Brevet FR3100458A1 — publié le 20210312

La présente invention est une prise d'escalade artificielle ayant de remarquable qu'elle contient un dispositif de mesure continue et dynamique de la force exercée par un grimpeur sur cette prise d'escalade, fixée à un mur d'escalade. L'invention comprend une prise d'escalade classique fixée à un mur d'escalade classique, auxquels il est ajouté une couche sensible aux pressions et dépressions exercées par le pratiquant sur ladite prise d'escalade. Elle comprend aussi l'électronique nécessaire à la collecte des données de mesure. Cette couche sensible est composée de couches élastiques et d'au moins trois capteurs de pression répartis en trois points différents de la surface de la couche sensible. L'invention comporte deux variantes, une première où la couche sensible est placée entre le corps de la prise d'escalade et le mur d'escalade, une seconde où la couche sensible est placée entre une plaque de fixation rigide et le mur d'escalade, située à l'arrière de ce dernier. Prise d'escalade à multiples points de mesure continue de la force d'appui L'invention présentée concerne le domaine de l'équipement d'escalade d'intérieur. L'invention concerne plus particulièrement les prises d'escalade artificielles et leur fixation, adaptées à la mesure de la force appliquée par le pratiquant (grimpeur). Art antérieur L'escalade sportive est une activité physique complexe, impliquant force, équilibre et coordination dynamique des mouvements impliquant les membres antérieurs et postérieurs. À tous les niveaux de performance, un grimpeur peut s'améliorer avec une exécution plus précise des séquences d'escalade. Ils ne sont généralement accomplis qu'après plusieurs cycles d'essais et d'erreurs, avec des résultats sensibles découlant de petites variations de posture, ou encore de positionnement des doigts. Une connaissance plus claire de la mécanique de l'escalade peut être acquise en mesurant les forces de contact du corps du grimpeur sur chacune des prises utilisées. Jusqu'à présent, quelques inventions sont allées dans ce sens, mais le frein principal est le coût élevé exigé par l'instrumentation de ces inventions. Dans cette partie, nous présentons les technologies existantes utilisées dans l'invention présentée, et nous introduisons rapidement les autres inventions touchant le même domaine technique, en avançant les problèmes techniques que l'invention présentée résout. Les prises d'escalade sont généralement totalement rigides, réalisées par coulée d'une résine polyester ou polyuréthane, ou parfois même fabriquées en bois pour certains entraînements spécifiques. Un mur d'escalade classique est constitué de plaques ou planches de bois revêtues de résine et sablées sur lesquelles sont fixées lesdites prises à l'aide d'un point d'ancrage. Ce point d'ancrage peut être simplement une vis à bois, traversant la prise et vissée dans le mur, ou une vis traversant le mur et formant, associée à un écrou (ou insert), un boulon de fixation. De manière standard, le point d'ancrage correspond à un système vis / insert fileté avec vis à tête creuse. La tête de vis est insérée dans la cavité de la prise. Le corps de la vis passe par un évidement dans la prise, puis à travers le mur. De l'autre côté de la paroi, il est serré par un écrou de type insert. Cette méthode classique de montage d'un mur d'escalade et de ses prises ne permet pas de collecter d'informations sur la technique d'escalade, informations intéressantes dans des cadres divers tel que l'enseignement du sport, le sport de haut niveau et le domaine de la recherche dans le sport. L'invention propose l'ajout d'une couche élastique entre la prise et le mur, ou entre une plaque à l'arrière du mur et le mur, qui permet de mesurer la force appliquée par le grimpeur. Cette invention utilise des matériaux très bas coûts (caoutchouc, téflon ou autre) et des capteurs de pressions, dont le coût est négligeable comparé à celui d'une prise d'escalade. Les capteurs de pression les plus communs en milieu industriel sont les capteurs à jauge de déformation. Ce type de capteur est idéal car il est très fin, précis, polyvalent et économique. Structurellement, un capteur de force a un corps métallique sur lequel des jauges de contrainte ont été fixées. Le corps est généralement fait d'aluminium, d'acier