FR2839443A1 - Chaussures, patins et pieds artificiels auto-propulsifs a energie embarquee pou personnes valides, personnes a handicap et robots marcheurs - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une paire de chaussures ou de patins auto-propulsifs à énergie embarquée aidant les pieds à la marche ou à la course. Chacune desdites chaussures autopropulsives est constituée d'au moins un sous-ensemble (A) avec une partie inférieure capable d'assurer l'appui de la jambe sur le sol, et d'un sous-ensemble (B) avec une partie supérieure fixant le pied et pourvue d'une pointe en forme de lame (C), ledit sous-ensemble (B) étant mobile par rapport audit sous-ensemble (A) grâce à un actionneur principal (z), ledit sous-ensemble (B) étant dès lors capable d'un mouvement dirigé vers le sol, ledit actionneur principal (Z) étant mis en action avec l'aide d'une source d'énergie portée par le marcheur ou le coureur, ladite lame (C) étant capable, à la fin du mouvement dudit sous ensemble (B), et en relais du sous-ensemble (A), d'assurer l'appui de jambe sur le sol en résistant à la compression, alors que se termine la phase d'appui. Dans une version élaborée, l'intensité de l'impulsion donnée au pied en phase d'appui par les auto-propulseurs peut être optimisée en temps réel en prenant des informations sur la cinétique de la jambe sans contact avec le sol grâce à un système de perception embarqué utilisant principalement des micro-accéléromètres et des micro-caméras. Le dispositif de l'invention est adapté non seulement à un nouveau type de prothèses pour personnes amputées des membres inférieurs, mais aussi à un nouveau moyen de déplacement urbain ou de randonnée pédestre très léger et très peu encombrant pour les personnes valides, et à la locomotion de robots marcheurs.
Description
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La marche et la course de personnes amputées d'une ou deux jambes peuvent être aidées par des prothèses à accumulation d'énergie. Certaines prothèses de jambes, pourvues de lames-ressorts élastiques souvent en matériaux composites à base de carbone ou de kevlar, sont dénommés pieds à accumulation d'énergie .
Ces systèmes passifs ont pour rôle d'emmagasiner une énergie de compression pendant l'appui au sol, puis de la restituer en impulsion. Cette énergie est produite au départ entièrement par le marcheur ou le coureur qui déplace son propre poids. Il faut noter que, même avec ces prothèses, une personne amputée d'une jambe doit faire plus d'efforts qu'une personne valide pour marcher à la même vitesse.
En 1976, Waters, Perry, Antonelli et Hislop (Journal of Bone and Joint Surgery 1976;58-A: 1:42-46) mesurèrent une consommation d'oxygène de 0.16 ml/kg/m pour des personnes valides et marchant à
82 mètres par minute, alors qu'elle était de 0. 20 ml/kg/m pour des personnes amputées sous le genou marchant à 71 mètres par minutes.
82 mètres par minute, alors qu'elle était de 0. 20 ml/kg/m pour des personnes amputées sous le genou marchant à 71 mètres par minutes.
Le coût énergétique supplémentaire de la marche en terrain plat d'un amputé tibial est estimé à 30-35% par rapport à un individu valide. Il augmente largement pour les amputés au niveau de la cuisse.
Il y a donc un déficit d'énergie à combler en concevant des systèmes à énergie embarquée par le marcheur ou le coureur, tout en restant dans des limites de poids acceptables.
A la suite des travaux de Gitter, Czerniecki et De Groot en 1991, qui montraient qu'au cours de la marche, les mouvements impliquant la hanche, le genou et la cheville consommaient respectivement 22 joules par pas, 27 joules par pas, et 36 joules par pas, l'équipe de Glenn Klute, Kristen Jaax, Joseph Czerniecki et Blake Hannaford du "BioRobotics Lab" à l'Université de Washington aux USA a conçu un projet intitulé "Powered Prosthetics Project", dans lequel une jambe artificielle à énergie embarquée et comportant des muscles artificiels pneumatiques tibiaux allège l'effort de marche de la personne amputée et apporte les 36 joules par pas qui lui manquent dans l'effort impliquant la cheville. D'autre part, le
Sandia National Laboratory au Nouveau-Mexique aux USA développe une jambe artificielle complète avec fémur et muscles de cuisse artificiels, genou artificiel, tibia et muscles tibiaux artificiels, et munie de capteurs et de micro-processeurs actifs pour rendre à la personne amputée la sensation d'une marche aussi naturelle que possible.
Sandia National Laboratory au Nouveau-Mexique aux USA développe une jambe artificielle complète avec fémur et muscles de cuisse artificiels, genou artificiel, tibia et muscles tibiaux artificiels, et munie de capteurs et de micro-processeurs actifs pour rendre à la personne amputée la sensation d'une marche aussi naturelle que possible.
Pour contribuer à l'effort de marche (36 joules par pas) ou de course impliquant la cheville, la présente invention vise, elle, non pas à remplacer l'effort apporté par les muscles tibiaux, mais à apporter l'énergie qui manque directement aux pieds artificiels à accumulation d'énergie.
Ce faisant, la présente invention élargit le champ d'exploration. En effet, on peut considérer qu'en cherchant à combler le déficit d'énergie subi par les personnes amputées par la conception de systèmes d'aide à la marche ou à la course à énergie embarquée, on rentre dans le domaine de la propulsion active, ce qui peut concerner aussi les personnes valides pour un nouveau moyen de déplacement urbain ou de randonnée pédestre très léger et très peu encombrant, concurrent de la trottinette électrique et des patins à roulettes.
