre le doigt. Ce mode peut être utilisé par les personnes souhaitant 40 retrouver une mobilité de leurs mains et par la même leur autonomie. 8) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un vibreur à l'extrémité des doigts pour simuler un 45 contact avec des objets virtuels ou réels. Caractérisé par un petit vibreur (18) qui s'active quand la main virtuelle entre en contact avec les surfaces présentes dans l'environnement 3D. Ce vibreur est aussi utilisé lors de la connexion avec une main robot à distance. La vibration indique à l'utilisateur le moment où la main robot entre en contact avec un objet solide. Différentes phases de vibrations permettent de simuler plusieurs types de sensations de 50 contacts. Une forte et longue vibration indique le frottement d'une surface rugueuse, une vibration douce et longue indique le frottement d'une surface lisse, une vibration forte courte indique un impact. Un éventail de plusieurs jeux de vibrations avec des phases prédéfinies permettent d'augmenter la sensation du touché. 55 9) Ensemble permettant la motorisation d'un gant exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un axe alterné pour la connexion entre les articulations des doigts caractérisé par une intégration des capteurs et de l'emprise des câbles dans un espace réduit (19). Les connexions entre les articulations sont alternées (19) afin d'éviter 15 3062058 7 qu'elles n'entrent en collision, entre les doigts adjacents. Une conception rainurée circulaire permet de rigidifier et de stabiliser l'articulation pour qu'elle ne se déforme pas, ou qu'elle ne torde le doigt dans le mauvais axe. Ces rainures s'emboîtent entre elles et augmentent la surface de portage entre deux articulations. 5 10) Procédé de calibrage du gant de l'ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par une phase d'enregistrement de tous les capteurs du gant au démarrage de l'application. L'utilisateur visualise une main virtuelle sur son écran. Il doit 10 faire concorder les positions de sa main dans le gant avec ce qu'il lui est montré sur l'écran. L'utilisateur suit une succession de positions correspondant aux positions de la main virtuelle affichée sur son écran. C'est à ce moment que le gant détermine la taille de la main de l'utilisateur, et qu'il peut modifier la morphologie du gant pour correspondre à la morphologie de la main de l'utilisateur. L'utilisateur peut enregistrer son profil.