allié ou d'acier inoxydable, ce qui le rend très robuste mais aussi légèrement élastique. Lorsque qu'une force est exercée sur le capteur, le corps est légèrement déformé. Une fois relâché, il revient toujours à sa forme initiale. La modification de forme implique une modification de la résistance électrique, qui peut être mesurée. La variation de la résistance électrique est proportionnelle à la force appliquée à la cellule de mesure, ce qui permet de calculer la pression appliquée sur le capteur. L'ajout de cette couche entre la prise et le mur d'escalade permet de ne modifier ni les prises d’escalades standards, ni le mur sur lequel les prises sont installées. Des dispositifs touchant le même domaine technique sont présentés dans les documents de brevet FR3017305A1, WO2019123038A1 et WO2017017016246A1 Le document FR3017305A1 décrit un dispositif de fixation de prise d'escalade équipée d'un détecteur de charge sur le mur d'escalade, du coté opposé à la prise. En particulier, le dispositif de fixation selon FR3017305A1 contient un ou plusieurs capteurs de pression placés à l'arrière du mur ; la force appliquée sur la prise est déchargée en partie sur le mur, et mesurée par les capteurs de pression. Ce dispositif nécessite un mur comprenant des fixations préalablement installées, il ne peut donc pas être utilisé sur un mur standard. La géométrie proposée ne permet par ailleurs pas une mesure précise de la direction et de la force totale appliquées par le grimpeur. De plus, l'étendue de la force n'est pas indépendante du point d'appui du pratiquant sur la prise elle-même ; Le document WO2019123038A1 décrit un dispositif de fixation de prise équipé d'une cellule de charge triaxiale. Cette fixation traverse la prise et le mur, et maintient la prise sur le mur. La force appliquée par le grimpeur implique une déformation de cette fixation. Cette déformation est mesurée par la cellule de charge triaxiale. Ce dispositif nécessite une installation particulière du mur d'escalade (absence d'inserts standards), et le coût d'une cellule de charge triaxiale est non négligeable à l'échelle du coût d'une prise d'escalade. Les documents WO2017017016246A1 et FR1754398 décrivent un dispositif de prise d'escalade conductive contenant une cellule de détection de courant électrique, qui est activée lorsque l'électricité statique du corps humain passe dans la prise par contact direct ; cette information permet de suivre le temps écoulé entre une prise et une autre, et de tracer des informations relatives au trajet choisi. Toutefois, le dispositif n'est pas équipé pour mesurer la force appliquée par le grimpeur, mais uniquement pour détecter un contact survenu entre un corps conducteur et une prise, et donc ne fournit pas une information complète sur la mécanique de grimpe de l'utilisateur. Il est a noter que l’invention présentée n’empêche pas l’utilisation de l’invention décrite dans WO2017017016246A1 et FR1754398. Description de l'invention La force et l'angle appliqués par le grimpeur sur les prises utilisées sont reportés sur le mur d'escalade, appliquant des zones pression/dépression entre les prises et le dit mur. L'invention présentée permet la mesure de ces pressions/dépressions, et par conséquent la mesure de la force appliquée par le pratiquant. Cette mesure apporte des informations exploitables dans le cadre sportif et éducatif. Cette invention propose d'utiliser deux variantes de mesures, correspondant à deux surfaces de mesures de la force appliquée sur la prise. Ces variantes peuvent être utilisées conjointement, ou indépendamment: La seconde est composée d'une couche intermédiaire, dite couche sensible à la charge, placée entre une plaque de fixation au niveau de l'écrou (arrière du mur d'escalade) et l'arrière du mur d'escalade, qui permet de mesurer la force appliquée aux prises d'escalade reportée à ladite plaque par la rigidité de la fixation. Comme le montre la [Fig 2], la couche supplémentaire (2.2) est ajoutée entre la plaque de fixation (2.1) et l’arrière du mur. Le corps de fixation est une plaque rigide, de préférence métallique, permettant une distance optimale entre les capteurs de pression. Ce qui implique qu'elle peut être ronde (comme représenté dans les figures), carrée, en étoile ou tout autre forme satisfaisant cette contrainte. Cette couche est composée