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CA 02624009 2008-03-26
WO 2007/039495 PCT/EP2006/066651
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ARTICULATION A VERROUILLAGE PAR DEFORMATION ELASTIQUE
ET PROTHESE DE GENOU EN FAISANT APPLICATION
La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs
utilisés pour réaliser une articulation à mouvements contrôlés entre deux
éléments mobiles en rotation l'un par rapport à l'autre, selon un axe A.
Dans une application préférée mais non exclusive, l'invention concerne
les articulations à mouvements contrôlés utilisées dans les prothèses de
jambes pour former un genou artificiel assurant l'articulation entre un
élément d'adaptation sur un moignon de cuisse et un élément, dit tibial,
présentant, à son extrémité distale, un pied artificiel.
L'articulation ou genou artificiel d'une telle prothèse doit alors être à
même d'assurer deux fonctions correspondant à différentes phases de la
marche pour l'utilisateur de la prothèse.
Tout d'abord, l'articulation à mouvement contrôlé doit pouvoir être
bloquée dans les phases, dites d'appui de la marche, pendant lesquelles le
poids du corps de l'utilisateur porte sur la prothèse. Ensuite, l'articulation
doit
pouvoir être débloquée afin d'autoriser un mouvement pendulaire du
segment tibial lors d'une phase de la marche pendant laquelle l'utilisateur de
la prothèse a reporté son poids sur sa jambe valide.
Afin d'assurer cette double fonction, l'articulation à mouvement contrôlé
doit comprendre des moyens de blocage et de déblocage, permettant un
passage à ces deux modes de fonctionnement de rotation libre et de rotation
verrouillée.
A cet effet, un brevet français FR 2 261 742 a proposé de mettre en
oeuvre une articulation comprenant un pivot et un vérin pneumatique
commandé, afin de bloquer ou autoriser les mouvements pendulaires du
segment tibial.
Une telle articulation donne satisfaction, en ce qui concerne ses
fonctions de blocage du mouvement de rotation et de déblocage de ce
dernier, mais présente toutefois l'inconvénient de faire intervenir des
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composants relativement lourds et, notamment, des systèmes de commande
du vérin pneumatique relativement complexes et onéreux, de sorte que
l'ensemble de la prothèse présente, d'une part, un poids relativement
important et, d'autre part, un coût de mise en oeuvre qui peut apparaître
rédhibitoire. En ce qui concerne le poids, il doit en outre être remarqué que
son caractère important rend une telle prothèse peu utilisable par des sujets
âgés.
Afin de simplifier le mécanisme de verrouillage, il a été proposé
notamment dans les documents DE 1030508, DE 841193 et FR 1099570 la
mise en uvre d'une articulation dont soit l'axe, soit le palier est élastiqué
pour, sous l'effet d'une contrainte, permettre une translation relative des
deux éléments mobiles et amener en contact des pièces ou des surfaces de.
friction qui freinent la rotation. Ainsi, au repos, en l'absence de
contrainte,
les surfaces de friction sont distantes l'une de l'autre, tandis que sous
I'effet
de la contrainte, elles sont en contact.
Un tel mode de réalisation présente notamment l'inconvénient de
nécessiter des surfaces de friction ou des pièces de friction qui alourdissent
l'articulation. Ce mode de réalisation présente également l'inconvénient de ne
pas toujours assurer un verrouillage efficace de l'articulation.
Ainsi, il apparaît le besoin de disposer d'une nouvelle articulation qui,
tout en offrant des possibilités de verrouillage et de blocage de son
mouvement de rotation, présente une conception simplifiée qui permette de
limiter voire de supprimer les accessoires et dispositifs nécessaires à son
blocage, de sorte qu'il est possible d'en réduire le poids, tant en ce qui
concerne l'articulation en elle-même que les moyens de commande
nécessaires à assurer son blocage temporaire, tout en garantissant
l'efficacité
du verrouillage.
Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention concerne une articulation à
mouvement contrôlé entre deux éléments mobiles en rotation l'un par
rapport à l'autre autour d'un axe 0, comprenant :
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~ un moyeu qui est pourvu d'un alésage cylindrique d'axe A et qui est
destiné à être fixé au premier élément
= et un arbre qui est engagé dans l'alésage du moyeu pour être mobile par
rapport à l'axe A. Cet arbre est destiné à être solidarisé avec le deuxième
élément.
Selon l'invention, l'articulation et caractérisée en ce que le moyeu et
l'arbre sont élastiquement déformables de manière à se déformer sous l'effet
d'une contrainte perpendiculaire à l'axe A et supérieure à une valeur donnée
pour assurer un verrouillage ou un freinage géométrique de la rotation
d'axe A.
Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, la surface interne de
l'alésage et la surface externe de l'arbre sont en contact et présentent une
forme complémentaire et le moyeu et l'arbre sont élastiquement déformables
de manière à ce que :
= au repos, la surface interne de l'alésage et la surface externe de
l'arbre possèdent une forme cylindrique de révolution d'axe 0 qui
autorise une rotation autour de l'axe A,
= sous l'effet d'une contrainte perpendiculaire à l'axe 0, supérieure
à une valeur donnée, la surface interne de l'alésage et la surface
externe de l'arbre se déforment conjointement, cette
déformation conjointe réversible verrouillant ou freinant la
rotation d'axe A.
