WO2020043801A1 - Exosquelette adapté à générer un effort de compensation d'intensité variable en fonction de la position d'un membre supérieur d'un utilisateur - Google Patents

Exosquelette adapté à générer un effort de compensation d'intensité variable en fonction de la position d'un membre supérieur d'un utilisateur Download PDF

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pivot
elastic member
user
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Simon MASSONNIER
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Human Mechanical Technologies
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    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
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    • A61F5/013—Orthopaedic devices, e.g. long-term immobilising or pressure directing devices for treating broken or deformed bones such as splints, casts or braces specially adapted for correcting deformities of the limbs or for supporting them; Ortheses, e.g. with articulations for the arms, hands or fingers
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    • A61F2005/0132—Additional features of the articulation
    • A61F2005/0155—Additional features of the articulation with actuating means
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    • A61F2005/0132—Additional features of the articulation
    • A61F2005/0172—Additional features of the articulation with cushions

Definitions

  • the invention relates to devices comprising a mechanical structure adapted to assist a user to support a load. It is in the field of exoskeletons and relates more particularly to an exoskeleton generating a variable compensation force as a function of the position of a user's upper limb, in particular its angular position.
  • load is meant in this text, a weight supported by a user, that is to say the weight of his own upper limbs possibly added the weight of one or more objects handled.
  • An exoskeleton makes it possible in particular to prevent musculoskeletal disorders by assisting the upper limbs of a user when handling more or less heavy objects and / or when performing repetitive gestures.
  • An exoskeleton generally has a structure in the form of rigid elements articulated to each other.
  • it comprises a support structure intended to be fixed to the back of a user, connected to two articulated arms intended to be fixed to the upper limbs of a user.
  • Actuators usually electric motors, are arranged on the arms to develop a compensating force that goes against the weight of the load to be supported.
  • an exoskeleton to a user is carried out on the one hand, by a harness fixed to the carrying structure and intended to be adjusted against the back of a user, and on the other hand, by organs of clip connected to the articulated arms and intended to receive the upper limbs of a user.
  • a disadvantage of the exoskeletons of the state of the art lies in their need to have a source of electrical energy to power the actuators in order to generate the compensation force. Indeed, in addition to making the design of the mechanism more complex and having a negative impact on the cost of producing the exoskeleton, the use of actuators reveals problems related to the storage of electrical energy, in particular the autonomy of batteries.
  • exoskeletons generally include two arms connected to a support structure.
  • a spring is attached, on the one hand, to the supporting structure and, on the other hand, to each arm of the exoskeleton, so as to apply a moment of force on each arm.
  • the arms have a stable equilibrium position in which they generally extend horizontally.
  • the upper limbs of a user are therefore positioned substantially horizontally in an equilibrium position when using these exoskeletons.
  • This position is not a natural rest position, that is to say a neutral position, for the user and can therefore be uncomfortable if the user wears the exoskeleton for too long.
  • this position can present a danger to the user since it increases the risk of accident, for example collision, with people or surrounding objects.
  • the present invention aims to overcome the aforementioned drawbacks by proposing an exoskeleton whose compensation efforts that it develops are variable depending on the position of the arms of a user, in particular their inclination.
  • Another objective of the invention is to propose a relatively light exoskeleton, of simple design and the production of which is inexpensive.
  • the present invention relates, for this purpose, to an exoskeleton comprising at least one upper limb module comprising:
  • the articulation mechanism forms a deformable parallelogram configured so that the movement of the arm between its working position and its rest position causes an angular displacement of the elastic member with respect to said arm so that the direction of the force of elastic return is oriented substantially towards the axis of rotation of the arm when said arm is in the rest position, that is to say that said direction of the elastic return force passes through the axis of rotation of the arm.
  • This rest position of the exoskeleton arm corresponds to a rest position of a user of said exoskeleton. exoskeleton, in which its upper limbs are folded along its body, that is to say a position in which it does not require assistance.
  • the exoskeleton offers assistance to a user only when it is likely to support a load, that is to say when the arm of the exoskeleton is moved into the working position by the user.
  • the exoskeleton arm occupies the working position over a predefined angular range, in which the user is capable of supporting the weight of his own upper limb linked to the exoskeleton arm, as well as the weight of a possible object. manipulated by said upper limb.
  • This characteristic allows a user to be able to occupy a natural position of rest without having to oppose a compensation effort.
  • the compensation force is variable in the sense that it gradually increases when the angle formed between the elastic member and the arm of the exoskeleton increases, during the rotation of said arm.
  • the exoskeleton thus compensates for the weight of the upper limb (s) of the user when the arm of the exoskeleton is in the working position, that is to say, when it is not in the rest position, without that the user is not forced to fight against the compensation effort.
  • the exoskeleton therefore presents great comfort in use.
  • the invention also meets the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operative combinations.
  • the parallelogram is configured so that, when the arm is rotated from one to the other of its extreme angular positions, the intensity of the compensation force increases up to 'to a maximum value, then decreases.
  • the effort made by a user to support a load is maximum when his upper limbs are extended along a horizontal axis, for example parallel to the sagittal plane of his body.
  • this deployed effort varies so as to increase to a maximum value, then to decrease, as the user raises upper limbs, for example by exerting an anti-drive movement, from a position natural rest to an extreme opposite position.
  • the parallelogram can be dimensioned so that the maximum intensity of the compensating effort can coincide, according to the needs of a user, with a position in which his upper limbs are in an inclined position relative to a horizontal axis. This need appears in particular in the case in which a user must carry out a mission in which he is forced to position his members for a significant period in this inclined position.
  • the parallelogram comprises four pivots including:
  • connection element - a first and a second pivot arranged on a connection element of the support structure, the first pivot connecting the connection element to at least one first link and the second pivot connecting the connection element to the arm,
  • the design of the exoskeleton is simple insofar as it comprises a relatively small number of elements and where these elements are simple to manufacture and to assemble.
  • the connecting element comprises a cantilever part on which the second pivot is arranged so that, when the arm is in the rest position, the longitudinal axis of said arm is substantially parallel to the axis of rotation of the connecting element. More particularly, in this position, the arm is arranged so as to extend, along a vertical axis, under the cantilever part.
  • the arm rest position corresponds to a natural rest position of the user in which his associated upper limb is folded against his body.
  • the first and second links are dimensioned so as to form an angle oriented towards the inside of the deformable parallelogram of at most 170 degrees when the arm occupies the rest position.
  • the deformable parallelogram is dimensioned so that this angle is as small as possible, taking account in particular of the compactness constraints of the articulation mechanism.
  • the deformable parallelogram is dimensioned so that the value of this angle is approximately equal to 160 degrees.
  • This characteristic is advantageous in the sense that it prohibits an inversion of the articulation mechanism during the movement of the arm, that is to say a situation in which the first and second rods and the fourth pivot would be extended inwards. of the parallelogram. Such an inversion would be detrimental to the proper functioning of the articulation mechanism because the movement of the arm would be limited.
  • This characteristic therefore contributes to increasing the reliability of the exoskeleton and its lifespan.
  • the exoskeleton comprises at least one system for adjusting the intensity of the compensation force configured to modify the direction of the elastic restoring force of the elastic member, for a arm position given.
  • this system for adjusting the intensity of the compensation force does not modify the dimensions of the deformable parallelogram.
  • Such an adjustment system makes it possible to be able to use the same exoskeleton to assist the support of loads of different weights.
  • such an adjustment system makes it possible, by modifying the lever arm of the elastic member, to vary the intensity of the compensation force up to 80% of a given nominal value, for a position of given arm work.
  • the system for adjusting the intensity of the compensating force is provided for sliding one end of the elastic member in a direction parallel to the longitudinal axis of the at least a second link, so as to modify a lever arm at the origin of the compensation effort.
  • the adjustment system comprises an endless screw movably fixed in rotation to the fourth pivot by one of its ends and to the third pivot by its other end, and a nut cooperating with the screw and connected to one end of the elastic member by a pivot hereinafter called “sixth pivot", so that the rotation of the screw causes said sixth pivot to slide along the latter.
  • the exoskeleton comprises means for modulating the compensation force, said modulation means being configured to slide the first pivot relative to the connecting element, so to modify one of the dimensions of the parallelogram.
  • This dimension preferably corresponds to a segment connecting the first and second pivots.
  • the modulation of the compensation effort advantageously makes it possible to modify the overall shape of the curve representative of the intensity of the compensation effort as a function of the angle of the exoskeleton arm.
  • the sliding of the first pivot causes the angular displacement of the elastic member so that, when the arm is in the rest position, the direction of the restoring force is not oriented towards the axis of rotation of the arm.
  • the form of the curve representing the intensity of the compensation effort as a function of the angle of the exoskeleton arm is no longer in the form of a bell curve.
  • the modulation system comprises an endless screw connected to the connecting element in a mobile manner in rotation and a nut cooperating with said endless screw.
  • the nut is fixed to the first pivot of the parallelogram, so that the rotation of the screw causes said first pivot to slide along the latter.
  • This characteristic contributes to the compactness of the exoskeleton.
  • the arm is formed by a profile having two side walls connected to each other by a bottom wall.
  • the elastic member is fixed to the arm so that it is at least partially housed between said side walls.
  • the elastic member is housed entirely between the side walls when the arm is in the rest position.
  • This characteristic also contributes to the compactness of the exoskeleton.
  • the or each supporting structure comprises two connecting rods hinged to one another by one of their end and linked in rotationally mobile manner, by their other end, for the one, to a module for fixing to a user, and for the other, to the connecting element.
  • the exoskeleton is capable of adapting to all the movements that can be performed by the articular complexes of the shoulder and the elbow.
  • the or each support structure comprises a single connecting rod linked in rotationally mobile manner, by one of its ends, to a module for fixing the exoskeleton to a user, and by its other end, to the connecting element.
  • the fixing module comprises a column extending along a longitudinal axis and guide rails extending perpendicular to said longitudinal axis of the column, along which the connecting rod of the or each supporting structure is free to slide during the use of the exoskeleton. Thanks to these characteristics, the exoskeleton is capable of adapting to all the movements that can be performed by the articular complexes of the shoulder and the elbow.