de 3 éléments. Les capteurs de pression (2.3) ont une épaisseur typique d'une centaine de µm. Leur plage nominale de mesure est comprise entre zéro et plusieurs centaines de kg. Afin de calculer la force appliquée, ils sont au nombre de trois minimum, possiblement plus pour augmenter la précision. La couche élastique (2.5) transmet la force de pression de la paroi vers capteurs (2.3). (2.4) représente la surface restante, passive. (2.4) et (2.5) peuvent être composées de caoutchouc, de téflon, ou de n'importe quel autre matériau élastique. Optionnellement, le boulon de fixation (2.6) est munie d'une rondelle élastique, placée entre sa tête et la plaque de fixation (2.1) afin d'augmenter l'amplitude de mesure. Les rapports de dureté, d'élasticité et de taille entre (2.4) et (2.5) ainsi que la surface totale sont ajustés de façon à ce que la force appliquée sur les capteurs de pression (2.3) soit dans leur plage de sensibilité. Afin d'augmenter l'amplitude de mesures dans le cas de cette variante, une couche élastique peut être placée entre le mur et la prise (3.13). La première variante est composée d'une couche intermédiaire, dite couche sensible à la charge, placée entre les prises d'escalade et le mur, qui permet de mesurer la force appliquée directement sur les dites prises. Comme le montre la [Fig 1], la couche supplémentaire (1.2) est ajoutée sous le corps de la prise (1.1). Cette couche est composée de 3 éléments. Les capteurs de pression (1.3) ont une épaisseur typique d'une centaine de µm. Leur plage nominale de mesure est comprise entre zéro et plusieurs centaines de kg. Afin de calculer la force appliquée, ils sont au nombre de trois minimum, possiblement plus pour augmenter la précision. La couche élastique (1.5) transmet la force de pression de la paroi vers les capteurs (1.3). (1.4) représente la surface restante, passive. Les couches (1.4) et (1.5) peuvent être composées de caoutchouc, de téflon, ou de n'importe quel autre matériau élastique. Optionnellement, le boulon de fixation (1.6) est munie d'une rondelle élastique, placée entre sa tête et le corps de la prise maintenue (1.1) afin d'augmenter l'amplitude de mesure. Les rapports de dureté, d'élasticité et de taille entre (1.4) et (1.5) ainsi que la surface totale sont ajustés de façon à ce que la force appliquée sur les capteurs de pression (1.3) soit dans leur plage de sensibilité. Dans les deux variantes, le serrage initial de la prise exerce une pression au repos sur chacun des capteurs. La zone de sensibilité optimale des capteurs de pression, l'élasticité des couches (1.4, 1.5, 2.4, 2.5) et les rapports de surface sont étalonnés afin d'optimiser la sensibilité aux pressions/dépressions impliquées par la prise en main de la prise d'escalade. La montre l'exemple d'un grimpeur en action afin d'illustrer le principe de fonctionnement de l'invention. Les membres du grimpeur (3.1) et (3.2) présentent des positions et des forces appliquées sur les prises dont l'intensité et la direction sur le corps des prises (1.1) sont représentées par les flèches (3.3) et (3.4) dont la direction représente l’angle d’application de la force, et la longueur son intensité. Par effet de levier, les forces (3.3) et (3.4) sont transmises aux capteurs de pression (1.3) par les couches élastiques (1.4) et (1.5). Les forces de pressions sont représentées par des flèches dont la direction représente le sens pression/dépression, et la longueur son intensité. Cette pression appliquée aux capteurs peut donc être négative (3.8) (dépression) ou positive (3.7) (pression) selon la direction de la force appliquée (3.3). La répartition de la force entre les capteurs de pression donne l'information sur la force totale et sa direction. En considérant la [Fig 1] et l'exemple montré dans la [Fig 3], le point d'appui du grimpeur sur la prise et la position de son corps réduit la pression de charge sur le capteur supérieur (3.8), augmentant la pression sur les capteurs inférieurs (3.7) (première variante). Dans la seconde variante, le principe est le même, sauf que la mesure est réalisée à l'arrière du mur d'escalade. Le boulon de fixation (2.6) reporte les forces sur la plaque de fixation (2.1) à l’arrière du mur, les forces reportées (3.9) et (3.10) peuvent donc être mesurées directement à l'arrière du mur à l'aide du dispositif