D'autre part, le développement des robots marcheurs est en plein développement : d'engin mobiles sur des terrains accidentés, robots d'exploration, etc Devant l'attractivité du rendement énergétique de la marche et de la course et les possibilités qu'apporte ce mode de locomotion pour évoluer en tout-terrain, de nombreux laboratoires
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développent des robots marcheurs qui emportent avec eux une source d'énergie, des actionneurs et un grand nombre de systèmes de perception faisant appel à l'opto- électronique.
Dans l'invention, la conjonction des trois domaines: - nouveau moyen de locomotion, - nouveau type de prothèses pour personnes amputées, - développement des robots marcheurs , amène à concevoir un dispositif à la frontière des trois.
Le dispositif de l'invention concerne une paire de chaussures auto-propulsives à énergie embarquée aidant à marcher ou à courir en assistant le mouvement des pieds et en soulageant l'effort du marcheur ou coureur. Les pieds peuvent être ceux d'une personne valide, ou les pieds artificiels d'une personne amputée et munie de prothèses jambe-pied, ou les pieds artificiels d'un robot marcheur. La réserve d'énergie peut être emportée dans un sac à dos, par exemple sous forme d'une petite bouteille d'air comprimé.
Dans une version élaborée, l'intensité de l'impulsion donnée par les auto-propulseurs peut être optimisée en temps réel par un système de perception embarqué.
DEPENSES ENERGETIQUES DUES A DES DEPENSES PHYSIQUES: Chez l'Homme, une heure d'effort modéré correspond à une puissance motrice de 150 W à 250 W, et un effort bref intense développe pendant un temps bref 4 fois cette puissance (600 W à 1000 W).
Les sportifs de très haut niveau, comme les recordmen de l'heure à vélo, arrivent à développer, une heure durant, une puissance dépassant les 400 W.
La marche de promenade demande un effort modéré.
ELEMENTS SUR LA LOCOMOTION HUMAINE : La marche humaine, bipédique, soumet alternativement chaque pied à une phase d'appui, puis à une "phase d'oscillation" ou "phase pendulaire".
La phase d'appui commence par l'attaque du talon, puis la pose du pied à plat, se poursuit par le décollement du talon et se termine par le décollement de la pointe du pied.
La phase pendulaire est celle qui amène le pied sans contact avec le sol de l'arrière vers l'avant.
Dans la marche, la phase d'appui est plus longue que la phase pendulaire. En fait, les phases d'appui des deux pieds se chevauchent. Pendant qu'un des deux pieds est en phase pendulaire, l'autre est nécessairement en phase d'appui, mais les deux pieds peuvent être ensemble en appui (appui bilatéral), au moment où celui de l'arrière s'apprête à décoller la pointe et où celui de l'avant est en phase d'appui par le talon.
Dans la marche, la période d'appui unilatéral occupe 40% du temps de cycle de marche, à laquelle se rajoute une phase d'appui bilatérale.
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Dans la course, les deux pieds ne sont pas en appui en même temps, et la phase d'appui diminue : n'occupe que 31% du temps de cycle de course. Lors du sprint, la phase d'appui descend à 22% du temps de cycle.
Le système nerveux central, assisté par l'oreille interne, le toucher et la vision, commande les muscles pour qu'ils assurent l'équilibre du marcheur ou du coureur. Cet équilibre est obtenu par une oscillation verticale (de 5 cm), longitudinale (de 3 cm) et latérale (de 2 cm) du bassin au cours du cycle de marche.
Le mécanisme n'est pas inné, mais appris par les enfants dans les premières années de la vie.
Ces dernières années, une phase d'observation et d'analyse de la marche des enfants en apprentissage et des adultes a permis de concevoir des modèles de la marche des bipèdes, y compris pour l'évitement d'obstacles. (Marcus G. Pandy and Necip Benne. A numerical method for simulating the dynamics of human walking. Journal of Biomechanics, 21(12):1043-1051, 1988; K. E. Adolph. Psychophysical assessment of toddlers ability to cope with slopes. Journal of Expérimental Psychology-Human Perception and Performance, 21(4):734-750, 1995 ; Y. Breniere. Why we walk the way we do. Journal of Motor Behavior, 28(4):291-298, 1996; M. A. Eppler, K. E. Adolph, and T. Weiner. The developmental relationship between infants' exploration and action on slanted surfaces. Infant Behavior & Development, 19(2):259-264, 1996; J. J. Eng, D. A. Winter, and A. E. Patla. Intralimb dynamics simplify reactive control strategies during locomotion. Journal of Biomechanics, 30(6):581- 588,1997; R Grasso, C. Assaiante, P. Prevost, and A. Berthoz. Development of anticipatory orienting strategies during locomotor tasks in children. Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 22(4):533- 539, 1998; Gentaro Taga. A model of the neuro-musculo-skeletal system for anticipatory adjustment of human locomotion during obstacle avoidance. Biological Cybernetics, 78:9-17, 1998; C.
Assaiante, B. Thomachot R. Aurenty, and B. Amblard. Organization of lateral balance control in toddlers during the first year of independent walking. Journal of Motor Behavior, 30(2):114-129, 1998 ; F. J. Diedrich and W. H. Warren. The dynamics of gait transitions: Effects of grade and load.