  • FIG. 1 a perspective view of an exoskeleton according to the present invention, the exoskeleton comprising a load-bearing structure according to a first embodiment
  • FIG. 2 a perspective view of an upper limb module of the exoskeleton of Figure 1, said module comprising an arm in the rest position,
  • FIG. 3 a detailed perspective view of the upper limb module of the exoskeleton of FIG. 2, certain elements being shown in transparency so as to reveal an articulation mechanism of the exoskeleton,
  • FIG. 4 a detailed perspective view of the upper limb module of Figure 2, in which the arm is in the working position, certain elements being shown in transparency so as to reveal the articulation mechanism,
  • the exoskeleton comprising means for modulating the effort of compensation activated
  • FIGS. 6a to 6c schematic representations of a side view of the articulation mechanism, of the arm and of an elastic member of an exoskeleton of FIG. 1, in which the arm is in the same angular position, and in which the elastic member is oriented in different positions,
  • FIGS. 7a to 7c graphs whose respective curves represent the intensity of an exoskeletal compensation effort as a function of the angle of the arm relative to a horizontal axis, a system for adjusting the intensity of the compensation force being adjusted to different adjustment levels in each of FIGS. 7a to 7c,
  • FIG. 8 a perspective view of a part of an exoskeleton according to the present invention, the exoskeleton comprising a supporting structure according to another embodiment.
  • the present invention relates to an exoskeleton 10 as shown in FIG. 1, preferably comprising two upper limb modules 20 provided to assist a user in the load carrier, that is to say provided to compensate all or part of the weight of the upper limbs of the user and possibly one or more objects manipulated by the user.
  • a single upper limb module 20 is described for reasons of clarity and conciseness.
  • the two upper limb modules 20 are symmetrical to one another and include identical or similar elements and parts.
  • the upper limb module 20 comprises a support structure 21 to which an arm 22 is articulated by means of an articulation mechanism 23.
  • the articulation mechanism 23 is arranged between the arm 22 and a connecting element 210 of the supporting structure 21.
  • the articulation mechanism 23 forms a deformable parallelogram. Thanks to the articulation mechanism 23, the arm 22 is movable between two extreme angular positions, one of which corresponds to a rest position, the arm occupying a working position during its travel between its rest position and its other extreme angular position ,
  • the arm 22 extends along a longitudinal axis between an end called “distal end” and an end called “proximal end”. It is preferably formed by a profile comprising two side walls connected to each other by a bottom wall, the cross section of said profile having a U shape, as illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • the arm 22 of the exoskeleton 10 is intended to be fixed to one of the upper limbs of a user by an attachment member 25.
  • the attachment member 25 comprises advantageously a sleeve intended to grip the upper limb of the user.
  • Figures 1 to 4 show that the sleeve is fixed to the arm 22 by a fixing element. More particularly, the fastening element extends from one of the side walls of the arm 22 and supports the sleeve at a distance from said arm 22 so that the latter does not interfere with the travel of the upper limb of the user when it is in motion.
  • the rest position of the arm 22 corresponds to a position of the user in which his associated upper limb, that is to say that fixed to the attachment member 25, is released, folded down along the body of said user . In this position, the user does not require assistance, he has no load to handle.
  • the longitudinal axis of arm 22 is then substantially parallel to a vertical axis, as shown in FIG. 2.
  • the arm 22 is driven into its working position by the user when he straightens his associated upper limb, for example, by an anti-pulse movement. In this position, the user is likely to support a load, it requires assistance.
  • the arm 22 is in the working position when it is not in the rest position.
  • vertical is defined in a direction parallel to the direction of gravity and that the term “horizontal” is defined in a direction substantially perpendicular to a vertical direction.
  • horizontal is defined in a direction substantially perpendicular to a vertical direction.
  • the connecting element 210 comprises a body having two lateral flanges 211 fixed to each other by at least one spacer element.
  • each lateral flange 211 is fixed to a side wall of the arm 22, so that the arm 22 is interposed between said lateral flanges 211.
  • the body of the connecting element 210 comprises a cantilevered part, that is to say a part which projects from the rest of said body.
  • the articulation mechanism 23 comprises two pivots arranged on the connecting element 210, of which a first pivot 230 connects said connecting element 210 to at least one first link 231 and of which a second pivot 232 connects the connecting element 210 to the proximal end of the arm 22.
  • the second pivot 232 is arranged on the cantilever part of the connecting element 210 so that, when the arm 22 is in the rest position, it is disposed under said cantilevered part. -false, as shown in Figures 2 and 3, its longitudinal axis being substantially parallel to a vertical axis.
  • the arm 22 is arranged so that its rest position corresponds to a natural rest position of the upper limb of the user associated with it, in which said upper limb is folded against the body of said user.
  • first and second pivots 230 and 232 are arranged relative to each other so that a segment extending from the second pivot 232 to the first pivot 230 is inclined relative to a vertical axis towards a side opposite to the arm 22, as visible in FIGS. 1 to 4.
  • the articulation mechanism 23 comprises a third pivot 233, arranged on the arm 22 between its proximal and distal ends, connecting at least one second link 234 with said arm 22.
  • the third pivot 233 is closer to the proximal end of the arm 22 than to the distal end.
  • the articulation mechanism 23 also includes a fourth pivot 235 connecting the first and second links 231 and 234 to each other.
  • the exoskeleton 10 comprises an elastic member 24 connected, on the one hand, to the arm 22, and on the other hand, to the articulation mechanism 23 so as to generate a moment of force called "compensation force" tending to oppose a vertical force applied to the arm 22.
  • This force is representative of the weight of a load supported by the user. In other words, the compensation effort tends to raise the arm 22.
  • the compensation force is the result of an elastic restoring force of the elastic member 24.
  • the compensation force is only generated by the elastic member 24, which makes it possible to get rid of any source of electrical energy and drawbacks linked in particular to its storage.
  • the elastic member 24 is formed by a gas spring, as shown in FIGS. 1 to 4, but can, alternatively, be formed by a mechanical spring (a tension spring or a compression spring), a elastic link, etc ...
  • the elastic member 24 is connected in rotationally mobile manner, by a first end, to the fourth pivot 235, preferably so that its axis of rotation coincides with that of said fourth pivot 325.
  • This characteristic makes it possible to propose a compact design of the articulation mechanism 23 and more generally of the exoskeleton 10, while optimizing the use of the elastic restoring force of the elastic member 24, which allows a contained sizing of said elastic return member.
  • Another advantageous effect of these characteristics lies in the fact that they participate in simplifying the manufacture of the exoskeleton.
  • the elastic member 24 comprises a pivot hereinafter called “fifth pivot” 240 by which it is connected to the distal end of the arm 22.
  • the elastic member 24 is fixed to the arm 22 so that it is at least partially housed between its side walls.
  • the fifth pivot 240 is arranged on each of the side walls, so that when the arm 22 is in the rest position, the elastic member 24 is entirely housed between said side walls, as shown in Figures 2 and 3. This characteristic participates to compact the exoskeleton 10 and to promote its ergonomics.
  • the elastic member 24 is intended to work in traction.
  • the articulation mechanism comprises a pair of first links 231 and a pair of second links 234.
  • the first links 231 and the second links 234 are arranged on either side of the elastic member 24.
  • the elastic member 24 is interposed between the two links of each pair of first and second links 231, so that the compensation force is applied identically to said links of each pair of first and second link 231, 234.
  • This characteristic is advantageous insofar as it also makes it possible to participate in the compactness of the articulation mechanism 23.
  • the parallelogram is configured so that the compensation force generated by the elastic member 24 varies progressively as a function of the angular position of the arm 22 relative to the connecting element 210, said force being more important when the arm 22 is in the working position than when it is in the rest position.
  • the parallelogram is configured so that, when the arm 22 is moved around the second pivot 232, from its position of work to its rest position, the first and second links 231 and 234 drive the fourth pivot 235 in rotation around the third pivot 233, towards the second pivot 232, until it is arranged substantially in alignment of the longitudinal axis of the arm 22.
  • the direction of the resultant of the elastic restoring force applied to the fourth pivot is oriented substantially towards the second pivot 232, that is to say towards the axis of rotation of the arm, so that the compensation effort generated is zero or negligible.
  • the exoskeleton 10 therefore offers assistance to a user only when the user is likely to handle a load, that is to say when the arm 22 is in the working position.
  • the user can easily move the arm 22 from its working position to its rest position, the compensating force decreasing as the said arm 22 moves, as shown in the graph in FIG. 5.
  • the parallelogram is also configured so that when the arm 22 is moved from its rest position to its working position, the first and second links 231 and 234 drive the fourth pivot 235 in rotation around the third pivot 233 so as to move it away from the second pivot 232 and from the longitudinal axis of the arm 22.
  • the length of the segment corresponding to the orthogonal projection of the fourth pivot 235 on the longitudinal axis of the arm 22 is maximum, and the intensity of the compensation effort is maximum.
  • the arm continues to rotate around the second pivot 232, towards an extreme angular working position, the length of the segment corresponding to the orthogonal projection of the fourth pivot 235 on the longitudinal axis of the arm 22 decreases, and the intensity of the compensation force decreases.
  • the parallelogram is configured so that, when the arm 22 is rotated from one to the other of its extreme angular positions, the intensity of the compensation force increases to a maximum value, then decreases.
  • FIG. 5 represents the intensity of the compensation effort of an exoskeleton according to the preferred embodiment of the invention, as a function of the angle of inclination of the axis longitudinal of arm 22 with respect to a horizontal axis.
  • the intensity of the compensation force increases progressively, when the arm 22 moves from its rest position (defined at - 80 degrees on the graph) to a position in which the compensation effort reaches a maximum value (from -70 degrees to a value range between 30 and 40 degrees on the graph).
  • the intensity of the compensation force then decreases when the arm 22 is moved beyond 40 degrees to its extreme angular working position (defined at 70 degrees on the graph) in which the arm is in abutment of its stroke. angular.
  • the graph therefore presents a curve whose shape is of the so-called "bell curve” type comprising two portions, one of which is increasing and the other of which is decreasing.
  • the parallelogram can be dimensioned so that this bell curve is symmetrical or asymmetrical (as shown by the solid line curve in FIG. 5).
  • the deformable parallelogram is configured so that the maximum value of the compensation force coincides with the angle (or the angular range) in which the user is likely to require maximum assistance.
  • the deformable parallelogram is configured so that the intensity of the compensation force changes so proportional to the user's assistance needs, during the rotation of the arm 22 around the second pivot 232.
  • These assistance needs are characterized by the effort that the user would deploy to achieve a given mission.
  • the first links 231 when the arm 22 occupies the rest position, have an inclination of an angle a relative to a vertical axis.
  • the angle a can be between ten and thirty degrees.
  • first and second links 231 and 234 are dimensioned so as to form an angle oriented towards the inside of the deformable parallelogram of at most 170 degrees, when the arm 22 occupies the rest position.