représenté en par le même système de couche sensible à la charge. Dans ce cas le transport des informations est simplifié si l’électronique se trouve à l’arrière. Les deux variantes de mesure peuvent être utilisées conjointement ou indépendamment. Dans le cas de l’utilisation de la seconde variante uniquement, une couche élastique (3.13) peut-être ajoutée derrière le corps de la prise (1.1) afin d’augmenter l’amplitude de mesure. De la même manière que décrite précédemment, la force appliquée par le grimpeur sur la prise (3.14), représentée par la flèche (3.4), est alors transmise par le boulon de fixation (2.6) au corps de la plaque de fixation (2.1), puis reportée aux capteurs de pressions, représentée par les flèches (3.11, 3.12). L'installation de la prise avec les deux variantes de couches de mesures contenant les capteurs est illustrée à la et sa connexion à l’électronique à la [Fig 4]. Pour la première variante, un trou supplémentaire peut être percé dans le mur pour permettre aux fils (4.2) de passer de la prise à l'arrière du mur (4.1), ce qui rend possible d'acheminer les données mesures de force appliquées par le grimpeur à l'arrière du mur d'escalade. Ce trou n’est pas nécessaire dans le cas de l’utilisation de la seconde variante de l’invention seule. Les données sont collectées par une électronique dédiée (4.3) et transmises au bloc logique central. L'analyse en temps réel permet de visualiser les forces appliquées sur chaque prise pendant le parcours, leur rapport en fonction du poids du grimpeur, et de réaliser des comparaisons avec les tentatives précédentes, ou celles d'autres grimpeurs. Les forces appliquées sur les capteurs peuvent être calculées sur la base du rapport entre la surface totale de la couche et la surface du capteur ; du rapport entre la rigidité mécanique des couche élastiques (1.5, 2.5) et la rigidité mécanique de la couche de surface restante (1.4, 2.4) ; du rapport entre la longueur du boulon de fixation (1.6, 2.6) et la répartition entre les capteurs de force (1.3, 2.3). Les tests de l'invention ont permis d'établir que: Un étalonnage permet d'obtenir une connaissance précise de ces forces appliquées en fonction des pressions. Dans la plupart des cas, les matériaux (1.4, 2.4) et (1.5, 2.5) peuvent être les mêmes, voir être composés d'une couche unique. Dans un cadre sportif, 20-30 mesures par seconde suffisent, bien que l'invention puisse aller au delà pour, par exemple, des mesures scientifiques. La quantité de données collectées permet un transfert sans fil (WiFi, Bluetooth) de la carte d'acquisition (4.3) vers un réseau informatique. La prise de données continue permet d'avoir une connaissance continue des forces exercées sur les prises, cela comprend le début de la prise en main de la prise d'escalade, de la dynamique exercée sur cette prise, et du relâchement final de cette prise. L'électronique créée pour les peut gérer jusqu'à 24 prises, et a un coût faible comparé à celui des des prises d’escalade. Description complémentaire des figures Les figures illustrent les différents aspects et exemples de l'invention présentée, ainsi que certains éléments de sa structure, de ses composants et matériaux similaires. Ils sont indexés à l'aide de différents chiffres, pouvant être répétés pour les mêmes éléments, et différents pour les éléments différents. Cette indexation indique le numéro de la figure ainsi que le numéro de l'élément, séparés par un point. (1.2) indique l'élément 2 de la , (3.6) l'élément 6 de la [Fig 3]. Dans le texte l'indexation peut comprendre plusieurs valeurs séparées d'une virgule, indiquant plusieurs éléments à la fois, tel que (1.1, 1.2) fait référence aux éléments (1.1) et (1.2). La même indexation est utilisée sur la figure et dans le texte. Lorsque qu'il a été nécessaire pour la clarté des figures un trait fin noir relie les éléments et leur référence dans les figures. représente l'invention dans sa première variante. Vue de dessus à gauche, avec les capteurs en transparence. En coupe latérale à droite, permettant de voir les éléments essentiels de l'invention. Dans ces deux vues (1.1) figure le corps de la prise. représente l'invention dans sa seconde variante. Vue de dessus à gauche, avec les capteurs en transparence. En coupe latérale à droite permettant de voir les éléments essentiels de l'invention. Dans