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EXOSQUELETTE AUTORISANT UNE GRANDE LIBERTE DE MOUVEMENT
DE L'EPAULE
La présente invention concerne le domaine des appareils
pourvus d'une motorisation ou d'une assistance et portés
par le corps humain pour en améliorer les capacités, et en
particulier les exosquelettes.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Il est connu des documents FR-A-3046052 et FR-A-3072598
des exosquelettes comprenant : une structure dorsale ayant
une partie supérieure destinée à s'étendre à hauteur des
omoplates d'un utilisateur, une structure brachiale
pourvue de moyen de sa fixation à un bras de l'utilisateur,
et une structure scapulaire reliant la structure brachiale
à la partie supérieure de la structure dorsale. La
structure scapulaire comporte un actionneur d'épaule pour
déplacer la structure brachiale par rapport à la structure
dorsale.
Or, l'épaule est un système articulaire complexe autorisant
six degrés de liberté par la combinaison des mouvements de
l'articulation de l'épaule elle-même et des mouvements de
l'omoplate.
Cette complexité autorise une grande liberté de mouvement
des bras, avec des mouvements d'abduction / adduction,
d'élévation / abaissement, et de rotation.
Idéalement, dans la plupart des applications,
l'exosquelette ne doit pas entraver les mouvements du bras
tout en maintenant l'actionneur d'épaule proche de
l'articulation de celle-ci.
En pratique, l'exosquelette peut se révéler gênant pour
les mouvements extrêmes du bras, comme lorsque
l'utilisateur veut toucher l'une de ses épaules avec la
main opposée ou écarter les bras au maximum en rapprochant
les omoplates l'un de l'autre.
OBJET DE L'INVENTION
Date Reçue/Date Received 2022-07-13
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L'invention a notamment pour but de fournir une
architecture d'exosquelette limitant les inconvénients
précités.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, on prévoit, selon l'invention un exosquelette
comprenant : une structure dorsale ayant une partie
supérieure destinée à s'étendre à hauteur des omoplates
d'un utilisateur, au moins une structure brachiale pourvue
de moyen de sa fixation à un bras de l'utilisateur, et une
structure scapulaire reliant la structure brachiale à la
partie supérieure de la structure dorsale et comportant un
actionneur d'épaule pour déplacer la structure brachiale
par rapport à la structure dorsale. La structure scapulaire
comprend au moins une première articulation fixée à la
partie supérieure de la structure dorsale pour avoir un
premier axe d'articulation sensiblement parallèle à un axe
spinal local, un chariot relié à une partie de la première
articulation pour coulisser par rapport à la première
articulation selon une direction
sensiblement
perpendiculaire au premier axe d'articulation et destinée
à être parallèle aux omoplates lors de l'utilisation de
l'exosquelette. L'actionneur d'épaule est monté sur le
chariot par une deuxième articulation ayant un deuxième
axe d'articulation sensiblement parallèle au premier axe
d'articulation. L'exosquelette comprend un premier organe
élastique de rappel du chariot vers une position
prédéterminée de repos et un deuxième organe élastique pour
rappeler le chariot vers la première articulation.
Ainsi, la combinaison de mouvements de la première
articulation et du chariot coulissant libère l'omoplate en
autorisant une grande variété de mouvements et en
particulier des mouvements de grande amplitude comme
lorsque les bras sont largement écartés, mouvement autorisé
par un rapprochement des omoplates l'un de l'autre, ou au
contraire lorsque les bras sont croisés sur le torse,
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chaque main saisissant l'épaule opposée, mouvement
autorisé par un écartement des omoplates.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un
mode de réalisation particulier et non limitatif de
l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi
lesquels :
La figure 1 est une vue de dos de l'exosquelette selon
l'invention ;
La figure 2 est une vue de trois quarts arrière de
l'exosquelette selon l'invention ;
La figure 3 est une vue de côté de l'exosquelette selon
l'invention ;
La figure 4 est une vue de face de l'exosquelette selon
l'invention ;
La figure 5 est une vue de détail de la première
articulation se trouvant dans la zone V de la figure 2 ;
La figure 6 est une vue partielle de côté de la partie
supérieure de la structure brachiale de l'exosquelette
selon l'invention ;
La figure 7 est une vue partielle en perspective de la
partie inférieure de la structure brachiale de
l'exosquelette selon l'invention ;
La figure 8 est une vue de dessus de l'exosquelette avec
la structure brachiale droite en extension maximale vers
l'arrière et la structure brachiale gauche le long du corps
de l'utilisateur ;
La figure 9 est une vue de détail de la zone IX de la
figure 8 ;
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La figure 10 est une vue de dessus de la structure
scapulaire droite pour une position de la structure
brachiale le long du corps de l'utilisateur ;
La figure 11 est une vue de détail en perspective des
moyens de rappel du chariot et de la partie inférieure de
la structure dorsale de l'exosquelette selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence aux figures, l'exosquelette selon
l'invention, portant la référence générale 1, comprend une
structure dorsale, généralement désignée en 10, qui est
destinée à s'étendre le long du dos d'un utilisateur et
qui est reliée par deux structures scapulaires (ou
structures d'épaule), généralement désignées en 20, à deux
structures brachiales, généralement désignées en 30.