  • This characteristic is advantageous in the sense that it prohibits an inversion of the articulation mechanism 23 during the movement of the arm 22, that is to say a situation in which the first and second links 231 and 234 and the fourth pivot 235 are would face inward of the parallelogram. Such an inversion would be detrimental to the proper functioning of the articulation mechanism 23 because the movement of the arm 22 would be limited.
  • the exoskeleton 10 comprises means 30 for modulating the compensation force.
  • modulation means 30 are intended to modify the behavior of the compensation force over a certain angular range of the rotation of the arm 22 around the second pivot 232; in this sense, they are capable of increasing or decreasing the intensity of a compensation effort over this so-called angular range.
  • the modulation means 30 are particularly advantageous for adapting the exoskeleton to optimally assist a user according to the mission he has to perform.
  • the modulation means 30 are arranged on the connecting element 210 and are connected to the first pivot 230.
  • the modulation means 30 are configured to slide said first pivot 230 so as to modify the dimension of the parallelogram corresponding to a segment connecting the first and second pivots 230 and 232.
  • the first pivot 230 is capable of sliding between a first extreme position called “high position” and a second extreme position called “low position”.
  • the modulation means are deactivated when the first pivot 230 is in the high position and are activated when the first pivot 230 is arranged at any point in a range of positions between its high position and its low position, the high position being excluded from this interval.
  • the first pivot 230 rotates the fourth pivot 235 around the third pivot 233 and varies the inclination of the second links 234 relative to the longitudinal axis of the arm 22, for a position arm angle 22 given.
  • This variation in inclination therefore has the effect of modifying the angle or the angular range of the arm 22 in which (which) the intensity of the compensation force is maximum.
  • the graph in FIG. 5 highlights the difference in the evolution of the compensation force as a function of the angle of the arm 22 depending on whether the modulation means are deactivated (curve in solid line) or activated, the first pivot 230 being in the low position (curve in broken line).
  • the modulation means 30 are therefore suitable for modifying the behavior of the compensation force so that, when the arm 22 occupies its rest position, a compensation force is generated.
  • This characteristic is particularly advantageous when the user performs a task in which he must be assisted in supporting a load, his upper limbs being positioned within a range. angular between -50 degrees to a horizontal axis and their rest position.
  • this modification of the elastic restoring force allows the exoskeleton to present a substantially constant compensation force over an extended angular range of rotation of the arm 22 around the second pivot 232.
  • This angular range is between approximately 50 and - 50 degrees on the broken line curve of the graph in Figure 5.
  • Another effect resulting from the modification of this dimension is to vary a defined distance between said fourth pivot 235 and the fifth pivot 240, corresponding to the length of the elastic member 24. It is understood here that, depending on whether this distance is increased or reduced, the elastic member 24 can be more or less prestressed.
  • the modification of the preload has a negligible effect compared to the other forces at play, so that it does not have a significant influence on the operation of the system.
  • the modulation means 30 comprise a screw-nut system, in which an endless screw 31 is connected to the connecting element 210 so mobile in rotation.
  • the endless screw 31 is engaged so as to rotate in a spacer piece 33 interposed between the two lateral flanges 211.
  • the endless screw 31 comprises a gripping head 34 adapted to be handled by a user, as illustrated in the Figures 1 to 4.
  • the modulation means 30 also comprise a nut 32 with which the endless screw 31 cooperates.
  • the nut 32 is fixed to the first pivot 230 so that the rotation of the screw causes said first pivot 230 to slide.
  • the stroke of the first pivot 230 when it is sliding, extends along the segment connecting the second pivot 232 and the first pivot 230.
  • the intensity of the effects of the modulation depends in particular on the degree of inclination of this segment with respect to a vertical axis.
  • the lateral flanges 211 comprise means for sliding the first pivot 230.
  • the guide means are formed by an oblong slot 35 arranged in each of the side flanges 211, in each of which is housed a stud of the first pivot 230.
  • the studs of the first pivot 230 extend in a direction coaxial with the axis of rotation of said first pivot 230.
  • the exoskeleton 10 comprises a system for adjusting the intensity of the compensation force provided for modifying the direction of the elastic restoring force of the elastic member 24, for a given position of the arm 22.
  • the adjustment system is configured to slide the first end of the elastic member 24 in a direction parallel to the longitudinal axis of the second links 234.
  • the adjustment system may comprise a screw-nut system, in which a screw is fixed movably in rotation and fixed in translation to the fourth pivot 235, by one of its ends , and to the third pivot 233, by its other end, so as to extend along an axis parallel to the longitudinal axis of the second links 234.
  • the screw is interposed between the two second links 234.
  • the screw cooperates with a nut in a helical connection so that its rotation causes the nut to move along a segment connecting the third and fourth pivots 233 and 235.
  • the first end of the elastic member 24 is connected to the nut by a pivot hereinafter called “sixth pivot” 241, schematically represented in FIGS. 6a to 6c, so as to have rotational mobility along an axis parallel to the third and fourth pivots 233 and 235. It is understood here that the elastic return member applies the elastic return force to the sixth pivot 241.
  • the adjustment system is configured to modify the lever arm of the elastic member 24.
  • the rotation of the screw causes the nut to move in translation, and therefore the sixth pivot 241, along a segment connecting the third and fourth pivots 233 and 235.
  • the angle formed by the pivots 241, 240, 233 varies depending on the position of the sixth pivot 241 between the third and fourth pivots 233 and 235.
  • FIGS. 6a to 6c schematically represent respectively a side view of the articulation mechanism 23, the arm being in the same working position and the position of the sixth pivot 241 moving between the third and fourth pivots 233 and 235.
  • FIGS. 7a to 7c respectively illustrate the intensity of the exoskeleton compensation force, as a function of the angle of inclination of the longitudinal axis of the arm 22 relative to a horizontal axis, for each of the positions of adjustment of the intensity of the compensation force illustrated in FIGS. 6a to 6c.
  • the graph in FIG. 7a is representative of an exoskeleton as schematically represented in FIG. 6a, in which the angle a is small, the sixth pivot 241 being substantially closer to the third pivot 233 than to the fourth pivot 235 .
  • the graph in FIG. 7b is representative of an exoskeleton as schematically represented in FIG. 6b, in which the sixth pivot 241 is arranged substantially equidistant between the third pivot 233 and the fourth pivot 235.
  • the graph in FIG. 7c is representative of an exoskeleton as schematically represented in FIG. 6c, in which the angle a is maximum, the sixth pivot 241 being coaxial with the fourth pivot 235. As illustrated by the comparison of FIGS. 7a to 7c, the maximum intensity of the compensation forces increases as the angle a increases.
  • the adjustment system therefore does not modify any dimension of the parallelogram, but only the position of the sixth pivot 241.
  • Each supporting structure 21 comprises at least one connecting rod connecting the connecting element 210 to a fixing module 40 of the exoskeleton 10 to a user.
  • each support structure 21 comprises at least two connecting rods hereinafter called “first connecting rod” 212 and “second connecting rod” 213, each first connecting rod 212 being articulated to the second connecting rod 213 by one of its ends.
  • the first connecting rod 212 is movably fixed in rotation about a vertical axis to the body of the connecting element 210 and the second connecting rod 213 is connected to the fixing module 40 exoskeleton 10.
  • the supporting structure 21 is preferably dimensioned so that the axis of rotation of the second pivot 232 is arranged coaxially with an axis of rotation of the upper limb of the user of the exoskeleton 10, when the latter performs a movement of pre-drive or retro-drive.
  • the fixing module 40 comprises a column 41 extending along a longitudinal axis between two ends respectively called “upper end” and “lower end”.
  • This column 41 is preferably made in one piece in one piece, in rigid material, for example in metallic material.
  • a support member is slidably engaged along the column 41, preferably at its upper end.
  • This support member has the form of a housing 42 comprising a through orifice through which it is engaged on the column 41.
  • the housing 42 comprises means for stopping in translation.
  • the housing 42 may be provided with a locking member comprising an operating button extended by a stud intended to cooperate with a hole in a series of holes made along the column 41.
  • the locking member can comprise a spring arranged so as to force the stud to be housed in one of the holes to immobilize the housing 42 in translation relative to the column 41.
  • Two sections 43 extend respectively on either side of the housing 42, preferably coaxially from one another.
  • These profiles 43 constitute sliding rails of an articulation element 44 connected to the end of each second connecting rod 213 with a degree of freedom in rotation preferentially along a vertical axis.
  • means for stopping in translation are provided for immobilizing the articulation elements, at a predefined distance from the housing. Changing this distance allows you to adjust the exoskeleton based on the size of a user.
  • the sections 43 may have a cross section substantially in the shape of a T.
  • the articulation elements 44 may have a cross section, part of which has a shape substantially complementary to the shape of the sections 43, so that said sections 43 and the articulation elements 44 are adapted to cooperate in sliding with one another without authorization to rotate along a longitudinal axis of the sections 43.
  • the first and second connecting rods 212 and 213 are rotated relatively relative to each other and relative to the articulation element 44 and to the connection element 210.
  • each support structure 21 comprises a single connecting rod 214 connected by one of its ends to the connecting element 210 and by its other end to the articulation element 44.
  • each connecting rod is bent to improve the ergonomics of the exoskeleton, and therefore its comfort of use.
  • the articulation element is free to slide along the profile between two end of travel stops.
  • the connecting rod is rotated relative to the connecting element 210 and to the element d articulation 44, consequently driving said articulation element 44 in translation along the profile.
  • the profiles 43 and the housing 42 are preferably rigidly fixed on the same support plate, as shown in Figure 1.
  • Support elements 45 are provided to receive the upper part of the back of a user. These support elements 45 are fixed to the plate, opposite the profiles 43 and the housing 42.
  • the fastening module 40 comprises a belt rigidly fixed to the lower end of the column 41 and two lateral straps 46, each of which is fixed by a first end to the belt and by a second end to the support member. More particularly, the straps 46 are provided to be fixed to the support plate.

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Abstract

L'exosquelette (10) comprend au moins un module de membre supérieur (20) comportant : - au moins une structure porteuse (21), - au moins un bras (22) s'étendant selon un axe longitudinal, ledit bras (22) étant relié à la structure porteuse (21) par un mécanisme d'articulation (23) de sorte à être mobile entre une position de travail et une position de repos, - un organe élastique (24) fixé audit bras (22) et audit mécanisme d'articulation (23) de sorte à générer, grâce à une force de rappel élastique, un moment de force dit « effort de compensation » appliqué au bras (22), le mécanisme d'articulation (23) formant un parallélogramme déformable configuré de sorte que l'effort de compensation généré par l'organe élastique (24) est plus important lorsque le bras (22) est en position de travail que lorsqu'il est en position de repos.