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The simplest walking model: Stability, complexity, and scaling. Journal of Biomechanical Engineering - Transactions of the ASME, 120(2):281-288, 1998. ) Par exemple, la perte d'équilibre dûe à la marche sur un caillou est rattrapée par l'action de muscles agissant sur l'inversion-éversion et la possibilité pour le pied de s'orienter par rapport à la cheville vers la gauche et le bas ou le haut, ou vers la droite et le bas ou le haut, grâce à une articulation cheville-pied multi-axe.
Ces observations, ainsi que celles qui analysent et modélisent la prise d'appui sur le sol plat ou inégal, dur ou mou, aident à concevoir pour les amputés des prothèses de jambes intelligentes. (D. T. Davy and M. L. Audu. A dynamic optimization technique for predicting muscle forces in the swing phase of gait. Journal of Biomechanics, 20(2):187-201, 1987 ; B. M. Nigg, H. A. Bahlsen, S. M. Lueth, and S.
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Les pieds prothétiques peuvent être pourvus de pilons qui sont eux-mêmes assemblés à des manchons.
Ces manchons reçoivent des moignons des jambes des personnes amputées.
Selon Patrick Sautreuil (Document ANMSR), "on cherche à solidariser le moignon et l'emboîture pour obtenir l'efficacité optimale Au niveau tibial, on choisit une emboîture à double succion : - la succion manchon-moignon : le manchon en gel de polymère (silicone, uréthane...) qui facilite la répartition des pressions, l'amortissement des chocs, la réduction des forces de cisaillement, - la succion manchon-emboîture grâce à la valve d'expulsion de l'air situé entre manchon et emboîture.
Le tout est complété par une gaine de suspension étanche qui enveloppe l'ensemble cuisse/emboîture et réalise une fermeture de l'espace virtuel moignon-manchon-prothèse. L'appui est globalisé de telle façon que le patient soit incapable de situer un point précis de pression. La découpe postérieure de la prothèse libère la flexion du genou. En général, la forme proximale de la découpe est proche de la PTB (Patellar Tendon Bearing), c'est-à-dire qu'elle atteint latéralement le milieu des condyles fémoraux . Les pieds prothètiques se différencient par l'amortissement de l'attaque talonnière, la souplesse de la compression de la partie avant correspondant à l'avant-pied et aux orteils et la stabilité latérale, et l'aptitude aux mouvements d'éversion-inversion.
Certain dispositifs, pourvus de lames-ressorts élastiques souvent en matériaux composites à base de carbone ou de kevlar, sont dénommés pieds à àccumulation d'énergie .
Ces systèmes passifs ont pour rôle d'emmagasiner puis de restituer une énergie produite au départ entièrement par le marcheur, le coureur ou le sauteur qui déplace son propre poids (American Prosthetics Corporation, Concept of the Prosthetics Foot, June 29 1992, Minois, USA ; Lehmann, J. F., Price, R., Boswell-Bessette, S., Dralle,A & Questad, K. (1993) Comprehensive analysis of dynamic elastic response feet : SeattleAnkle/Lite Foot versus SACH foot. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation 74, 853-861. MacFarlane, P. A., Mielsen, D. H., Shurr, D. G. & Meier, K. (1991) Gait comparisons for below-knee amputées using a flex-foot versus a conventional prosthetic foot. Journal of Prosthetics and Orthotics 3(4),150-161. Menard, M. R., McBride, M. E., Sanderson, D. J. & Murray, D. (1992) Comparative biomechanical analysis of energy-storing prosthetic feet. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 73, 451-458. Wirta, R. W., Maon, R., Calvo, K. & Golbranson, F. L. (1991) Effect on gait using various prosthetic ankle-foot devices. Journal of Rehabilitation
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Parmi les modèles commercialisés, on peut citer pour exemple le SAFE Foot, le Sten Foot, le Dynamic Foot, le Carbon Copy II, le Seattle Foot, le Flex-Foot.
Le SAFE Foot, le Sten Foot, et le Dynamic Foot ont une capacité d'accumulation d'énergie modérée.
Le SAFE Foot (Solid Ankle Flexible Endoskeletal) repose sur deux bandes de nylon s'étendant du talon à la région métatarsienne, censés reproduire la fonction des ligaments de l'arche longitudinale.
Sur ces bandes de nylon se succèdent trois composants en mousse de polyuréthane reproduisant respectivement l'articulation tibio-tarsienne, la médio-tarsienne, et les métatarsiens.
Le Sten Foot repose sur un tissu renforcé caoutchouc incliné de l'arrière vers l'avant passant au-dessus d'un talon en mousse et au-dessous d'un enchaînement fait d'une alternance de pièces de bois et pièces de caoutchouc haute densité allant de la cheville à l'avant pied. La couverture externe est en polyuréthane.
Le Dynamic Foot comporte une base inférieure avec un talon incliné de l'arrière vers l'avant en polyuréthane souple et un avant-pied en mousse de polyuréthane haute densité, sur lesquels repose un noyau en bois dur s'étendant jusqu'à la portion médiane du pied. La couverture externe est en polyuréthane.
Le Carbon Copy II , le Seattle Foot, le Flex-Foot, le Multiflex, et le Quantum ont une capacité d'accumulation d'énergie supérieure.
