Brevet FR3090101A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Capteur de force normale à une surface Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine des capteurs de force et plus particulièrement les capteurs de force. [0002] ARRIERE PLAN DE L'INVENTION [0003] Un capteur de force normale comprend généralement une cellule de mesure comportant un élément sensible à un effort ponctuel ou réparti sur une surface déterminée-généralement de taille inférieure à un centimètre carré. Pour la mesure d'un effort de force normale appliqué sur une plus grande surface telle qu'un segment de pied d'exosquelette sur lequel s'appuie une semelle de chaussure, il est courant d'utiliser un dispositif comprenant une pluralité de capteurs répartis sous la semelle et d'en additionner les mesures. Ce type de dispositif est coutcux et présente une sensibilité importante à la position du point d'appui sur la semelle. Ainsi, dans des situations de marche au cours de laquelle le point d'appui de la semelle sur le segment de pied se déplace, la précision de la mesure varie et une commande d'assistance qui utiliserait la mesure de pression sur la semelle serait imprécise voire inadaptée. [0004] OBJET DE L'INVENTION [0005] Un but de l'invention est d'améliorer la précision d'un capteur de force normale. Résumé de l'invention [0006] A cet effet, on prévoit un capteur de force normale comprenant une platine, une cellule de mesure comprenant un élément sensible à un effort ponctuel, un premier segment comprenant un premier point d'appui en appui sur la platine et un deuxième point d'appui en appui sur l'élément sensible de la cellule de mesure, un deuxième segment comprenant un troisième point d'appui en appui sur la platine et un quatrième point d'appui en appui sur le premier segment, un troisième segment comprenant un cinquième point d'appui en appui sur le premier segment et un sixième point d'appui en appui sur le deuxième segment. Le projeté orthogonal du cinquième point d'appui sur une droite reliant le premier point d'appui et le troisième point d'appui est séparé du premier point d'appui par une première distance. Le projeté orthogonal du quatrième point d'appui sur une droite reliant le premier point d'appui et le troisième point d'appui est séparé du premier point d'appui par une deuxième distance. Le projeté orthogonal du sixième point d'appui sur une droite reliant le premier point d'appui et le troisième point d'appui est séparé du troisième point d'appui par une troisième distance. Le projeté orthogonal du quatrième point d'appui sur une droite reliant le premier point d'appui et le troisième point d'appui est séparé du troisième 2 point d'appui par une quatrième distance. Selon l'invention, le premier point de liaison ainsi que les deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième points d'appui étant disposés de manière à ce que le premier ratio de la première distance sur la deuxième distance est égal à plus ou moins dix pour cent au deuxième ratio de la troisième distance sur la quatrième distance. [0007] Un effort, ou composante, d'effort normal appliqué sur le troisième segment produit par une pression uniformément répartie, une pression non uniformément répartie, une force ponctuelle ou un cas de charge complexe dans lequel ces différents types d'efforts sont combinés, provoque un signal émis de la cellule de mesure représentatif de la résultante appliquée normalement au troisième segment et dont la valeur est faiblement corrélée avec le point d'application de l'effort. [0008] La précision de la mesure est encore améliorée lorsque le premier ratio est égal à plus ou moins un pourcent au deuxième ratio. [0009] Une décorrélation totale du signal en provenance de la cellule de mesure et du point d'application de l'effort est obtenue lorsque le premier ratio est strictement égal au deuxième ratio. [0010] Avantageusement, le premier point de liaison avec la platine est une articulation ou un encastrement. [0011] Selon un mode de réalisation particulier, le troisième segment est relié à la platine. [0012] Les efforts auxquels est soumise la cellule de mesure peuvent être réduits lorsque le capteur comprend des moyens de précharge du troisième segment. [0013] La réalisation du capteur est particulièrement économique lorsque les moyens de précharge comprennent une vis. Les moyens de précharge peuvent également comprendre un élément élastique. [0014] L'invention concerne également un élément d'appui comprenant un capteur de force normale tel que décrit ci-dessus et un exosquelette comprenant un tel élément d'appui. [0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Brève description des dessins [0016] 11 sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0017] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exosquelette selon l'invention ; [0018] [fig.2] La figure 2 est une vue schématique de détail d'un élément