Description

EXOSQUELETTE ADAPTÉ À GÉNÉRER UN EFFORT DE COMPENSATION D’INTENSITÉ VARIABLE EN FONCTION DE LA POSITION D’UN MEMBRE
SUPÉRIEUR D’UN UTILISATEUR
Domaine de l’invention
L’invention relève des dispositifs comprenant une structure mécanique adaptée à assister un utilisateur à supporter une charge. Elle s’inscrit dans le domaine des exosquelettes et concerne plus particulièrement un exosquelette générant un effort de compensation variable en fonction de la position d’un membre supérieur d’un utilisateur, notamment de sa position angulaire.
Par le terme « charge », on entend dans le présent texte, un poids supporté par un utilisateur, c’est-à-dire le poids de ses propres membres supérieurs additionné éventuellement du poids d’un ou plusieurs objets manipulés.
État de l’art
Un exosquelette permet notamment de prévenir les troubles musculo- squelettiques en assistant les membres supérieurs d’un utilisateur lors de la manutention d’objets plus ou moins lourds et/ou dans la réalisation de gestes répétitifs.
Un exosquelette présente généralement une structure sous la forme d’éléments rigides articulés les uns aux autres. Notamment, il comprend une structure porteuse destinée à être fixée au dos d’un utilisateur, reliée à deux bras articulés destinés à être fixés aux membres supérieurs d’un utilisateur. Des actionneurs, généralement des moteurs électriques, sont agencés sur les bras pour développer une force de compensation allant à l’encontre du poids de la charge à supporter.
Généralement, la fixation d’un exosquelette à un utilisateur est réalisée d’une part, par un harnais fixé à la structure porteuse et prévu pour être ajusté contre le dos d’un utilisateur, et d’autre part, par des organes d’attache reliés aux bras articulés et prévus pour recevoir des membres supérieurs d’un utilisateur. Un inconvénient des exosquelettes de l’état de la technique réside dans leur besoin de disposer d’une source d’énergie électrique pour alimenter les actionneurs afin de générer la force de compensation. En effet, en plus de complexifier la conception du mécanisme et d’impacter négativement le coût de production de l’exosquelette, l’utilisation d’actionneurs fait apparaître des problèmes liés au stockage de l’énergie électrique, notamment à l’autonomie des batteries.
Pour résoudre ces inconvénients, des exosquelettes dont l’effort de compensation est uniquement généré par des organes élastiques, par exemple par des ressorts de traction, ont été développés.
De tels exosquelettes comprennent généralement deux bras reliés à une structure porteuse. Un ressort est fixé, d’une part, à la structure porteuse et, d’autre part, à chaque bras de l’exosquelette, de sorte à appliquer un moment de force sur chaque bras.
Les bras présentent une position d’équilibre stable dans laquelle ils s’étendent généralement horizontalement. Les membres supérieurs d’un utilisateur sont donc positionnés sensiblement horizontalement en position d’équilibre lorsqu’il utilise ces exosquelettes.
Cette position n’est pas une position naturelle de repos, c’est-à-dire une position neutre, pour l’utilisateur et peut donc se révéler inconfortable si l’utilisateur porte l’exosquelette trop longtemps.
En outre, cette position peut présenter un danger pour l’utilisateur dans la mesure où elle augmente le risque d’accident, par exemple de collision, avec des personnes ou objets environnants.
Aussi, si l’utilisateur veut occuper une position naturelle de repos, c’est-à-dire, aligner ses bras le long de son corps, il doit exercer un effort allant à l’encontre de l’effort de compensation. On comprend ici que l’utilisation de tels exosquelettes se révèle très contraignante dès lors que l’utilisateur souhaite incliner ses membres vers le bas.
En outre, les exosquelettes de l’art antérieur présentent un poids relativement élevé et ne sont donc pas adaptés à un usage prolongé dans le temps. Exposé de l’invention
La présente invention a pour objectif de palier les inconvénients précités en proposant un exosquelette dont les efforts de compensation qu’il développe sont variables en fonction de la position des bras d’un utilisateur, notamment de leur inclinaison.
Un autre objectif de l’invention est de proposer un exosquelette relativement léger, de conception simple et dont la production est peu coûteuse.
La présente invention concerne, à cet effet, un exosquelette comprenant au moins un module de membre supérieur comportant :
- au moins une structure porteuse,
- au moins un bras destiné à être fixé à un membre supérieur d’un utilisateur, ledit bras s’étendant selon un axe longitudinal et étant relié à la structure porteuse par un mécanisme d’articulation de sorte à être mobile entre deux positions angulaires extrêmes dont une correspond à une position de repos, le bras occupant une position de travail lors de sa course entre sa position de repos et son autre position angulaire extrême,
- un organe élastique fixé audit bras et audit mécanisme d’articulation de sorte à générer, grâce à une force de rappel élastique, un moment de force dit « effort de compensation » appliqué au bras.
Le mécanisme d’articulation forme un parallélogramme déformable configuré de sorte que le déplacement du bras entre sa position de travail et sa position de repos entraîne un déplacement angulaire de l’organe élastique par rapport audit bras de telle sorte que la direction de la force de rappel élastique soit orientée sensiblement vers l’axe de rotation du bras lorsque ledit bras est en position de repos, c’est-à-dire que ladite direction de la force de rappel élastique passe par l’axe de rotation du bras.
Par conséquent, lorsque le bras est en position de repos, le bras de levier générant le moment de force est faible ou nul et donc l’effort de compensation est négligeable ou nul. Cette position de repos du bras de l’exosquelette correspond à une position de repos d’un utilisateur dudit exosquelette, dans laquelle ses membres supérieurs sont rabattus le long de son corps, c’est-à-dire une position dans laquelle il ne nécessite pas d’être assisté.
Grâce à cette caractéristique, l’exosquelette offre une assistance à un utilisateur seulement lorsqu’il est susceptible de supporter une charge, c’est-à- dire lorsque le bras de l’exosquelette est déplacé en position de travail par l’utilisateur. Le bras de l’exosquelette occupe la position de travail sur une plage angulaire prédéfini, dans laquelle l’utilisateur est susceptible de supporter le poids de son propre membre supérieur lié au bras de l’exosquelette, ainsi que le poids d’un éventuel objet manipulé par ledit membre supérieur.
Cette caractéristique permet à un utilisateur de pouvoir occuper une position naturelle de repos sans avoir à s’opposer à un effort de compensation.
En outre, grâce à ces caractéristiques, l’effort de compensation est variable dans le sens où il augmente progressivement lorsque l’angle formé entre l’organe élastique et le bras de l’exosquelette augmente, lors de la rotation dudit bras. L’exosquelette compense ainsi le poids du ou des membres supérieurs de l’utilisateur lorsque le bras de l’exosquelette est en position de travail, c’est-à-dire, lorsqu’il n’est pas en position de repos, sans que l’utilisateur ne soit contraint de lutter contre l’effort de compensation. L’exosquelette présente, par conséquent, un grand confort d’utilisation.
Un autre avantage de ces caractéristiques réside dans le fait que l’effort de compensation est exclusivement généré par un organe de rappel élastique. L’exosquelette présente donc une conception simple et est relativement peu onéreux.
Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaison techniquement opérantes.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le parallélogramme est configuré de sorte que, lors de la rotation du bras de l’une à l’autre de ses positions angulaires extrêmes, l’intensité de l’effort de compensation croît jusqu’à une valeur maximale, puis décroît. L’effort déployé par un utilisateur pour supporter une charge est maximal lorsque ses membres supérieurs sont étendus selon un axe horizontal par exemple parallèle au plan sagittal de son corps. Ainsi, cet effort déployé varie de sorte à croître jusqu’à une valeur maximale, puis à décroître, au fur et à mesure que l’utilisateur élève des membres supérieurs, par exemple en exerçant un mouvement d’anté-pulsion, depuis une position naturelle de repos jusqu’à une position extrême opposée.
On voit ici que la caractéristique précitée permet de répondre précisément au besoin d’assistance d’un utilisateur, l’exosquelette fournissant une assistance d’intensité proportionnelle selon les besoins d’un l’utilisateur.
Il est à noter que le parallélogramme peut être dimensionné de sorte que l’intensité maximale de l’effort de compensation peut coïncider, selon les besoins d’un utilisateur, avec une position dans laquelle ses membres supérieurs sont en position inclinée par rapport à un axe horizontal. Ce besoin apparaît notamment dans le cas dans lequel un utilisateur doit réaliser une mission dans laquelle il est contraint de positionner ses membres pendant une durée importante dans cette position inclinée.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le parallélogramme comprend quatre pivots dont :
- un premier et un deuxième pivot agencés sur un élément de liaison de la structure porteuse, le premier pivot reliant l’élément de liaison à au moins une première biellette et le deuxième pivot reliant l’élément de liaison au bras,
- un troisième pivot agencé sur le bras, reliant au moins une seconde biellette avec ledit bras, l’organe élastique étant relié par une de ses extrémités à ladite au moins une seconde biellette,
- un quatrième pivot lié à l’organe élastique et reliant les première et seconde biellettes entre elles.
Grâce à ces caractéristiques, la conception de l’exosquelette est simple dans la mesure où elle comprend un nombre relativement faible d’élément et où ces éléments sont simples à fabriquer et à assembler. Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, l’élément de liaison comprend une partie en porte-à-faux sur laquelle est agencé le deuxième pivot de sorte que, lorsque le bras est en position de repos, l’axe longitudinal dudit bras est sensiblement parallèle à l’axe de rotation de l’élément de liaison. Plus particulièrement, dans cette position, le bras est agencé de sorte à s’étendre, selon un axe vertical, sous la partie en porte-à- faux.
Ainsi, la position de repos du bras correspond à une position naturelle de repos de l’utilisateur dans laquelle son membre supérieur associé est rabattu contre son corps.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, les première et seconde biellettes sont dimensionnées de sorte à former un angle orienté vers l’intérieur du parallélogramme déformable d’au plus 170 degrés lorsque le bras occupe la position de repos.
Il est à noter que le parallélogramme déformable est dimensionné de sorte que cet angle soit le plus réduit possible, en tenant compte notamment des contraintes de compacité du mécanisme d’articulation. Préférentiellement, le parallélogramme déformable est dimensionné de sorte que la valeur de cet angle soit environ égale à 160 degrés.