Le Carbon Copy II repose sur un talon en mousse puis sur deux lames composite de carbone en sandwich avec un renforcement kevlar au niveau de la partie qui correspond aux orteils. Au-dessus du talon s'ancre un noyau en composite rigide. Les deux lames de carbone plient et se compriment au moment de la phase d'appui puis restituent l'énergie au moment de l'impulsion vers l'avant. La couverture externe est en polyuréthane.
Le Seattle Foot a une cheville sous forme d'une lame ressort en arc de cercle en delrin (résine plastique) qui revient vers le talon puis repart vers l'avant pour s'appuyer sur une palette en kevlar située à un endroit correspondant aux orteils. La couverture externe est en polyuréthane. Doté d'une forte capacité d'accumulation de l'énergie à l'appui, il présente un talon très ferme adapté à la pratique sportive.
Le Flex-Foot correspond à un ensemble cheville-pied. Une première lame composite carbone-graphite réalisant le pilon, la cheville et l'avant-pied est en arc de cercle et vient directement s'insérer dans l'emboîture du moignon, tandis qu'une autre lame en carbone-graphite, fixée sur la précédente, constitue le talon. Il possède une très forte capacité d'accumulation de l'énergie, et est adapté à la pratique sportive.
D'autres pieds à accumulation d'énergie existent comme l'Allurion, l'Otto Block 1C40 C-Walk, le Lambda Foot, l'Impulse Foot, le 1D25 Dynamic-plus-Foot, le Mercury Foot, le Dynapro II, le FlexWalk, le G-Foot, le Dynastep, le Flex-Foot Modular II, le Copart, le Flex -Spring avec des caractéristiques de souplesse, d'amortissement des chocs variable et à tendance plus ou moins sportive.
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Le Free-Flow Foot, le Talux, le Quantum, le Greissinger Plus Foot, le Multi-Flex, le Phoenix Foot et le Vari-Flex sont des pieds prothétiques à accumulation d'énergie dotés d'articulations pieds cheville multiaxes pour assurer une meilleure éversion-inversion et donc une meilleure stabilité.
Un système intitulé "D.A.S. Multi-Axial Rotation System "permet d'adapter l'articulation chevillepied à n'importe quel moment du cycle de marche, et assure l'inversion-éversion appropriée.
Le Collège Park Trustep Foot est doté d'un système de transfert de poids pour assurer une meilleure stabilité.
Le Pathfinder est pourvu d'un système de restitution d'énergie, en même temps jouant le rôle d'amortisseur de chocs, sous forme d'un ensemble cylindre-piston.
ETAT DE L'ART DANS LES CAPTEURS POUR ROBOTS MARCHEURS: La formalisation des tâches à effectuer en termes d'automatique a permis d'intégrer très efficacement dans la commande des capteurs de force, de pression, de rotation, de torsion, de contact, de position, de vitesse, de mouvement, d'angle, d'orientation , de proximité et de détecteurs de forme. (C. Samson, M. Le Borgne, B. Espiau, Robot Control: the Task Function Approach, Oxford University Press, 1990 ; M. Spong, M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control, Wiley, 1989).
Les détecteurs de position miniaturisés font appel à des micro-caméras avec analyse d'image, ou aux diodes lasers, ou aux détecteurs infra-rouges comme dans les goniomètres. Les détecteurs d'orientation miniaturisés font appel des micro-gyroscopes. Les détecteurs d'accélération font appel à des microaccéléromètres. Les détecteurs d'angle font appel à des systèmes optiques ou opto-électroniques. Les détecteurs miniaturisés de forme ou de mouvement et de forme font aujourd'hui principalement appel à des micro-caméras avec analyse d'image.
Par ailleurs, la robotique utilise largement des algorithmes basés sur des méthodes probabilistes pour la planification du mouvement en robotique.
Selon Bernard Espiau, de l'INRIA Grenoble (Isère, France), les recherches en vision par ordinateur ont franchi des étapes décisives en intégrant élégamment des outils mathématiques puissants (R.
Horaud, 0. Monga, Vision par ordinateur : outils fondamentaux, Hermès, 1993 ): géométrie projective, géométrie algébrique, probabilités, statistiques, comme dans l'analyse et la segmentation du mouvement par méthodes hiérarchiques markoviennes, et la mise au point de techniques de reconstruction affine, projective ou euclidienne-à partir d'images multiples sans étalonnage lourd. Les améliorations des algorithmes d'analyse d'images ouvrent aux robots la perspective d'être capables de se localiser et de reconnaître leur environnement par la vision. Parallèlement, les techniques avancées de modélisation 3D issues de la géométrie algorithmique et de l'infographie se sont largement diffusées.
ETAT DE l'ART DANS LES CAPTEURS: Les capteurs de force, de pression, de rotation, de torsion, de contact, de position, de vitesse, de mouvement, d'angle, d'orientation, de déplacement, de proximité et les technologies utilisées ont été décrits dans de nombreux ouvrages dont en particulier Instrumentation for Engineering Measurements, 2nd Edition par James W Dally, William F Riley, Kenneth G. McConnell et " R.
Pallas-Areny and J. Webster, Sensors and Signal Conditioning, Wiley, New York (1991). .
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Aujourd'hui, les techniques de micro-fabrication permettent de miniaturiser à l'extrême ces capteurs.