d'appui selon l'invention ; [0019] [fig.3] La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un capteur selon l'invention ; [0020] [fig.4] La figure 4 est une vue schématique de dessus du capteur de l'invention. Description des modes de réalisation 3 [0021] En référence aux figures 1 et 2, un exosquelette, généralement désigné 1, est porté par un opérateur 100 représenté ici en pointillés. L'exosquelette 1 comprend un élément de bassin 10 situé sensiblement à la hauteur du bassin de l'opérateur 100 et relié à celui-ci par une ceinture 2. Une charge utile peut également être supportée par l'élément de bassin 10. [0022] Un membre inférieur gauche 20 et un membre inférieur droit 30 de l'exosquelette 1 sont respectivement articulés sur deux extrémités 11 et 12 de l'élément de bassin 10 et s'étendent sensiblement parallèlement aux membres inférieurs 120 et 130 de l'opérateur 100. Le membre inférieur gauche 20 de l'exosquelette 1 comporte un segment de cuisse 21 articulé à un segment de jambe 22 lui-même articulé à un élément d'appui 23 sur lequel repose le pied gauche 123 de l'opérateur. De manière symétrique, le membre inférieur droit 30 de l'exosquelette 1 comporte un segment de cuisse 31 articulé à un segment de jambe 32 lui-même articulé à un élément d'appui 33 sur lequel repose le pied droit 133 de l'opérateur. L'ensemble des articulations de l'exosquelette 1 sont motorisées et commandées par une unité de commande 3. [0023] L'élément d'appui 33 du membre inférieur droit 30 est identique à l'élément d'appui 23 du membre inférieur gauche 20. [0024] En référence aux figures 2 à 4, l'élément d'appui 23 est une semelle 40 d'une chaussure 41 (représentée en pointillés) et comporte un capteur de pression 50 comprenant une platine 51 sur laquelle est montée une jauge 52 piezo-résistive reliée à l'unité de commande 3. Un premier segment 53 s'étend parallèlement à la platine 51 et est vissé en un premier point d'appui 0 sur la platine 51. Le premier segment 53 comprend également un deuxième point A en appui sur la jauge 52. Un deuxième segment 54 parallèle au premier segment 53 est vissé en un troisième point d'appui B avec la platine 51 et comprend un quatrième point C en appui sur le premier segment 53. Un troisième segment 55 parallèle au deuxième segment 54 et suspendu entre une première vis 56 et une deuxième vis 57 vissées dans la platine 51 comprend un cinquième point D en appui sur le premier segment 53 et un sixième point E en appui sur le deuxième segment 54. Un premier empilement 58.1 de rondelles Belleville 59.1 s'étend entre la tête 56.1 de la première vis 56 et la surface supérieure du troisième segment 55. Un deuxième empilement 58.2 de rondelles Belleville 59.2 s'étend entre la tête 57.1 de la deuxième vis 57 et la surface supérieure du troisième segment 55. [0025] Le premier segment 53, le deuxième segment 54 et troisième segment 55 sont, ici, en acier inoxydable. [0026] Comme visible en figure 3 et 4 : [0027] - le projeté orthogonal D' du cinquième point D sur une droite (OB) reliant le premier point d'appui 0 et le troisième point d'appui B est séparé du premier point d'appui par une première distance dao.; [0028] - le projeté orthogonal C' du quatrième point d'appui C sur une droite (OB) reliant le premier point d'appui 0 et le troisième point d'appui B est séparé du premier point d'appui 0 par une deuxième distance dor ; [0029] - le projeté orthogonal E' du sixième point d'appui E sur une droite (OB) reliant le premier point d'appui 0 et le troisième point d'appui B est séparé du troisième point d'appui B par une troisième distance [0030] - le projeté orthogonal E' du sixième point d'appui E sur une droite (OB) reliant le premier point d'appui 0 et le troisième point d'appui B est séparé du troisième point d'appui B par une troisième distance dEE, ; [0031] - le projeté orthogonal C' du quatrième point d'appui C sur une droite (OB) reliant le premier point d'appui 0 et le troisième point d'appui B est séparé du troisième point d'appui B par une quatrième distance d.c [0032] Comme visible en figure 3 et 4, le premier point d'appui O. le deuxième point d'appui A, le troisième point d'appui B, le quatrième point d'appui C, le cinquième point d'appui D et le sixième point d'appui E sont disposés de manière à ce que le premier ratio RI de la première distance dor), sur la deuxième distance clou est égal au deuxième ratio R2 de la troisième distance d... sur la quatrième distance d.c. [0033] La relation peut s'écrire sous la forme suivante : [0034] RI = (doo,/ dor) = k*R2,k / d.c) (4) [0035] Ou k est un coefficient de proportionnalité, ici égal à un. [0036] Ainsi pour une distance do. égale à vingt-sept centimètres et qui correspond à un pied en taille quarante-deux, on obtient les distances suivantes : [0037] [Tableauxl] Distance Longueur (en centimètres) dm, 2.25 doc 9 d.., 4.5 d.c 18 [0038] Lorsque les valeurs des