Cette caractéristique est avantageuse dans le sens où elle interdit une inversion du mécanisme d’articulation lors du débattement du bras, c’est-à-dire une situation dans laquelle les première et seconde biellettes et le quatrième pivot se trouveraient étendues vers l’intérieur du parallélogramme. Une telle inversion serait préjudiciable au bon fonctionnement du mécanisme d’articulation car le débattement du bras serait limité.
Cette caractéristique participe donc à augmenter la fiabilité de l’exosquelette et sa durée de vie.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, l’exosquelette comprend au moins un système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation configuré pour modifier la direction de la force de rappel élastique de l’organe élastique, pour une position du bras donnée. Avantageusement, ce système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation ne modifie pas les dimensions du parallélogramme déformable.
Un tel système de réglage permet de pouvoir employer un même exosquelette pour assister le support de charges de poids différents.
Par exemple, un tel système de réglage permet, en modifiant le bras de levier de l’organe élastique, de faire varier l’intensité de l’effort de compensation jusqu’à 80% d’une valeur nominale donnée, pour une position de travail donnée du bras.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation est prévu pour faire coulisser une extrémité de l’organe élastique selon une direction parallèle à l’axe longitudinal de la au moins une seconde biellette, de sorte à modifier un bras de levier à l’origine de l’effort de compensation.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le système de réglage comprend une vis sans fin fixée de manière mobile en rotation au quatrième pivot par l’une de ses extrémités et au troisième pivot par son autre extrémité, et un écrou coopérant avec la vis et relié à une extrémité de l’organe élastique par un pivot appelé ci-après « sixième pivot », de sorte que la rotation de la vis entraîne ledit sixième pivot en coulissement le long de cette dernière.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, l’exosquelette comprend des moyens de modulation de l’effort de compensation, lesdits moyens de modulation étant configurés pour entraîner en coulissement le premier pivot par rapport à l’élément de liaison, de sorte à modifier une des dimensions du parallélogramme. Cette dimension correspond préférentiellement à un segment reliant les premier et second pivots.
La modulation de l’effort de compensation permet avantageusement de modifier la forme globale de la courbe représentative de l’intensité de l’effort de compensation en fonction de l’angle du bras de l’exosquelette.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le coulissement du premier pivot entraîne le déplacement angulaire de l’organe élastique de sorte que, lorsque le bras est en position de repos, la direction de la force de rappel n’est pas orientée vers l’axe de rotation du bras. La forme de la courbe représentative de l’intensité de l’effort de compensation en fonction de l’angle du bras de l’exosquelette n’est alors plus de la forme d’une courbe en cloche.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le système de modulation comprend une vis sans fin reliée à l’élément de liaison de manière mobile en rotation et un écrou coopérant avec ladite vis sans fin. L’écrou est fixé au premier pivot du parallélogramme, de sorte que la rotation de la vis entraîne ledit premier pivot en coulissement le long de cette dernière.
Cette caractéristique participe à la compacité de l’exosquelette.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, le bras est formé par un profilé présentant deux parois latérales reliées entre elles par une paroi de fond. L’organe élastique est fixé au bras de sorte qu’il soit au moins partiellement logé entre lesdites parois latérales.
Préférentiellement, l’organe élastique est logé entièrement entre les parois latérales lorsque le bras est en position de repos.
Cette caractéristique participe encore à la compacité de l’exosquelette.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, la ou chaque structure porteuse comprend deux bielles articulées l’une à l’autre par l’une de leur extrémité et liées de manière mobile en rotation, par leur autre extrémité, pour l’une, à un module de fixation à un utilisateur, et pour l’autre, à l’élément de liaison.
Ainsi, l’exosquelette est susceptible de s’adapter à tous les mouvements pouvant être réalisés par les complexes articulaires de l’épaule et du coude.
Dans des modes particuliers de réalisation de l’invention, la ou chaque structure porteuse comprend une unique bielle liée de manière mobile en rotation, par l’une de ses extrémités, à un module de fixation de l’exosquelette à un utilisateur, et par son autre extrémité, à l’élément de liaison. Le module de fixation comprend une colonne s’étendant selon un axe longitudinal et des rails de guidage s’étendant perpendiculairement audit axe longitudinal de la colonne, le long desquels est libre de coulisser la bielle de la ou de chaque structure porteuse lors de l’utilisation de l’exosquelette. Grâce à ces caractéristiques, l’exosquelette est susceptible de s’adapter à tous les mouvements pouvant être réalisés par les complexes articulaires de l’épaule et du coude.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures qui représentent :
-figure 1 : une vue en perspective d’un exosquelette selon la présente invention, l’exosquelette comprenant une structure porteuse selon un premier exemple de réalisation,
- figure 2 : une vue en perspective d’un module de membre supérieur de l’exosquelette de la figure 1 , ledit module comportant un bras en position de repos,
- figure 3 : une vue de détail en perspective du module de membre supérieur de l’exosquelette de la figure 2, certains éléments étant représentés en transparence de sorte à faire apparaître un mécanisme d’articulation de l’exosquelette,
- figure 4 : une vue de détail en perspective du module de membre supérieur de la figure 2, dans lequel le bras est en position de travail, certains éléments étant représentés en transparence de sorte à faire apparaître le mécanisme d’articulation,
- figure 5 : un graphe comprenant :
- une courbe en trait discontinu représentant l’intensité d’un effort de compensation de l’exosquelette en fonction de l’angle du bras dudit exosquelette par rapport à un axe horizontal, l’exosquelette comprenant des moyens de modulation de l’effort de compensation activés,
- une courbe en trait continu représentant l’intensité d’un effort de compensation de l’exosquelette en fonction de l’angle du bras dudit exosquelette par rapport à un axe horizontal, l’exosquelette comprenant des moyens de modulation de l’effort de compensation désactivés, - figures 6a à 6c : des représentations schématiques d’une vue de côté du mécanisme d’articulation, du bras et d’un organe élastique d’un exosquelette de la figure 1 , dans lesquelles le bras est dans une même position angulaire, et dans lesquelles l’organe élastique est orienté dans différentes positions,
- figures 7a à 7c : des graphes dont les courbes respectives représentent l’intensité d’un effort de compensation de l’exosquelette en fonction de l’angle du bras par rapport à un axe horizontal, un système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation étant ajusté à différents niveaux de réglage sur chacune des figures 7a à 7c,
- figure 8 : une vue en perspective d’une partie d’un exosquelette selon la présente invention, l’exosquelette comprenant une structure porteuse selon un autre exemple de réalisation.
Dans ces figures, des références numériques identiques d’une figure à l’autre désignent des éléments identiques ou analogues. Par ailleurs, pour des raisons de clarté, les dessins ne sont pas à l’échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée de l’invention
La présente invention concerne un exosquelette 10 tel que représenté sur la figure 1 , comprenant préférentiellement deux modules de membre supérieur 20 prévus pour assister un utilisateur dans le support de charges, c’est-à-dire prévus pour compenser tout ou partie du poids des membres supérieurs de l’utilisateur et éventuellement d’un ou plusieurs objets manipulés par l’utilisateur. Dans le présent texte, un seul module de membre supérieur 20 est décrit pour des raisons de clarté et de concision. Toutefois, les deux modules de membre supérieur 20 sont symétriques l’un de l’autre et comprennent des éléments et parties identiques ou similaires.
Comme le montre la figure 1 , le module de membre supérieur 20 comporte une structure porteuse 21 à laquelle est articulé un bras 22 par le biais d’un mécanisme d’articulation 23.
Le mécanisme d’articulation 23 est agencé entre le bras 22 et un élément de liaison 210 de la structure porteuse 21. Avantageusement, le mécanisme d’articulation 23 forme un parallélogramme déformable. Grâce au mécanisme d’articulation 23, le bras 22 est mobile entre deux positions angulaires extrêmes, dont une correspond à une position de repos, le bras occupant une position de travail lors de sa course entre sa position de repos et son autre position angulaire extrême,
Le bras 22 s’étend selon un axe longitudinal entre une extrémité dite « extrémité distale » et une extrémité dite « extrémité proximale ». Il est préférentiellement formé par un profilé comprenant deux parois latérales reliées entre elles par une paroi de fond, la section droite dudit profilé présentant une forme en U, comme l’illustrent les figures 1 à 4.
Lors de l’utilisation de l’exosquelette, le bras 22 de l’exosquelette 10 est destiné à être fixé à l’un des membres supérieurs d’un utilisateur par un organe d’attache 25. L’organe d’attache 25 comprend avantageusement un manchon destiné à enserrer le membre supérieur de l’utilisateur.
Les figures 1 à 4 montrent que le manchon est fixé au bras 22 par un élément de fixation. Plus particulièrement, l’élément de fixation s’étend depuis l’une des parois latérales du bras 22 et supporte le manchon à distance dudit bras 22 de sorte que ce dernier n’entrave pas la course du membre supérieur de l’utilisateur lorsqu’il est en mouvement.
La position de repos du bras 22 correspond à une position de l’utilisateur dans laquelle son membre supérieur associé, c’est-à-dire celui fixé à l’organe d’attache 25, est relâché, rabattu le long du corps dudit utilisateur. Dans cette position, l’utilisateur ne nécessite pas d’assistance, il n’a pas de charge à manipuler. L’axe longitudinal du bras 22 est alors sensiblement parallèle à un axe vertical, comme le montre la figure 2.
Le bras 22 est entraîné dans sa position de travail par l’utilisateur lorsqu’il redresse son membre supérieur associé, par exemple, par un mouvement d’anté-pulsion. Dans cette position, l’utilisateur est susceptible de supporter une charge, il nécessite une assistance.
Le bras 22 est en position de travail lorsqu’il n’est pas en position de repos. Il y a lieu de noter que, dans le présent texte, le terme « vertical » est défini selon une direction parallèle à la direction de la pesanteur et que le terme « horizontal » est défini selon une direction sensiblement perpendiculaire à une direction verticale. Ces termes, employés dans le présent texte, sont relatifs à une position de l’exosquelette 10 dans laquelle il est représenté par la figure 1 , c’est-à-dire à une position dans laquelle il est utilisé (l’utilisateur n’étant pas illustré sur la figure 1 ).
Comme le montrent les figures 1 à 4 dans un exemple de réalisation de l’invention, l’élément de liaison 210 comprend un corps présentant deux flasques latéraux 211 fixés l’un à l’autre par au moins un élément d’entretoise. Préférentiellement, chaque flasque latéral 211 est fixé à une paroi latérale du bras 22, de sorte que le bras 22 soit interposé entre lesdits flasques latéraux 211.