ces deux vues (2.1) figure la plaque de fixation à l'arrière du mur, qui est, dans cet exemple circulaire, mais pouvant à priori avoir n'importe quelle forme. représente un exemple d'utilisation des deux variantes de l'invention. À gauche est représenté la position du pratiquant (ou grimpeur). Les flèches associées à chaque prise représentent les forces, en particulier leur direction et leur intensité. En haut à droite est représenté le détail de la prise en main de la prise d'escalade, équipée de l'invention dans ses deux variantes. Il est à noter que, dans l'exemple, les deux variantes sont représentées, mais chaque prise peut n'avoir que l'une ou l'autre uniquement. L'Homme de métier jugera, en fonction des besoins de précision, du coût et de la forme de la prise, de la nécessité d'installer l'une, l'autre ou de combiner les deux. La flèche (3.3) représente la force, sa direction et son intensité appliquée sur la prise. Les flèches (3.7, 3.8, 3.9, 3.10) représentent les forces de pression/dépression reportées sur les capteurs de pression. En bas à droite est représentée l'invention dans le cas d'un appui de pied. Dans l'exemple, seule la seconde variante de l'invention est utilisée. La flèche (3.4) représente la force totale appliquée par le grimpeur sur la prise et les flèches (3.11, 3.12) représentent les pressions/dépressions reportées sur les capteurs de pression. Optionnelle, la couche élastique (3.13) placée entre la prise et le mur permet d'augmenter l'amplitude des forces reportées sur les capteurs de pression. représente un schéma exemple d'installation incluant le système électronique, placé de préférence derrière le mur d'escalade. Prise d'escalade caractérisée par l’équipement d'un élément de mesure de la charge appliquée sur la prise d'escalade par le pratiquant [Fig 1], [Fig 3], comprenant: Un corps de prise d'escalade classique (1.1) ; Un boulon de fixation (1.6) traversant la prise d'escalade et le mur; Optionnellement des rondelles élastiques sous la tête de la vis pour la mobilité du système ; Une couche sensible à la charge (1.2) comprenant : minimum trois résistances de mesure de pression (1.3), minimum trois couches élastiques (1.5) recouvrant la surface des résistances de mesure de pression (1.3), une couche élastique, recouvrant le corps de la prise restant (1.4), en contact avec le mur d'escalade Les couches (1.4) et (1.5). Leur rapport de rigidité mécanique est utilisé pour mesurer la charge du grimpeur transférée du corps des prises (1.1) aux capteurs de pression (1.3), La couche sensible à la charge est placée entre la prise et le mur d'escalade et le corps de la prise d'escalade (1.1). Une fixation d'escalade caractérisée par l’équipement d'un élément de mesure de la charge appliquée sur la prise d'escalade par le pratiquant [Fig 2], [Fig 3], comprenant: Un corps de prise d'escalade classique (1.1) ; Un boulon de fixation (2.6) traversant la prise d'escalade et le mur ; Optionnellement des rondelles élastiques sous la tête de la vis pour la mobilité du système ; Une plaque rigide de fixation (2.1) entre le boulon de fixation (2.6) et le mur. Sa forme permet de disposer de trois capteurs de pression ou plus, à une distance optimale ; Une couche sensible à la charge (2.2) comprenant : minimum trois résistances de détection de force (2.3), minimum trois couches élastiques (2.5) recouvrant la surface des résistances de détection de force (2.3), une couche élastique, recouvrant la surface de la fixation restante (2.4), Les couches (2.4) et (2.5) et leur rapport de rigidité mécanique sont utilisés pour mesurer la charge de grimpeur transférée du corps des prises à la plaque de fixation (2.1) aux capteurs de pression (2.3). La couche sensible à la charge est placée entre la plaque de fixation (2.1) et le mur d'escalade ; Optionnellement une couche élastique entre le corps de la prise et le mur d’escalade (3.13). Un dispositif électronique de collecte et de traitement de données provenant des capteurs de pression équipant la prise d’escalade et le système de fixation permettant: la mesure analogique provenant des capteurs de pression ; une prise de données continue afin de mesurer la dynamique ; un système de transferts de données filaire ou sans fil (WiFi/bluetooth) de l’électronique dédiée vers un système informatique centralisé.