première, deuxième, troisième et quatrième distances dory, d oc, dEE, d.c respectent la relation 4 avec un coefficient de proportionnalité égal à 1, le signal renvoyé par la jauge 52 est invariant quel que soit le point d'application d'une même force Z sur troisième segment 55. Ainsi, dans le cas de l'application d'une pression uniformément répartie, d'une pression non uniformément répartie, d'une force ponctuelle ou d'un cas de charge complexe dans lequel ces différents types d'efforts sont combinés, le capteur de pression 50 délivre un signal 59 représentatif de la résultante appliquée normalement au troisième segment 55 et dont la valeur est dé- corrélée de la répartition de la charge Z. L'unité de commande 3 traite le signal 59 et le convertit en une valeur d'effort appliqué sur la jauge 52. L'unité de commande 3 réalise ensuite une compensation de la précharge appliquée sur le troisième segment 55 par le premier empilement 58.1 de rondelles Belleville 59.1 et le deuxième empilement 58.2 de rondelles Belleville 59.2. Sur la base du signal traité 60 ainsi obtenu de l'élément d'appui 23 du membre inférieur gauche 20 (et éventuellement d'un signal supplémentaire provenant de l'élément d'appui 33 du membre inférieur droit 30), l'unité de commande 3 détermine un ensemble de commandes à l'attention des motorisations des articulations de l'exosquelette 1. [0039] Le capteur 50 offre une précision acceptable lorsque la disposition du premier point d'appui 0, du deuxième point d'appui A, du troisième point d'appui B, du quatrième point d'appui C. du cinquième point d'appui D et du sixième point d'appui E est telle que le coefficient de proportionnalité k est compris entre 0.9 et 1.1, c'est-à-dire que le premier ratio RI est égal à plus ou moins dix pour cent au deuxième ratio R2. [0040] Les signaux de la jauge 52 sont plus faciles à traiter lorsque le coefficient de propor- tionnalité k est compris entre 0.99 et 1.01, c'est-à-dire que le premier ratio RI est égal à plus ou moins un pourcent au deuxième ratio Rn. [0041] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. [0042] En particulier, [0043] - bien qu'ici le capteur comprenne une jauge piezo-résistive, l'invention s'applique également à d'autres type de cellule de mesure comprenant un élément sensible à un effort ponctuel comme par exemple capteur capacitif comprenant une membrane dont la position est liée à un effort qui lui est appliqué, un capteur inductif comprenant une électrode dont la position est sensible à un effort qui lui est appliqué ou un capteur de déplacement couplé à un ressort ; [0044] - bien qu'ici le premier segment, le deuxième segment et le troisième segment soient parallèle entre eux et parallèle à la platine, l'invention s'applique également à d'autres configurations des premier, deuxième, troisième segments comme par exemple des segments non rectilignes et /ou non parallèles entre eux ; [0045] - bien qu'ici le premier segment et le deuxième soient vissés sur la platine, l'invention s'applique à d'autres moyens d'établir un premier et/ou un deuxième point d'appui encastré avec la platine, comme par exemple un point de liaison soudé, riveté ou collé ; [0046] - bien qu'ici le premier segment soit vissé sur la platine, l'invention s'applique à d'autres types d'appui sur la platine, comme par exemple un appui articulé ou pivotant 6 [0047] - bien qu'ici le troisième segment soit suspendu entre une première vis et une deuxième vis vissées dans la platine, l'invention s'applique également à d'autres moyens de relier le troisième segment à la platine comme par exemple à l'aide de boulons, de ressort d'appui ou de colonnes de coulissement ; [0048] - bien qu'ici le troisième segment soit mis en précharge à l'aide d'un premier et un deuxième empilement de rondelles Belleville sur une vis, l'invention s'applique également à d'autres moyens de précharge du troisième segment comme par exemple des ressorts hélicoïdaux, un encastrement du troisième segment sur la première et la deuxième vis ou des moyens de mise en précharge entre deux pinces solidaires ou non de la platine ; [0049] - bien qu'ici les moyens de précharge comprennent un premier et un deuxième em- pilement de rondelle Belleville, l'invention s'applique également à d'autres types d'éléments élastiques comme par exemple des ressorts hélicoïdaux, un bloc élastomère, des ressorts à gaz ; [0050] - bien qu'ici le premier, le deuxième et le troisième segment soient en acier in- oxydable, l'invention s'applique également à d'autres types de matériaux comme par exemple un matériau composite ou de l'acier ; [0051] - bien qu'ici le troisième segment soit relié à la platine l'invention s'applique également à d'autres types de montage du troisième segment dans le capteur comme par exemple un troisième segment reposant exclusivement sur le cinquième et le sixième point d'appui. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]