Avantageusement, le corps de l’élément de liaison 210 comprend une partie en porte-à-faux, c’est-à-dire une partie qui fait saillie par rapport au reste dudit corps.
Comme le montrent les figures 1 à 4, le mécanisme d’articulation 23 comprend deux pivots agencés sur l’élément de liaison 210, dont un premier pivot 230 relie ledit élément de liaison 210 à au moins une première biellette 231 et dont un deuxième pivot 232 relie l’élément de liaison 210 à l’extrémité proximale du bras 22.
De manière avantageuse, le deuxième pivot 232 est agencé sur la partie en porte-à-faux de l’élément de liaison 210 de sorte que, lorsque le bras 22 est en position de repos, il soit disposé sous ladite partie en porte-à-faux, comme le montrent les figures 2 et 3, son axe longitudinal étant sensiblement parallèle à un axe vertical.
Plus particulièrement, le bras 22 est agencé de sorte que sa position de repos corresponde à une position naturelle de repos du membre supérieur de l’utilisateur qui lui est associé, dans laquelle ledit membre supérieur est rabattu contre le corps dudit utilisateur.
Dans l’exemple préféré de réalisation de l’invention, les premier et deuxième pivots 230 et 232 sont agencés l’un par rapport à l’autre de sorte qu’un segment s’étendant depuis le deuxième pivot 232 jusqu’au premier pivot 230 est incliné par rapport à un axe vertical vers un coté opposé au bras 22, comme visible sur les figures 1 à 4.
Le mécanisme d’articulation 23 comprend un troisième pivot 233, agencé sur le bras 22 entre ses extrémités proximale et distale, reliant au moins une seconde biellette 234 avec ledit bras 22. Préférentiellement, comme illustré sur les figures 1 à 4 et 8, le troisième pivot 233 est plus proche de l’extrémité proximale du bras 22 que de l’extrémité distale.
Le mécanisme d’articulation 23 comprend également un quatrième pivot 235 reliant les première et seconde biellettes 231 et 234 entre elles.
L’exosquelette 10 comprend un organe élastique 24 relié, d’une part, au bras 22, et d’autre part, au mécanisme d’articulation 23 de sorte à générer un moment de force dit « effort de compensation » tendant à s’opposer à une force verticale appliquée sur le bras 22. Cette force est représentative du poids d’une charge supportée par l’utilisateur. Autrement dit, l’effort de compensation tend à lever le bras 22.
L’effort de compensation est la résultante d’une force de rappel élastique de l’organe élastique 24. Avantageusement, l’effort de compensation est uniquement généré par l’organe élastique 24, ce qui permet de s’affranchir de toute source d’énergie électrique et des inconvénients liés notamment à son stockage.
Préférentiellement, l’organe élastique 24 est formé par un vérin à gaz, comme le montrent les figures 1 à 4, mais peut, de manière alternative, être formé par un ressort mécanique (un ressort de traction ou un ressort de compression), un lien élastique, etc...
Sur les figures 1 à 4, l’organe élastique 24 est relié de façon mobile en rotation, par une première extrémité, au quatrième pivot 235, préférentiellement de sorte que son axe de rotation soit confondu avec celui dudit quatrième pivot 325.
Cette caractéristique permet de proposer une conception compacte du mécanisme d’articulation 23 et plus généralement de l’exosquelette 10, tout en optimisant l’exploitation de la force de rappel élastique de l’organe élastique 24, ce qui permet un dimensionnement contenu dudit organe de rappel élastique. Un autre effet avantageux de ces caractéristiques réside dans le fait qu’elles participent à simplifier la fabrication de l’exosquelette.
A une seconde extrémité, l’organe élastique 24 comprend un pivot appelé ci-après « cinquième pivot » 240 par lequel il est relié à l’extrémité distale du bras 22.
Préférentiellement, l’organe élastique 24 est fixé au bras 22 de sorte qu’il soit au moins partiellement logé entre ses parois latérales. Le cinquième pivot 240 est agencé sur chacune des parois latérales, de sorte que lorsque le bras 22 est en position de repos, l’organe élastique 24 soit entièrement logé entre lesdites parois latérales, comme le montrent les figures 2 et 3. Cette caractéristique participe à rendre compacte l’exosquelette 10 et à favoriser son ergonomie.
Dans l’exemple de réalisation de l’invention représenté par les figures 1 à 4, l’organe élastique 24 est destiné à travailler en traction.
Préférentiellement, le mécanisme d’articulation comprend une paire de premières biellettes 231 et une paire de secondes biellettes 234. Comme le montrent les figures 1 à 4, les premières biellettes 231 et les secondes biellettes 234 sont agencées de part et d’autre de l’organe élastique 24. Autrement dit, l’organe élastique 24 est interposé entre les deux biellettes de chaque paire de premières et de secondes biellettes 231 , de sorte que l’effort de compensation soit appliqué de manière identique sur lesdites biellettes de chaque paire de première et seconde biellette 231 , 234.
Cette caractéristique est avantageuse dans la mesure où elle permet également de participer à la compacité du mécanisme d’articulation 23.
Du fait de son agencement, le parallélogramme est configuré de sorte que l’effort de compensation généré par l’organe élastique 24 varie progressivement en fonction de la position angulaire du bras 22 par rapport à l’élément de liaison 210, ledit effort étant plus important lorsque le bras 22 est en position de travail que lorsqu’il est en position de repos.
Plus précisément, le parallélogramme est configuré de sorte que, lorsque le bras 22 est déplacé autour du deuxième pivot 232, de sa position de travail jusqu’à sa position de repos, les premières et secondes biellettes 231 et 234 entraînent le quatrième pivot 235 en rotation autour du troisième pivot 233, vers le deuxième pivot 232, jusqu’à ce qu’il soit agencé sensiblement dans l’alignement de l’axe longitudinal du bras 22.
Dans cette position, la direction de la résultante de la force de rappel élastique appliquée sur le quatrième pivot est orientée sensiblement vers le deuxième pivot 232, c’est-à-dire vers l’axe de rotation du bras, de sorte que l’effort de compensation généré est nul ou négligeable.
Avantageusement, l’exosquelette 10 offre donc une assistance à un utilisateur seulement lorsque l’utilisateur est susceptible de manipuler une charge, c’est-à-dire lorsque le bras 22 est en position de travail.
Lorsque le bras 22 est en position de repos, aucune assistance n’est générée et le membre supérieur de l’utilisateur peut occuper une position naturelle de repos sans qu’il n’ait à résister contre un éventuel effort de compensation qui tendrait à le déplacer.
Avantageusement, l’utilisateur peut aisément déplacer le bras 22 de sa position de travail vers sa position de repos, la force de compensation décroissant au fur et à mesure du déplacement dudit bras 22, comme le montre le graphe de la figure 5.
Le parallélogramme est également configuré de sorte que lorsque le bras 22 est déplacé de sa position de repos jusqu’à sa position de travail, les premières et secondes biellettes 231 et 234 entraînent le quatrième pivot 235 en rotation autour du troisième pivot 233 de sorte à l’écarter du deuxième pivot 232 et de l’axe longitudinal du bras 22.
Lorsque les secondes biellettes 234 s’étendent perpendiculairement par rapport à l’axe longitudinal du bras 22, la longueur du segment correspondant à la projection orthogonale du quatrième pivot 235 sur l’axe longitudinale du bras 22 est maximale, et l’intensité de l’effort de compensation est maximale.
Si le bras continue sa rotation autour du deuxième pivot 232, vers une position angulaire extrême de travail, la longueur du segment correspondant à la projection orthogonale du quatrième pivot 235 sur l’axe longitudinale du bras 22 diminue, et l’intensité de l’effort de compensation décroît.
Autrement dit, le parallélogramme est configuré de sorte que, lors de la rotation du bras 22 de l’une à l’autre de ses positions angulaires extrêmes, l’intensité de l’effort de compensation croît jusqu’à une valeur maximale, puis décroît.
Ceci est illustré par le graphe de la figure 5 qui représente l’intensité de l’effort de compensation d’un exosquelette selon l’exemple préféré de réalisation de l’invention, en fonction de l’angle d’inclinaison de l’axe longitudinal du bras 22 par rapport à un axe horizontal.
On voit sur ce graphe que, dans cet exemple de réalisation de l’invention représenté par la courbe en ligne continue, l’intensité de l’effort de compensation augmente progressivement, lorsque le bras 22 évolue de sa position de repos (définie à -80 degrés sur le graphe) jusqu’à une position dans laquelle l’effort de compensation atteint une valeur maximale (de -70 degrés à une plage de valeur comprise entre 30 et 40 degrés sur le graphe). L’intensité de l’effort de compensation décroit ensuite lorsque le bras 22 est déplacé au delà de 40 degrés jusqu’à sa position angulaire extrême de travail (définie à 70 degrés sur le graphe) dans laquelle le bras est en butée de sa course angulaire.
Le graphe présente donc une courbe dont la forme est du type dit « courbe en cloche » comprenant deux portions dont l’une est croissante et dont l’autre est décroissante. Selon les besoins de l’utilisateur, le parallélogramme peut être dimensionné de sorte que, cette courbe en cloche soit symétrique ou asymétrique (comme le montre la courbe en trait continu de la figure 5).
On comprend ici que le parallélogramme déformable est configuré de sorte que la valeur maximale de l’effort de compensation coïncide avec l’angle (ou la plage angulaire) dans lequel l’utilisateur est susceptible de nécessiter une assistance maximale.
Avantageusement, le parallélogramme déformable est configuré de sorte que l’intensité de l’effort de compensation évolue de manière proportionnelle aux besoins d’assistance d’un l’utilisateur, lors de la rotation du bras 22 autour du deuxième pivot 232. Ces besoins d’assistance sont caractérisés par l’effort que l’utilisateur déploierait pour réaliser une mission donnée.
Il y a lieu de noter que le graphe de la figure 5 illustre des représentations théoriques ne tenant notamment pas compte des efforts liés aux frottements.
Avantageusement, lorsque le bras 22 occupe la position de repos, les premières biellettes 231 présentent une inclinaison d’un angle a par rapport à un axe vertical. L’angle a peut être compris entre dix et trente degrés.
Plus particulièrement, les première et seconde biellettes 231 et 234 sont dimensionnées de sorte à former un angle orienté vers l’intérieur du parallélogramme déformable d’au plus 170 degrés, lorsque le bras 22 occupe la position de repos.