Selon l'invention, la déformation conjointe du moyeu et de l'arbre
entraînant le verrouillage du mouvement de rotation autour de l'axe A peut
prendre différentes formes dans la mesure où elle est réversible de manière
que lorsque la contrainte cesse le moyeu et l'arbre retrouvent leur
conformation d'origine autorisant la rotation autour de l'axe A. La
déformation conjointe doit permettre le passage réversible des surfaces en
contact ou de guidage du moyeu et de l'arbre, d'une forme de révolution
autorisant la rotation, à une forme qui n'est plus de révolution et entraîne
un
freinage ou un verrouillage géométrique de la rotation.
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Selon une caractéristique de l'invention, le moyeu et l'arbre sont
réalisés de manière que la surface interne de l'alésage cylindrique et la
surface externe de l'arbre s'ovalisent en conservant une forme
complémentaire sous l'effet de la contrainte perpendiculaire à l'axe A.
De même, le moyeu et l'arbre peuvent être réalisés de différentes
manières dans la mesure où la surface interne de l'alésage du moyeu et la
surface externe de l'arbre sont susceptibles de connaître la déformation
conjointe réversible permettant un verrouillage de la rotation autour de
l'axe e, et dans la mesure où il y a complémentarité des formes des surfaces
interne du moyeu et externe de l'axe tout au long du fonctionnement de
l'articulation.
Selon une forme préférée mais non exclusive de réalisation d'une
articulation selon l'invention, le moyeu comprend un manchon cylindrique
pourvu au niveau de sa surface extérieure de moyens de fixation pour le
premier élément, tandis que l'arbre comprend un manchon cylindrique qui
est concentrique et ajusté à l'intérieur du manchon du moyeu. Cet arbre
creux comprend au niveau de sa surface interne des moyens de fixation du
deuxième élément.
Selon l'invention, les manchons cylindriques peuvent être réalisés en
tout matériau présentant les caractéristiques mécaniques nécessaires.
Selon une caractéristique de l'invention, la surface interne du manchon
du moyeu et/ou la surface externe du manchon de l'arbre sont recouvertes
ou constituées d'un matériau à faible coefficient de friction.
Selon l'invention, il peut également être envisagé d'interposer entre le
moyeu et l'arbre une bague réalisée dans un matériau à faible coefficient de
frottement.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'articulation comprend
des moyens de butée interdisant toute translation relative du moyeu et de
l'arbre selon l'axe A.
L'invention concerne, également, une prothèse de jambe ou jambe
artificielle comprenant au moins un élément d'adaptation sur un moignon de
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cuisse, un élément tibial artificiel et des moyens de liaison articulés entre
l'élément d'adaptation et le segment tibial. Les moyens de liaison articulés
comprennent alors au moins une articulation selon l'invention reliant
l'élément d'adaptation et l'élément tibial.
5 Bien entendu, les différentes caractéristiques de l'invention évoquées
ci-dessus peuvent être mises en oeuvre les unes avec les autres selon
différentes combinaisons lorsqu'elles ne sont pas exclusives les unes des
autres.
Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de
la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui
montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de
l'objet de l'invention.
Ainsi, la fig. 1 est une élévation, partiellement arrachée, en vue de côté
d'une prothèse totale de jambe conforme à l'invention.
La fig. 2 est une coupe axiale de l'articulation à mouvements contrôlés
conforme à l'invention mise en oruvre sur la prothèse de jambe, telle
qu'illustrée à la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe transversale, selon la ligne III-III de la fig. 2,
montrant l'articulation à mouvement contrôlé selon l'invention dans un état
non déformé autorisant une rotation libre de l'articulation.
La fig. 4 est une coupe transversale, analogue la fig. 3, montrant
l'articulation selon l'invention dans un état déformé sous charge,
verrouillant
toute rotation de l'articulation selon l'axe A.
Une articulation à mouvement contrôlé, telle qu'illustrée aux fig. 1 et 2
et désignée dans son ensemble par la référence 1, est, dans une application
préférée, destinée à assurer l'articulation d'une prothèse de jambe 2, telle
qu'illustrée schématiquement à la fig. 1. Une telle prothèse de jambe 2
comprend, tout d'abord, un élément d'adaptation 3, destiné à être fixé sur le
moignon, non représenté, de la cuisse d'un utilisateur. La prothèse 2
comprend, également, un segment tibial 4, relié à l'élément d'adaptation 3
par l'articulation 1 et pourvu, à l'opposé de l'articulation 1, d'un pied
artificiel
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5. L'élément d'adaptation 3, le segment tibial 4 et le pied artificiel 5
peuvent
être réalisés de toute façon appropriée et connue de l'homme du métier. De
plus, le mode de réalisation de l'élément d'adaptation 3 du segment tibial 4
et du pied artificiel 5 ne rentrent pas dans le cadre de la présente invention
qui concerne, plus particulièrement, l'articulation à mouvement contrôlé 1,
de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les décrire plus amplement.