La structure dorsale 10 comprend une plaque en forme de T
et possède une partie supérieure 11 (la barre du T)
destinée à s'étendre à hauteur des omoplates d'un
utilisateur et une partie inférieure 12 (la jambe du T)
reliée à une ceinture ventrale 40 par une platine de
liaison 41 réglable en longueur pour permettre un réglage
en hauteur de la structure dorsale 10 par rapport à la
ceinture ventrale 40. La platine de liaison 41 comprend
une plaquette 411, en forme de T à l'envers, solidaire de
la ceinture ventrale 40 et pourvue de deux fentes 412
longitudinales, de forme oblongue, et une plaquette 413
qui est recouverte au moins partiellement par la plaquette
411 et qui est solidaire de la partie inférieure 12. La
plaquette 413 est en une seule pièce avec la partie
inférieure 12 et porte en saillie deux verrous à
excentrique 414. Chaque verrou à excentrique 414 comprend
une tige reçue dans l'une desdites fentes 412 et une tête
mobile sur la tige au moyen d'un levier à excentrique entre
une position serrée dans laquelle la tête prend appui sur
la plaquette 411 pour la plaquer contre la plaquette 413
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de manière à solidariser les plaquettes 411, 413 l'une à
l'autre par friction et une position desserrée dans
laquelle la tête est dégagée de la plaquette 411 et
autorise le coulissement de la plaquette 411 sur la
plaquette 413.
Les structures scapulaires 20 sont identique l'une à
l'autre et relient chacune une des structures brachiales
30 à la partie supérieure 11 de la structure dorsale 10.
Chaque structure scapulaire 20 comprend au moins une
première articulation 21 comportant des paliers 211 fixés
à la partie supérieure 11 de la structure dorsale 10 et un
arbre 212 dont les extrémités sont reçues à pivotement dans
les paliers 211 pour constituer un premier axe
d'articulation Al sensiblement parallèle à un axe spinal
local, c'est-à-dire l'axe général des vertèbres se trouvant
entre les omoplates, à savoir un axe incliné de 20 vers
l'avant par rapport à la verticale lorsque l'utilisateur
se tient debout. En pratique, comme la plaque formant la
structure dorsale 10 est conformée pour s'étendre le long
de la colonne vertébrale de l'utilisateur, le premier axe
d'articulation Al s'étend du bas vers le haut sensiblement
parallèlement à la partie supérieure 12. De l'arbre 212
partent deux rails 22, perpendiculaires à l'axe
d'articulation Al, sur lesquels est monté pour coulisser
un chariot 23 portant un actionneur d'épaule 24 d'axe
moteur Ml. Les deux rails 22 ont leurs extrémités opposées
à l'arbre 212 reliées l'une à l'autre par une barre 221
formant une butée au coulissement du chariot 23. Le chariot
23 est par exemple pourvu de paliers lisses ou à billes
pour faciliter son coulissement sur les rails 22. Le
chariot 23 peut ainsi coulisser sur les rails 22 selon une
direction sensiblement perpendiculaire au premier axe
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d'articulation Al et parallèle aux omoplates de
l'utilisateur. La course du chariot 23 est par exemple de
60 mm qu'il est possible de modifier en changeant les rails
22. L'actionneur d'épaule 24 est relié au chariot 23 par
une deuxième articulation 25 comportant des paliers 251
solidaires d'une bride 26 et un arbre 252 qui est solidaire
d'une extension du chariot 23 et qui a des extrémités
reçues dans les paliers 251 pour constituer un deuxième
axe d'articulation A2 sensiblement parallèle au premier
axe d'articulation Al autorisant un débattement angulaire
d'environ 65 de l'actionneur par rapport au chariot 23.