La miniaturisation a particulièrement concerné les accéléromètres, en particulier pour le déclenchement d'airbags. ( Allen, H.V., S.C. Terry, and D. W. DeBruin. 1990. "Accelerometer Systems with Built-in Testing. " Sensors and Actuators. A21-A23. Pp. 381-386 ; Barth, P., et al. 1988.
"A Monolithic Silicon Accelerometer with Intégral Air Damping and Overrange Protection." Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 35-38 ;; Boxenhorn, B., and P. Greiff. 1990.
"Monolithic Silicon Accelerometer." Sensors and Actuators. A21-A23. Pp. 273-277 ; Greiff, P., B.
Boxenhorn, T. King, and L. Niles. 1991; Henrion, W., et al. 1990. "Wide Dynamic Range Direct Digital Accelerometer." Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 153-157 ; Jerman, J. H., D. Clift, and S. R. Mallinson. 1990 ; R. S., and K.A. Dinsmore. 1991. "Surface Micromachined Accelerometer: A Technology Update. " Digest SAE Meeting. Pp. 127-135 ; Pourahmadi, F., L. Christel, and K. Petersen. 1992. "Silicon Accelerometer with new Thermal SelfTest Mechanism."Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 122-125.
Ristic, L., et al. 1992. "Surface Micromachined Polysilicon Accelerometer." Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 118-121 ; Terry, S.C. 1988. "A Miniature Silicon Accelerometer with Built-in Damping."" Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 114-116 ; Yun, W., R.T. Howe, and P.R. Gray. 1992b. "Surface Micromachined Digitally Force-Balanced Accelerometer with Integrated CMOS Detection Circuitry. " Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Pp. 126-129 ; Integrated Micro-Electro-Mechanical Sensor Development for Inertial Applications, J. J. Allen, R. D. Kinney, J. Sarsfield, M. R. Daily, J. R. Ellis, J. H. Smith, S.
Montague, Sandia National Laboratories ; R. T. Howe, B. E. Boser, R. Horowitz, and A. P. Pisano, Berkeley Sensor Actuator Center, and M. A. Lemkin, W. A. Clark, T. Juneau, Integrated Micro Instruments. Position Location and Navigation Symposium (PLANS '98), Rancho Mirage, CA, April 20-23, 1998; Surface-Micromachined Resonant Accelerometer, T. A. Roessig, R. T. Howe, A. P.
Pisano, and J. H. Smith, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, IL, June 16-19, 1997, Vol. 2, pp. 859-862 ; A3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass, M. A. Lemkin, B. E. Boser, D. Auslander, and J. H. Smith, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, IL, June 16-19, 1997, Vol. 2, pp. 1185- 1188 ; A Three-Axis Surface Micromachined Sigma-Delta Accelerometer, M. Lemkin, M. Ortiz, N.
Wongkomet, B. Boser, and J. Smith, Proc. ISSCC, pp. 202-203, Feb. 1997).
Les gyroscopes également peuvent être miniaturisés. (Bernstein, J., S.T. Cho, A. T. King, A.
Koutrpenis, P. Maciel, and M. Weinberg. 1993.- "A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope. " Digest IEEE Microelectromechanical Systems Workshop. Pp. 143-148 ; "Silicon Monolithic Micromechanical Gyroscope." Digest Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers '91). Pp. 966-968 ).
Les capteurs d'angle également (L. N. Mertz, "Interferometric angle encoder", Rev. Sci. Instrum. 62 (5), 1356-1360 (1991) ; R. Peters, "Capacitive angle sensor with infinite range", Rev. Sci. Instrum. 64 (3), 810-813 (1993)).
Les diodes lasers permettent de mesurer les distances par interférométrie laser.(.Ready, J. F. Industrial Applications of Lasers, Chapter 10. New York: Academic Press, 1978. ~ Brevet US 4190362 "Laser telemeter". ~ . Brevet US 4229102 "Method and apparatus for balancing out disturbances in distance measuring Systems." ~. Brevet US 4297030 "Method and apparatus for measuring the distance and/or
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"Détection d'obstacle par détecteur I.R. actif tournant (Applications à la Robotique Mobile), 1994, 33p.; Rapport LAAS N 92036. Esteve D., Najmi A., Mahrane A., Vialaret G., Gillet R. "Détecteur d'obstacle : approche active dans le domaine infra-rouge", 1992, 36p.; Rapport LAAS N 93363; Najmi A., Mahrane A., Esteve D., "Infra-red laser radar for obstacle avoidance in the automotive field., 26th International Symposium on Automotive Technology and Automation, Aachen, 13-17 septembre 1993, pp739-746 ; LAAS N 92446, Audaire L., Bauer F., Este}le D., Simonne J., "An active and a passive infra-red approach in obstacle detection: the LIDAR and the copolymer starring array", Autonomous Intelligent Cruise Control, Frankfurt, 25-26 Novembre 1992 ; LAAS N 92232, Esteve D., Mahrane A., Najmi A., "Infra-red obstacle detection. The French Prochip position", Prometheus/Prochip Workshop, Stockholm, 14=15 Mai 1992, 15p.; Rapport LAAS N 93422 Najmi A., Mahrane A., Vialaret G., Esteve D., Audaire L., Bauer F., Simonne J., "Capteurs infrarouge actif et passif apliqués à la détection d'obstacles", 8ème Congrès International SIA-FIEV-EQUIP'AUTO, Paris, 25-27 Octobre 1993, 9p"; Rapport LAAS N 92332 Najmi A., Mahrane A., Esteve D., Vialaret G., "Systèmes de détection d'obstacles infra-rouge dans le domaine automobile", Colloque Capteurs pour l' Automobile, Grenoble, 144 Octobre 1992.) Il est possible d'analyser une forme, une position, un mouvement d'un objet en analysant sa représentation sur une image électronique.( Brevet US 3780223 "Antibiotic sensitivity measurement system". Brevet US 3988534 "Electro-optical tracking computer utilizing television camera". Brevet US 4044243 "Information processing system". Brevet US 4053929 "Contour fitting pictorial tracking gate". Brevet US 4219847 "Method and apparatus for determining the center of area or centroid of a