L'articulation 1 est destinée à former un genou artificiel autorisant une
rotation relative, autour d'un axe A, de l'élément d'adaptation 3 et de
l'élément tibial 4. De plus, l'articulation contrôlée 1 est conçue pour
permettre un blocage de la rotation autour de l'axe A, afin de permettre un
appui ou un report du poids de l'utilisateur de la prothèse 2 sur le pied 5.
Afin d'autoriser un mouvement de rotation verrouillable ou contrôlable
autour de l'axe A, entre l'élément d'adaptation 3 et l'élément tibial 4,
l'articulation à mouvement contrôlé 1 comprend tout d'abord, un moyeu 6
qui est pourvu d'un alésage cylindrique 7 d'axe A. Le moyeu 6 est destiné à
être fixé à l'élément d'adaptation 3. Selon l'exemple illustré, le moyeu 6
comprend un manchon tubulaire 8 qui possède, au repos et sans contrainte
extérieure, au moins au niveau de son alésage ou paroi interne 7 une forme
cylindrique de révolution d'un axe A. Le manchon cylindrique 8 est équipé au
niveau de sa surface extérieure de moyens 9 de fixation sur l'élément
d'adaptation 3.
L'articulation 1 comprend ensuite un arbre 10 qui engagé dans
l'alésage 7 du moyeu 6 pour être mobile par rapport au moyeu en rotation
d'axe A. L'arbre 10 est destiné à être fixé à l'élément tibial 4. Selon
l'exemple illustré, l'arbre 10 comprend un manchon tubulaire 11 qui
possède, au repos et sans contrainte extérieure, au moins au niveau de sa
paroi externe une forme cylindrique de révolution d'axe A. Comme cela
ressort plus particulièrement de la fig. 2, le manchon tubulaire 11 possède
une forme complémentaire de celle du manchon tubulaire 8 de sorte que la
paroi externe du manchon 11 est en contact avec la paroi interne du
manchon 8 définissant l'alésage 7. Le manchon tubulaire 11 comprend enfin
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des moyens 12 de fixation sur l'élément tibial 4, les moyens de fixation 12
étant liés au manchon 11 au niveau de sa surface interne.
Les manchons cylindriques 8 et 11 sont réalisés dans un matériau
autorisant une déformation élastique réversible des manchons comme cela
apparaîtra par la suite.
L'articulation 1, selon l'invention, ainsi constituée fonctionne de la
manière suivante.
Lorsque aucune contrainte perpendiculaire à l'axe 0 n'est appliquée sur
l'articulation 1 ou lorsque les contraintes perpendiculaires à l'axe 0 sont
insuffisantes pour induire une déformation élastique des manchons 8 et 11,
les surfaces de guidage ou de contact entre les manchons 8 et 11
présentent une forme cylindrique de révolution d'axe 0 qui autorise une
rotation autour de cet axe o dans un sens ou dans un autre comme indiqué
par les flèches F1 ou F2. Cet état de repos correspond, dans le cas de la
prothèse de jambe 2, au moment où le poids de l'utilisateur est reporté sur
la jambe valide, la partie tibiale de la prothèse de hanche pouvant alors
connaître un mouvement pendulaire. Bien entendu, il pourra être envisagé
de mettre en oeuvre avec l'articulation 1 des moyens de butée non
représentés permettant de définir l'amplitude possible en rotation du
mouvement du segment tibial 4 par rapport à l'élément d'adaptation 3. De
même, afin de faciliter les mouvements de rotation entre les deux manchons,
l'une ou l'autre de leurs surfaces en contact pourra être recouverte d'un
matériau à faible coefficient de friction telle que par exemple un matériau à
base de Téflon . Il pourrait également être envisager d'interposer entre le
moyeu et l'arbre une bague de faible épaisseur en téflon ou autre
matériau à faible coefficient de friction.
En revanche, lorsqu'une contrainte telle qu'indiquée par les flèches F3,
F4 est appliquée perpendiculairement à l'axe 0, avec une intensité suffisante
pour déformer les manchons 8 et 11, leurs surfaces en contact perdent leur
forme cylindrique de révolution pour, selon l'exemple illustré, s'ovaliser
comme le montre la fig. 4. Il est alors obtenu un verrouillage ou freinage
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géométrique par opposition à un freinage ou verrouillage résultant de la
seule friction. Ainsi tout mouvement de rotation autour de l'axe A est bloqué
ou freiné. Cette situation correspond, dans le cas de la prothèse de jambe 2,
au moment où l'utilisateur porte son poids sur la prothèse.
Il apparaît que l'articulation 1 selon l'invention permet d'obtenir de
manière simple un verrouillage ou un freinage de la rotation et cela avec un
minimum de composants de sorte que l'articulation selon l'invention est
légère et peu onéreuse.
Par ailleurs, selon l'exemple illustré, l'articulation 1 comprend des
moyens 15 de butée empêchant toute translation relative, selon l'axe A, du
moyeu et de I'arbre.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées à
l'invention sans sortir de son cadre.