La bride 26 relie rigidement un carter de l'actionneur
d'épaule 24 aux paliers 251.
La structure scapulaire 20 comprend un premier organe
élastique 27 de rappel de la première articulation 21, et
donc des rails 22, vers une position prédéterminée neutre
ou de repos (qui correspond sensiblement à une position de
repos de l'utilisateur debout les bras le long du corps)
et un deuxième organe élastique 28 pour rappeler le chariot
23 vers la première articulation 21.
Le premier organe élastique 27 comprend deux ressorts de
torsion antagonistes 271, 272 montés entre l'arbre 212 et
chacun des paliers 211 pour rappeler l'arbre 212 dans une
position neutre ou de repos entre deux positions extrêmes
correspondant à un déplacement de la partie distale de
l'omoplate vers l'avant (le bras passe devant le torse et
la main saisit l'épaule opposée) et un déplacement de la
partie distale de l'omoplate vers l'arrière (les bras sont
écartés au maximum, voir la structure scapulaire droite
sur la figure 8). En position neutre, le chariot 23 se
trouve de préférence au voisinage de la partie supérieure
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11 et les rails s'étendent parallèlement à un plan frontal
de l'utilisateur (voir la structure scapulaire gauche sur
la figure 8). Dans la première position extrême, les rails
22 font un angle de 50 vers l'avant avec ledit plan et,
dans la deuxième position extrême, les rails 22 font un
angle de 200 vers l'arrière avec ledit plan.
Le deuxième organe élastique 28 comprend un ressort de
traction 281 extensible s'étendant le long de la partie
inférieure 12 de la structure dorsale 10 sensiblement selon
une direction spinale locale (c'est-à-dire sensiblement
verticalement lorsque l'utilisateur est debout) et ayant
une extrémité fixée à la partie inférieure 12 et une
extrémité opposée reliée à une extrémité d'un câble 282
ayant une extrémité opposée reliée au chariot 23. Le câble
282 passe dans un perçage ménagé dans une partie de la
première articulation 21 liée en rotation avec le chariot
23, à savoir l'arbre 212, de telle manière que le tronçon
de câble s'étendant entre le chariot 23 et la première
articulation 21 soit toujours parallèle aux rails 22 et
n'exerce pas de couple de rotation sur l'arbre 212 et le
chariot 23. Des illets de guidage du câble 282 sont fixés
sur la structure dorsale 10 entre la première articulation
21 et le ressort 281 pour maintenir le câble 282 le long
de la structure dorsale 10 sans entraver son déplacement
longitudinal du fait des mouvements de l'utilisateur et du
rappel exercé par le ressort 281 sur le chariot 23.
L'actionneur d'épaule 24 a un arbre de sortie pourvu d'un
levier 241 relié par une troisième articulation 31 à une
première extrémité d'un segment de bras 32 de la structure
brachiale 30. La troisième articulation 31 comprend des
paliers 311 solidaires du levier 241 et un arbre 312 ayant
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des extrémités engagées dans les paliers 311 pour
constituer un troisième axe d'articulation A3 sensiblement
perpendiculaire à un axe longitudinal du segment de bras
32 et à un axe moteur de l'actionneur d'épaule 24. Le
segment de bras 32 a une deuxième extrémité reliée à un
actionneur de coude 33 d'axe moteur M2 par une quatrième
articulation 34. La quatrième articulation 34 comprend deux
paliers 341 solidaires d'une platine de liaison 35 et un
arbre dont est solidaire la deuxième extrémité du segment
de bras 32 et qui deux extrémités engagées dans les paliers
341 pour constituer un quatrième axe d'articulation A4
sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du
segment de bras 32. Le quatrième axe d'articulation A4 est
décalé angulairement par rapport à l'axe moteur M2 de
l'actionneur de coude 33. Le décalage est ici de 35 . Le
troisième axe d'articulation A3 est décalé angulairement
par rapport au quatrième axe d'articulation A4. Le segment
de bras 32 s'étend en arrière par rapport à l'actionneur
33.