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geometrical area of unspecified shape lying in a larger x-y scan field". Brevet US 4220967 "Scene tracker using multiple independent correlators". Brevet US 4254474 "Information processing system using threshold passive modification". Brevet US 4326259 "Self organizing gênerai pattern class separator and indentifier". Brevet US 4449144 "Apparatus for detecting moving body". Brevet US 4630114 "Method for determining the displacement of moving objects in image sequences and arrangement as well as uses for implementing the method". Brevet US 4661853 "Interfield image motion detector for video signais". Brevet US 4719584 "Dual mode video tracker". Brevet US 4644582 "Image registration method". Brevet US 4731745 "Automatic dimension analyzer". Brevet US 4760445, "Image-processing for estimating the motion of objects situated in said image". Brevet US 4799267 "Image processing apparatus and processing method". Brevet US "4825394 "Vision metrology system". Brevet US4868871 "Nonparametric imaging tracker". Brevet US 4931868 "Method and apparatus for detecting innovations in a scene". Brevet US 5018218 "Confirmed boundary pattern matching". Brevet US 5034986 "Method for detecting and tracking moving objects in a digital image sequence having a stationary background". Brevet US 5034986. Brevet US 5062056 "Apparatus and method for tracking a target". Brevet US 5111511"Image motion vector detecting apparatus". Brevet US 5157732 "Motion vector detector employing image subregions and median values". Brevet US 5280530 "Method and apparatus for tracking a moving object".) Lorsque la forme ou la nature des objets dont on veut reconnaître la position le nécessite, par exemple lorsque la géométrie de l'objet n'a pas des caractéristiques suffisamment distinctes de l'environnement par certains traits comme sa géométrie, il est possible d'utiliser des logiciels de reconnaissance de forme (Brevet US 4697209 "Methods and apparatus for automatically identifying programs viewed or recorded". Brevet US 4789933 "Fractal model image based processing". Brevet US4841575 "Image encoding and synthesis". Brevet US 5060277 "Pattern classification means using feature vector regions preconstructed from référence data". Brevet US 5065447 "Method and apparatus for processing digital data". Brevet US 5076662 "Electro-optical IFS finder", Brevet US 51423057 "Model based pattern récognition ". Brevet US5123087 "Géométrie inference engine". Brevet US 5136659 "Intelligent coding system for picture signal". Brevet US 5148522 "Information retrieval apparatus and interface for retrieval of mapping information utilizing handdrawn retrieval requests".
Brevet US 5347600 "Method and apparatus for compression and décompression of digital image data". Brevet US 5384867 "Fractal transform compression board". Brevet US 5875108"Ergonomic man-machine interface incorporating adative pattern récognition based control system". ~ . Reyna Rojas R., Esteve D."Architecture d'un système de vision pour la détection et la localisation d'objets à l'aide d'un réseau de neurones" Rapport LAAS N 00042. mêmes journées Nationales du Réseau Doctoral de Microélectronique, Montpellier, France, 4-5 mai 2000) Les micro-caméras avec analyse d'image peuvent utiliser le signal vidéo pour contrôler un mécanisme sur un engin mobile (Rapport LAAS Toulouse N 98344. H. Camon, F. Lamaudie, N Arana, V. reboul, M. Briot. An integrated 3D camera: a microsystem for robotic applications. IARP 2ndInternational Workshop on Micro Robotics and Systems, Bejing, Chine, 22-33, Octobre 1998, pp 199-125.).
Une première méthode pour utiliser le signal vidéo afin de contrôler un mécanisme sur un engin mobile impose de localiser l'engin mobile par rapport à un repère fixe, puis d'effectuer une synthèse de lois de commande sur l'état de l'engin mobile avant d'effectuer la commande. Une autre méthode plus fiable et plus rapide, et permise par le signal vidéo, dite de "l'asservissement visuel", permet de définir des boucles de commande directement à partir des données sensorielles sans avoir à relocaliser l'engin mobile. Le déclenchement de la tâche ou du mécanisme à effectuer est alors référencée dans l' "espace capteur", c'est à dire uniquement avec les informations reçues de la caméra vidéo, selon ce que l'on
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appelle la "commande référencée capteur". Un perfectionnement de cette méthode consiste à coupler les information reçues d'une micro-caméra vidéo et d'un micro-laser télémétrique, et permet de gérer les mêmes tâches mais en milieu encombré. (Rapport LAAS Toulouse N 99549, "Commande référencée multi-capteurs pour la navigation d'un robot mobile". Thèse de doctorat de V. Cadenat, Université Paul Sabatier, Toulouse, 16 Décembre 1999, N 3565,177 p ; Rapport LAAS N 99548 Nissoux C.,"Visibilité et Méthodes probabilistes pour la planification du mouvement en robotique", Doctorat, Université Paul Sabatier, Toulouse, 10 Décembre 1999, N 3570, 151 p. ) Des systèmes mixtes font coopérer des diodes électro-luminescentes et des caméras. Un exemple de système de poursuite d'objets faisant appel à un système mixte est décrit dans le brevet W09952094 "Wireless optical instrument for position measurement and method of use therefore", dans lequel des capteurs optiques de position de la cible tels que des diodes électroluminescentes émettent des éclairs dans un créneau temporel respectifs d'une trame de temps. Les diodes électroluminescentes sont synchronisées avec la fréquence de trame des caméras et communiquent avec elles, ce qui permet de localiser la cible.