Cette caractéristique est avantageuse dans le sens où elle interdit une inversion du mécanisme d’articulation 23 lors du débattement du bras 22, c’est- à-dire une situation dans laquelle les premières et secondes biellettes 231 et 234 et le quatrième pivot 235 se trouveraient orientées vers l’intérieur du parallélogramme. Une telle inversion serait préjudiciable au bon fonctionnement du mécanisme d’articulation 23 car le débattement du bras 22 serait limité.
Comme le montrent les figures 1 à 4, dans un exemple de réalisation de l’invention, l’exosquelette 10 comprend des moyens de modulation 30 de l'effort de compensation. Ces moyens de modulation 30 sont destinés à modifier le comportement de l’effort de compensation sur une certaine plage angulaire de la rotation du bras 22 autour du deuxième pivot 232 ; en ce sens, ils sont aptes à augmenter ou à diminuer l’intensité de l’un effort de compensation sur cette dite plage angulaire. Ainsi, les moyens de modulation 30 sont particulièrement avantageux pour adapter l’exosquelette à assister de manière optimale un utilisateur en fonction de la mission qu’il a à réaliser.
Les moyens de modulation 30 sont agencés sur l’élément de liaison 210 et sont reliés au premier pivot 230. Les moyens de modulation 30 sont configurés pour entraîner en coulissement ledit premier pivot 230 de sorte à modifier la dimension du parallélogramme correspondant à un segment reliant les premier et second pivots 230 et 232.
Dans l’exemple de réalisation représenté par les figures 1 à 4, le premier pivot 230 est apte à coulisser entre une première position extrême dite « position haute » et une deuxième position extrême dite « position basse ». Les moyens de modulations sont désactivés lorsque le premier pivot 230 est en position haute et sont activés lorsque le premier pivot 230 est agencé en tout point dans un intervalle de positions compris entre sa position haute et sa position basse, la position haute étant exclue de cet intervalle.
Lorsqu’il évolue entre ces deux positions extrêmes, le premier pivot 230 entraîne en rotation le quatrième pivot 235 autour du troisième pivot 233 et fait varier l’inclinaison des secondes biellettes 234 par rapport à l’axe longitudinal du bras 22, pour une position angulaire de bras 22 donnée.
Cette variation d’inclinaison a donc pour effet de modifier l’angle ou la plage angulaire du bras 22 dans lequel (laquelle) l’intensité de l’effort de compensation est maximale.
Le graphe de la figure 5 met en évidence la différence d’évolution de l’effort de compensation en fonction de l’angle du bras 22 selon que les moyens de modulation sont désactivés (courbe en trait continu) ou activés, le premier pivot 230 étant en position basse (courbe en trait discontinu).
Aussi, lorsque le premier pivot 230 est en position basse et lorsque le bras 22 est en position de repos, la direction de la force de rappel n’est plus orientée vers le deuxième pivot 232, ce qui a pour effet la génération d’un effort de compensation, comme le montre la portion de la courbe en trait discontinu du graphe de la figure 5 comprise entre -50 et -80 degrés.
Les moyens de modulation 30 sont donc adaptés à modifier le comportement de l’effort de compensation de telle sorte que, lorsque le bras 22 occupe sa position de repos, un effort de compensation soit généré.
Cette caractéristique est particulièrement avantageuse lorsque l’utilisateur réalise une tâche dans laquelle il doit être assisté dans le support d’une charge, ses membres supérieurs étant positionnés dans une plage angulaire comprise entre -50 degrés par rapport à un axe horizontal et leur position de repos.
En outre, cette modification de la force de rappel élastique permet à l’exosquelette de présenter un effort de compensation sensiblement constant sur une plage angulaire étendue de rotation du bras 22 autour du deuxième pivot 232. Cette plage angulaire est comprise entre environ 50 et -50 degrés sur la courbe en trait discontinu du graphe de la figure 5.
Un autre effet résultant de la modification de cette dimension est de faire varier une distance définie entre ledit quatrième pivot 235 et le cinquième pivot 240, correspondant à la longueur de l’organe élastique 24. On comprend ici que, suivant que cette distance est augmentée ou diminuée, l’organe élastique 24 peut être plus ou moins précontraint. Dans l’exemple de réalisation représenté par les figures 1 à 4, la modification de la précontrainte a un effet négligeable par rapport aux autres forces en jeu, de sorte qu’elle n’influe pas de manière significative sur le fonctionnement du système.
Comme le montrent les figures 1 à 4, dans l’exemple de réalisation de l’invention, les moyens de modulation 30 comprennent un système vis-écrou, dans lequel une vis sans fin 31 est reliée à l’élément de liaison 210 de manière mobile en rotation.
La vis sans fin 31 est engagée mobile en rotation dans une pièce d’entretoise 33 interposée entre les deux flasques latéraux 211. Avantageusement, la vis sans fin 31 comprend une tête de préhension 34 adaptée à être manipulée par un utilisateur, comme illustré sur les figures 1 à 4.
Les moyens de modulation 30 comprennent également un écrou 32 avec lequel coopère la vis sans fin 31. L’écrou 32 est fixé au premier pivot 230 de sorte que la rotation de la vis entraîne ledit premier pivot 230 en coulissement.
Préférentiellement, la course du premier pivot 230, lorsqu’il est entraîné en coulissement, s’étend suivant le segment reliant le deuxième pivot 232 et le premier pivot 230. L’intensité des effets de la modulation dépend notamment du degré d’inclinaison de ce segment par rapport à un axe vertical. Les flasques latéraux 211 comprennent des moyens de guidage en coulissement du premier pivot 230.
Dans l’exemple de réalisation représenté par les figures 1 à 4, les moyens de guidage sont formés par une lumière oblongue 35 agencée dans chacun des flasques latéraux 211 , dans chacune desquelles se loge un téton du premier pivot 230. Les tétons du premier pivot 230 s’étendent selon une direction coaxiale à l’axe de rotation dudit premier pivot 230. Cette conception permet de répartir sur les lumières oblongues 35, les efforts radiaux appliqués sur la vis sans fin 31 par l’écrou 32 ; l’écrou 32 étant soumis, par l’intermédiaire des premières biellettes 231 , à la force de rappel élastique générée par l’organe élastique 24. La vis sans fin 31 n’est donc soumise qu’à des efforts axiaux, ce qui augmente considérablement la durée de vie du système.
Dans un exemple de réalisation de l’invention, représenté schématiquement sur les figures 6a à 6c, l’exosquelette 10 comprend un système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation prévu pour modifier la direction de la force de rappel élastique de l’organe élastique 24, pour une position du bras 22 donnée.
Plus précisément, le système de réglage est configuré pour faire coulisser la première extrémité de l’organe élastique 24 selon une direction parallèle à l’axe longitudinal des secondes biellettes 234.
Dans un exemple de réalisation non représenté sur les figures, le système de réglage peut comprendre un système vis-écrou, dans lequel une vis est fixée de manière mobile en rotation et fixe en translation au quatrième pivot 235, par l’une de ses extrémités, et au troisième pivot 233, par son autre extrémité, de sorte à s’étendre selon un axe parallèle à l’axe longitudinal des secondes biellettes 234. Préférentiellement, la vis est interposée entre les deux secondes biellettes 234.
La vis coopère avec un écrou selon une liaison hélicoïdale de sorte que sa rotation entraîne l’écrou en déplacement selon un segment reliant les troisième et quatrième pivots 233 et 235.
La première extrémité de l’organe élastique 24 est reliée à l’écrou par un pivot appelé ci-après « sixième pivot » 241 , schématiquement représenté sur les figures 6a à 6c, de sorte à présenter une mobilité en rotation selon un axe parallèle aux troisième et quatrième pivots 233 et 235. On comprend ici que l’organe de rappel élastique applique la force de rappel élastique sur le sixième pivot 241.
Le système de réglage est configuré pour modifier le bras de levier de l’organe élastique 24.
En effet, la rotation de la vis entraîne le déplacement en translation de l’écrou, et donc du sixième pivot 241 , selon un segment reliant les troisième et quatrième pivots 233 et 235. Pour une position de bras 22 donnée, autre que sa position extrême de travail et que sa position de repos, l’angle a formé par les pivots 241 , 240, 233 varie en fonction de la position du sixième pivot 241 entre les troisième et quatrième pivots 233 et 235.
Les figures 6a à 6c représentent schématiquement respectivement une vue de côté du mécanisme d’articulation 23, le bras étant dans une même position de travail et la position du sixième pivot 241 évoluant entre les troisième et quatrième pivots 233 et 235.
Les figures 7a à 7c illustrent respectivement l’intensité de l’effort de compensation de l’exosquelette, en fonction de l’angle d’inclinaison de l’axe longitudinal du bras 22 par rapport à un axe horizontal, pour chacune des positions de réglage de l’intensité de l’effort de compensation illustrée par les figures 6a à 6c.
Plus particulièrement, le graphe de la figure 7a est représentatif d’un exosquelette tel que schématiquement représenté sur la figure 6a, dans lequel l’angle a est faible, le sixième pivot 241 étant sensiblement plus proche du troisième pivot 233 que du quatrième pivot 235.
Le graphe de la figure 7b est représentatif d’un exosquelette tel que schématiquement représenté sur la figure 6b, dans lequel le sixième pivot 241 est agencé sensiblement à équidistance entre le troisième pivot 233 et le quatrième pivot 235.
Le graphe de la figure 7c est représentatif d’un exosquelette tel que schématiquement représenté sur la figure 6c, dans lequel l’angle a est maximal, le sixième pivot 241 étant coaxial avec le quatrième pivot 235. Comme l’illustre la comparaison des figures 7a à 7c, l’intensité maximale des efforts de compensation croît au fur et à mesure que l’angle a augmente.
A la différence des moyens de modulation décris ci-avant, le système de réglage ne modifie donc aucune une dimension du parallélogramme, mais seulement la position du sixième pivot 241.
Chaque structure porteuse 21 comprend au moins une bielle reliant l’élément de liaison 210 à un module de fixation 40 de l’exosquelette 10 à un utilisateur.
Dans l’exemple de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, chaque structure porteuse 21 comprend au moins deux bielles appelées ci-après « première bielle » 212 et « seconde bielle » 213, chaque première bielle 212 étant articulée à la seconde bielle 213 par l’une de ses extrémités.
Comme le montrent les figures 1 à 4, par leur autre extrémité, la première bielle 212 est fixée de manière mobile en rotation selon un axe vertical au corps de l’élément de liaison 210 et la seconde bielle 213 est reliée au module de fixation 40 de l’exosquelette 10.