Le segment de bras 32 a une longueur variable et est rappelé
élastiquement dans un état de plus courte longueur par un
troisième organe élastique 36. Le segment de bras 32
comprend un fourreau 321 recevant à coulissement et à
pivotement une tige 322 : le fourreau 321 forme la première
extrémité du segment de bras 32 et la tige 322 forme la
deuxième extrémité du segment de bras 32. Le troisième
organe élastique 36 comprend deux ressorts de traction 361,
362 ayant une extrémité solidaire du fourreau 321 au
voisinage de la troisième articulation 31 et une extrémité
solidaire de la tige 322 au voisinage de la quatrième
articulation 34 à la fois pour rentrer la tige 322 dans le
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fourreau 321 et pour la rappeler vers une position
angulaire neutre prédéterminée par rapport au fourreau 322.
Le caractère télescopique du segment de bras 32 permet à
celui-ci de s'adapter à la fois à la morphologie de
l'utilisateur et à ses mouvements.
La platine de liaison 35 est réglable en longueur et
comprend une interface 351 de contact avec le bras de
l'utilisateur, portant les paliers 341, et une bride 352
ayant une extrémité solidaire d'un carter de l'actionneur
de coude 33 et une extrémité pourvue d'une fente
longitudinale 353, de forme oblongue, recevant à
coulissement un tenon de l'interface 351. Un verrou à
levier 354 est engagé dans le tenon de l'interface 351 et
a sa tige reçue dans la fente longitudinale 353 et sa tête
en appui contre la bride 352 pour immobiliser l'interface
351 en position le long de la bride 352. L'interface 351
de contact avec le bras de l'utilisateur est disposée entre
l'actionneur de coude 33 et la quatrième articulation 34.
L'actionneur de coude 33 a un arbre de sortie dont est
solidaire un levier 331 relié à un segment d'avant-bras 37
par une cinquième articulation 38 comprenant des paliers
381 solidaires du levier 331 et un arbre 382 ayant des
extrémités engagées dans les paliers 381 pour constituer
un cinquième axe d'articulation A5 sensiblement
perpendiculaire à une direction longitudinale du segment
d'avant-bras 37 et à l'axe moteur M2.
L'actionneur de coude 33 est ainsi relié à la quatrième
articulation A4 par une première platine de liaison 35
réglable en longueur.
Le segment d'avant-bras 37 comprend une interface proximale
371 de contact avec l'avant-bras de l'utilisateur au
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voisinage de son coude et une interface distale 372 de
contact avec l'avant-bras de l'utilisateur au voisinage de
son poignet, le segment d'avant-bras 37 comprend un organe
de réglage en position le long du segment d'avant-bras 37
d'au moins l'une de l'interface proximale 371 et de
l'interface distale 372. L'interface proximale 371 est
solidaire de l'arbre 382 et est pourvue, à l'opposé, d'une
platine 3711 qui est montée pour coulisser sur l'interface
distale 372 et qui comporte une fente longitudinale 3712.
Un verrou à levier 373 est engagé dans l'interface
proximale 372 et a sa tige reçue dans la fente
longitudinale 3712 et sa tête en appui contre la platine
3711 pour immobiliser l'interface proximale 372 en position
le long de la platine 3711.
Des butées sont aménagées pour limiter certains mouvements,
comme par exemple la barre 221 limitant le coulissement du
chariot 23. Parmi ces butées, il y a également la surface
232 du chariot 23 qui vient en contact avec la surface 242
de l'actionneur d'épaule 24 lorsque le bras est en
extension maximale vers l'arrière (voir la structure
scapulaire droite sur la figure 8 et en figure 9) et la
surface 233 du chariot 23 qui vient en contact avec la
surface 244 de la bride 26 de l'actionneur d'épaule 24
lorsque le bras est ramené devant le torse et la main vient
saisir l'épaule opposée. Lorsque la surface 232 du chariot
23 est en contact avec la surface 242 de l'actionneur
d'épaule 24, la bride 26 portant l'actionneur d'épaule
forme un angle de 160 environ (sens trigonométrique sur
la figure 9) avec la direction de guidage du chariot 23
(c'est-à-dire avec la direction longitudinale des rails
22) : l'axe moteur M1 qui s'étend à 90 par rapport à la
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bride 26 forme un angle de 65 environ (sens
trigonométrique sur la figure 9) avec la direction de
guidage du chariot 23. Lorsque la surface 233 du chariot
23 est en contact avec la surface 243 de l'actionneur
d'épaule 24, la bride 26 portant l'actionneur d'épaule
forme un angle de 225 environ (sens trigonométrique sur
la figure 9) avec la direction de guidage du chariot 23
(c'est-à-dire avec la direction longitudinale des rails
22) : l'axe moteur M1 forme un angle de 135 environ (sens
trigonométrique sur la figure 9) avec la direction de
guidage du chariot 23.