ETAT DE L'ART DANS LES SYSTEMES DE COMMUNICATION ENTRE DISPOSITIFS MINIATURISES: Les systèmes de commande et de communication s'effectuent classiquement par une micro-circuiterie électrique câblée. Cependant, il existe aujourd'hui une tendance à utiliser des systèmes de communication par ondes électromagnétiques, d'une part par le biais de rayonnement infra-rouge, d'autre part par le bais d'ondes radio selon une norme telle que la dénommée norme "Bluetooth".
ETAT DE l'ART DANS LA PRISE DE DECISION EN ROBOTIQUE EN ENVIRONNEMENT HASARDEUX Selon Bernard Espiau, de l'INRIA Grenoble (Isère, France), la prise de décision dans un environnement hasardeux fait appel aux méthodes associées à la modélisation et à la manipulation de connaissances symboliques, en vue d'assigner un objectif à un robot et de contrôler son évolution vers celui-ci.
Les travaux des années 80-90 ont été menés dans deux directions principales.
La première approche est essentiellement hiérarchique: le système commence par produire un plan (d'actions, de chemins, de mouvements. ). Les techniques utilisées varient suivant le problème posé (T.
L. Dean, M. P. Wellman, Planning and Control, Morgan and Kaufmann Publ., 1991 ; J. C. Latombe, Robot Motion Planning, Kluwer Academic Publishers, 1991): algorithmes de parcours d'arbre, programmation dynamique, ou techniques probabilistes pour la planification de chemins, logiques temporelles pour les plans d'action. Ensuite, un système de supervision contrôle l'exécution, tandis qu'un troisième niveau, dit réactif, permet l'adaptation du plan vis-à-vis d'informations nouvelles.
La deuxième approche est dite comportementale. Basée sur un point de vue behavioriste, elle suppose l'existence d'un ensemble de comportements élémentaires d'action-réaction, très simples, qui par leur assemblage plus ou moins automatique conduit à un comportement global du robot complexe et adapté à l'environnement.
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Appréhender par la modélisation mathématique la complexité de l'environnement n'étant pas toujours aisé pour la prise de décisions, les spécialistes de l'intelligence artificielle ont proposé des approches telles qu' algorithmes d'optimisation génétiques pour les problèmes non convexes, réseaux de neurones pour l'identification ou l'apprentissage, logique floue pour la commande et le contrôle de systèmes mal connus.
ETAT DE L'ART DANS LES MUSCLES ARTIFICIELS: En robotique on peut utiliser les muscles artificiels pneumatiques basés sur des manchons gonflés par de l'air comprimé et recouverts d'une maille d'un matériau élastique (Brevet US 5052273 : tubular wall pneumatic actuator with position transducer; Klute GK, Artificial Muscles : for Biorobotic Systems. Department of Bioengineering, University of Washington, 1999; Klute, G. K., Czerniecki, J. M, and Hannaford, B. (1999) : McKibben Artificial Muscles : Pneumatic Actuators with Biomechanical Intelligence. To appear in the Proceedings of the IEEE/ASME 1999 International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM '99), Atlanta, GA, September 19-22, 1999 ; Klute, G. K. and Hannaford, B. (1998) :Modeling Pneumatic McKibben Artificial Muscle Actuators: Approaches and Expérimental Results. Submitted to the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurements, and Control, November, 1998, revised March 1999 ; Klute, G. K. and Hannaford, B.
(1998) :Finite Element Modeling of McKibben Artificial Muscle Actuators. Submitted to the IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, March, 1998 ; Klute, G. K. and Hannaford, B.
(1998) :Fatigue Characteristics of McKibben Artificial Muscle Actuators. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Victoria, B. C., Canada, October 13-17,1998, 3:1776-1782 ; Chou, C. P. and Hannaford, B. (1996):Measurements and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 12(1):90-102 ; Chou, C. P. and Hannaford, B (1994):Static and Dynamic Characteristics of McKibben Pneumatic Artificial Muscles. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. San Diego, CA, May 8-13, 1994, 1:281-286 ; Tondu B., Lopez P., Modeling and control of Mc Kibben artificial muscle robot actuators", IEEE control Systems Magazine, vol. 20, n 2, IEEE Publisher (April 2000) 15-38.) Au "Biologically Inspired Robotics Laboratory" du Case Western University, les muscles artificiels pneumatiques Mc Kibben ont pu être réduits à une dimension de quelques dizaines de millimètres et être utilisés avec succès pour actionner les muscles d'un microrobot à pattes dit "Cricket Microrobot".