La structure porteuse 21 est préférentiellement dimensionnée de sorte que l’axe de rotation du deuxième pivot 232 soit agencé de façon coaxiale avec un axe de rotation du membre supérieur de l’utilisateur de l’exosquelette 10, lorsque ce dernier réalise un mouvement d’anté-pulsion ou de rétro-pulsion.
Le module de fixation 40 comprend une colonne 41 s’étendant selon un axe longitudinal entre deux extrémités respectivement appelées « extrémité supérieure » et « extrémité inférieure ». Cette colonne 41 est préférentiellement réalisée en une pièce d’un seul tenant, en matériau rigide, par exemple en matériau métallique.
Comme le montrent les figures 1 à 4, un organe support est engagé en coulissement le long de la colonne 41 , préférentiellement à son extrémité supérieure.
Cet organe support présente la forme d’un boîtier 42 comprenant un orifice traversant par lequel il est engagé sur la colonne 41. Le boîtier 42 comprend des moyens d’arrêt en translation. Par exemple, comme le montre la figure 1 , le boitier 42 peut être pourvu d’un organe de blocage comprenant un bouton de manœuvre prolongé par un téton destiné à coopérer avec un trou d’une série de trous pratiquée le long de la colonne 41. L’organe de blocage peut comprendre un ressort agencé de sorte à contraindre le téton à se loger dans un des trous pour immobiliser le boitier 42 en translation par rapport à la colonne 41.
Deux profilés 43 s’étendent respectivement de part et d’autre du boitier 42, préférentiellement de façon coaxiale l’un de l’autre. Ces profilés 43 constituent des rails de coulissement d’un élément d’articulation 44 relié à l’extrémité de chaque seconde bielle 213 avec un degré de liberté en rotation préférentiellement selon un axe vertical. Avantageusement, des moyens d’arrêt en translation sont prévus pour immobiliser les éléments d’articulation, à une distance prédéfinie du boitier. La modification de cette distance permet d’ajuster l’exosquelette en fonction de la taille d’un utilisateur.
Plus précisément, comme le montre la figure 1 , les profilés 43 peuvent présenter une section droite sensiblement de la forme d’un T. En outre, les éléments d’articulation 44 peuvent présenter une section droite dont une partie présente une forme sensiblement complémentaire à la forme des profilés 43, de sorte que lesdits profilés 43 et les éléments d’articulation 44 soient adaptés à coopérer en coulissement les uns avec les autres sans autorisation de rotation selon un axe longitudinal des profilés 43.
Ainsi, lors du déplacement du bras d’un utilisateur, par exemple selon un mouvement d’adduction ou d’abduction, les première et seconde bielles 212 et 213 sont entraînées en rotation relativement l’une par rapport à l’autre et par rapport à l’élément d’articulation 44 et à l’élément de liaison 210.
Dans un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 8, chaque structure porteuse 21 comprend une unique bielle 214 reliée par l’une de ses extrémités à l’élément de liaison 210 et par son autre extrémité à l’élément d’articulation 44. Préférentiellement chaque bielle est coudée pour améliorer l’ergonomie de l’exosquelette, et donc son confort d’utilisation.
Dans cet exemple de réalisation, l’élément d’articulation est libre de coulisser le long du profilé entre deux butées de fin de course. Avantageusement, grâce à ces caractéristiques, lors du déplacement du bras d’un utilisateur, par exemple selon un mouvement d’adduction ou d’abduction, la bielle est entraînée en rotation relativement à l’élément de liaison 210 et à l’élément d’articulation 44, entraînant par voie de conséquence, ledit élément d’articulation 44 en translation le long du profilé.
Les profilés 43 et le boitier 42 sont préférentiellement fixés rigidement sur une même platine support, comme le montre la figure 1. Des éléments d’appuis 45 sont prévus pour recevoir la partie supérieure du dos d’un utilisateur. Ces éléments d’appuis 45 sont fixés sur la platine, à l’opposée des profilés 43 et du boitier 42.
Le module de fixation 40 comprend une ceinture rigidement fixée à l’extrémité inférieure de la colonne 41 et deux sangles latérales 46, dont chacune est fixée par une première extrémité à la ceinture et par une seconde extrémité à l’organe support. Plus particulièrement, les sangles 46 sont prévues pour être fixées à la platine support.
De manière plus générale, il est à noter que les modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.

Claims

REVENDICATIONS
1. Exosquelette (10) comprenant au moins un module de membre supérieur (20) comportant :
- au moins une structure porteuse (21 ),
- au moins un bras (22) destiné à être fixé à un membre supérieur d’un utilisateur, s’étendant selon un axe longitudinal et étant relié à la structure porteuse (21 ) par un mécanisme d’articulation (23) de sorte à être mobile entre deux positions angulaires extrêmes dont une correspond à une position de repos, le bras occupant une position de travail lors de sa course entre sa position de repos et son autre position angulaire extrême,
- un organe élastique (24) fixé audit bras (22) et audit mécanisme d’articulation (23) de sorte à générer, grâce à une force de rappel élastique, un moment de force dit « effort de compensation » appliqué au bras (22),
le mécanisme d’articulation (23) formant un parallélogramme déformable configuré de sorte que le déplacement du bras (22) entre ses positions de travail et de repos entraîne un déplacement angulaire de l’organe élastique (24) par rapport au bras (22) de telle sorte que la direction de la force de rappel élastique soit orientée sensiblement vers l’axe de rotation du bras (22) lorsque ledit bras (22) est en position de repos.
2. Exosquelette (10) selon la revendication 1 , dans lequel le parallélogramme est configuré de sorte que, lors de la rotation du bras (22) de l’une à l’autre de ses positions angulaires extrêmes, l’intensité de l’effort de compensation croît jusqu’à une valeur maximale, puis décroît.
3. Exosquelette (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le parallélogramme comprend quatre pivots (230, 232, 233, 235) dont :
- un premier et un deuxième pivot (230, 232) agencés sur un élément de liaison (210) de la structure porteuse (21 ), le premier pivot (230) reliant l’élément de liaison (210) à au moins une première biellette (231 ) et le deuxième pivot (232) reliant l’élément de liaison (210) au bras (22), - un troisième pivot (233) agencé sur le bras (22), reliant une au moins une seconde biellette (234) avec ledit bras (22), l’organe élastique (24) étant relié par une de ses extrémités à ladite au moins une seconde biellette (234),
- un quatrième pivot (235) lié à l’organe élastique (24) et reliant les première et seconde biellettes (231 , 234) entre elles.
4. Exosquelette (10) selon la revendication 3, dans lequel l’élément de liaison (210) comprend une partie en porte-à-faux sur laquelle est agencé le deuxième pivot (232) de sorte que, lorsque le bras (22) est en position de repos, l’axe longitudinal dudit bras est sensiblement parallèle à l’axe de rotation de l’élément de liaison.
5. Exosquelette (10) selon les revendications 2 à 4, dans lequel les première et seconde biellettes (231 , 234) sont dimensionnées de sorte à former un angle orienté vers l’intérieur du parallélogramme déformable d’au plus 170 degrés, lorsque le bras (22) occupe la position de repos.
6. Exosquelette (10) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant au moins un système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation configuré pour modifier la direction de la force de rappel élastique de l’organe élastique (24), pour une position du bras (22) donnée.
7. Exosquelette (10) selon les revendications 3 et 6, dans lequel le système de réglage de l’intensité de l’effort de compensation est prévu pour faire coulisser une extrémité de l’organe élastique (24) selon une direction parallèle à l’axe longitudinal de la au moins une seconde biellette (234).
8. Exosquelette (10) selon la revendication 7, dans lequel le système de réglage comprend une vis sans fin fixée de manière mobile en rotation au quatrième pivot (235) par l’une de ses extrémités et au troisième pivot (233) par son autre extrémité, et un écrou coopérant avec la vis et relié à une extrémité de l’organe élastique (24) par un pivot appelé ci-après « sixième pivot » (241 ), de sorte que la rotation de la vis entraîne ledit sixième pivot (241 ) en coulissement le long de cette dernière.
9. Exosquelette (10) selon la revendication 3, comprenant des moyens de modulation (30) de l’effort de compensation, lesdits moyens de modulation (30) étant configurés pour entraîner en coulissement le premier pivot (230) par rapport à l’élément de liaison (210), de sorte à modifier une des dimensions du parallélogramme.
10. Exosquelette (10) selon la revendication 9, dans lequel le coulissement du premier pivot (230) entraîne le déplacement angulaire de l’organe élastique (24) de sorte que, lorsque le bras (22) est en position de repos, la direction de la force de rappel n’est pas orientée vers l’axe de rotation du bras (22).
11. Exosquelette (10) selon la revendication 9, dans lequel le système de modulation (30) comprend une vis sans fin reliée à l’élément de liaison (210) de manière mobile en rotation et un écrou coopérant avec ladite vis sans fin, ledit écrou étant fixé au premier pivot (230) du parallélogramme, de sorte que la rotation de la vis entraîne ledit premier pivot (230) en coulissement le long de cette dernière.
12. Exosquelette (10) selon l’une des revendications 1 à 11 , dans lequel le bras (22) est formé par un profilé présentant deux parois latérales reliées entre elles par une paroi de fond, ledit organe élastique (24) étant fixé au bras (22) de sorte qu’il soit au moins partiellement logé entre lesdites parois latérales.
13. Exosquelette (10) selon la revendication 3, dans lequel la ou chaque structure porteuse (21 ) comprend au moins deux bielles (212, 213) articulées l’une à l’autre par l’une de leur extrémité et liées de manière mobile en rotation, par leur autre extrémité, pour l’une, à un module de fixation (40) de l’exosquelette (10) à un utilisateur, et pour l’autre, à l’élément de liaison (210).
14. Exosquelette (10) selon la revendication 3, dans lequel la ou chaque structure porteuse (21 ) comprend une unique bielle (214) liée de manière mobile en rotation, par l’une de ses extrémités, à un module de fixation (40) de l’exosquelette (10) à un utilisateur, et par son autre extrémité, à l’élément de liaison (210), le module de fixation (40) comprenant une colonne (41 ) s’étendant selon un axe longitudinal et des rails de guidage s’étendant perpendiculairement audit axe longitudinal de la colonne (41 ), le long desquels est libre de coulisser la bielle (214) de la ou de chaque structure porteuse (21 ) lors de l’utilisation de l’exosquelette (10).
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