De la même manière, il est possible également de prévoir
des butées pour limiter le pivotement des articulations
31, 34 et 38.
La structure dorsale 10, la ceinture ventrale 40 et les
interfaces de contact 351, 371, 372 sont pourvues de
coussinets pour prendre appui sur le corps de l'utilisateur
sans risquer de le blesser. La ceinture ventrale 40 et les
interfaces de contact 351, 371, 372 sont en outre pourvues
chacune d'une sangle pour entourer la partie du corps de
l'utilisateur contre laquelle elle prend appui. Ladite
sangle peut être pourvue de moyens auto-agrippant de type
boucles et crochets, ou d'une boucle de serrage. Ces
sangles constituent des moyens de fixation des différentes
structures aux corps de l'utilisateur.
On notera que le coulissement du chariot 23 permet à la
fois de s'adapter à la morphologie de l'utilisateur et de
suivre ses mouvements. De préférence, les rails 22 sont
rapportés de manière démontable sur l'arbre 212 de telle
manière que les rails 22 puissent être remplacés par des
rails de grande longueur pour un usage par un utilisateur
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de très large carrure. En effet, le chariot 23 doit
permettre à l'actionneur d'épaule de toujours se trouver
au voisinage de l'articulation de l'épaule. Plus
précisément, le chariot 23 permet d'aligner la projection
de l'axe moteur M1 sur le centre de la tête de l'humérus
de l'utilisateur ou sur la zone de liaison entre l'humérus
et la scapula, zone qui correspond au centre de rotation
de l'articulation.
On comprend que les platines 41, 35 et 3711 permettent
d'adapter l'exosquelette à la morphologie de
l'utilisateur.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de
réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans
le champ de l'invention telle que définie par les
revendications.
En particulier, l'exosquelette peut avoir une structure
différente de celle représentée.
La première articulation peut ne comprendre qu'un seul
ressort. Le premier organe élastique peut avoir une
structure différente de celle décrite. Les ressorts de
torsion antagonistes du premier organe élastique peuvent
être remplacés par des ressorts en spirale ou des ressorts
de compression ou d'extension montés entre ergots.
Le deuxième organe élastique de rappel du chariot peut
avoir une structure différente et par exemple comprendre
des ressorts montés directement entre le chariot et la
première articulation, c'est-à-dire un montage sans câble.
Le troisième organe élastique de rappel peut avoir une
structure différente de celle décrite et comprendre un
ressort de traction et un ressort de tension séparés.
Le segment de bras peut avoir une structure différente de
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celle décrite et par exemple être dépourvu de tige emboîtée
dans un fourreau et comprendre par exemple deux tringles
s'étendant côte à côte et reliées l'une à l'autre par une
glissière. Plutôt que d'avoir une liaison pivot-glissant
entre la tige et son fourreau, on peut avoir une liaison
glissière simple. Le segment de bras peut alors être
dépourvu de pivot autour de l'axe longitudinal du segment
de bras ou au contraire comprendre une liaison pivot
aménagée à l'extrémité de la tige et/ou du fourreau.
L'exosquelette peut être dépourvu d'actionneur de coude et
de segment d'avant-bras.
Les moyens de réglage en hauteur de la structure dorsale
par rapport à la ceinture lobaire peuvent être différent
de ceux décrit et comprendre par exemple une molette montée
pour pivoter sur la ceinture lombaire et pourvu d'un
maneton décentré engagé dans une rainure horizontale de la
structure dorsale.
Par sensiblement parallèles , on entend que les axes
sont parallèles entre eux au plus à cinq degrés près. Il
en est de même pour sensiblement perpendiculaires .
Les actionneurs peuvent incorporer des moteurs électriques
ou des ressorts de torsion.
Les verrous à levier peuvent être remplacés par des vis ou
un système à crans et cliquets. Les platines de longueur
réglables sont facultatives dans le cas où l'exosquelette
est fait sur mesures pour un utilisateur.
Date Reçue/Date Received 2022-07-13