Des développements sont en cours pour utiliser les propriétés contractiles des polymères électro-actifs (Ricard A.., Tondu B., Lopez P., Vial D. et Conscience M.. Artificial muscle based on polymeric contractile gels", matériaux et techniques, matériaux et structures intelligents, Dunod (Décembre 1998) 43-48 ; Polymers as artificial muscles : capabilities,potential and challenges.
Keynote Présentation at the Robotics 2000 and Space 2000. Albuquerque, NM, USA, February 28 March 2, 2000 ; Electroactive Polymers as rtificial muscles changing Robotics paradigms. NSMMS Symposium, San Diego, CA, 27 Feb. to 2 March 2000). Des travaux non encore publiés de Sonja Krause et Katherine Bohon au Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, USA sur des gels de polymères avec des fluides électro-rhéologiques, comme des particules d'oxyde de polyéthylène mélangées suspendues dans une huile siliconée mélangée avec du poly(dimethyl siloxane) pourraient apporter le temps de réponse rapide qui manque à ces technologies.
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Les muscles artificiels peuvent aussi utiliser des micro-moteurs électriques, l'électro-strictivité ou la magnéto-strictivité.
D'autres voies sont explorées pour les muscles artificiels comme les propriétés electrostrictives des copolymères de poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) activés par un bombardement électronique.
D'autres travaux sont engagés pour appréhender les possibilités d'utilisation des nanotubes de carbone pour fabriquer des muscles artificiels, car la théorie leur prédit des potentilaités intéressantes dans ce domaine.
Enfin, des actionneurs peuvent utiliser des micro-turbines, telles que celles développées par le MIT à Cambridge, Massachussetts, USA, sous la direction d'Alan Epstein et de Stephen Senturia, en utilisant des techniques de micro-fabrications (technologie décrite dans le Brevet US 5 932 940).
ETAT DE L'ART DES SOURCES D'ENERGIE EMBARQUEE: Etat de l'Art dans les micro-piles à combustible: Il existe plusieurs technologies de pile à combustible. Un premier groupe comprend les piles basse température (25-100 c), c'est à dire les PEMFC (piles à membrane électrolyte polymère) et les AFC (alcaline fuel cells).
Les PEMFC peuvent utiliser l'hydrogène directement à partir d'un stockage à très basse température ou dans des hydrures, ou bien de l'hydrogène reformé à partir de méthanol.
Un deuxième groupe comprend les piles à méthanol à production directe, c'est à dire les DFMC (direct methanol fuel cells) . Un troisième groupe comprend les piles à moyenne température (190 c), comprenant les PAFC (phosphoric acid fuel cell) . Un quatrième groupe comprend les piles à haute température (+ de 500 C), telles que les MCFC (piles à carbonates fondus) et les piles à oxyde solide, les SOFC (Solide oxyde fuel cell).
Des développements récents ont abouti à des piles à combustible capables d'utiliser directement des hydrocarbures comme le méthane, l'éthane, le 1-butène, le n-butane et le toluène (Murray EP, Tsai T, Barnett SA, " A direct-methane fuel cell with a ceria based anode", Nature, 1999, 400, 649-651; .Park S., Vohs JL, Gorte R., "Direct oxydation of hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell". Nature, 2000, 404, 265-266.) Les piles à combustible peuvent être miniaturisées (Voss H., Huff J;, Attewell A., Keily T.. "Portable fuel cell power generator". Journal ofPower Sources, 1997, 1-2,155-158.; Browning D., Jones P., Packer K., Attewell A., Keily T. "An investigation of hydrogen storage methods for fuel cell operation with man-portable equipment. " Journal ofPower Sources, 1997,1-2,187-195.; Ishizawa M. et al.: "Portable Fuel-Cell Systems" NTT Review, vol. 9, No. 5, Sep. 1997, pp. 65-69 ; US 5314762 "Portable power source".; Brevet US 5641585 "Miniature fuel cell assembly" ; US 5932365 "Hydrogen canister fuel cell battery" ; US 6057051, "Miniaturized fuel cell assembly".; Brevet WO 035032 "Micro-fuel cell power devices".; Brevet WO 036681 "Large non-bipolar fuel cell stack configuration" ; Brevet WO 045457 "MEMS-based thin-film fuel cells".)
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Etat de l'Art dans les micro-piles à biocatalyse et bio-combustible: Les micro-piles à biocatalyse et bio-combustible sont des micro-piles à combutible qui utilisent des principalement des sucres tels que le glucose comme combustibles et des molécules biologiques tels des enzymes comme catalyseurs. Des développements récents ont conduit à leur miniaturisation (Satoshi Sasaki, Isao Karube, "The development of microfabricated biocatalytic fuel cells", Trends in Biotechnology, 1999, vol 17, 50- 52).
Des bactéries et des algues peuvent aussi produire de l'électricité avec un rendement suffisant pour envisager de les utiliser comme source d'énergie embarquée. Par exemple, les bactéries anaérobies du genre Desulfuromonas acetoxidans dégradent la matière organique en acétate, qui capte les électrons, lesquels peuvent être transférés à des électrodes.
Etat de l'Art dans les accumulateurs électrochimiques: Dans le but d'augmenter les rapports Energie stockée/poids et Energie stockée/volume, des accumulateurs électrochimiques, tels que batteries Lithium-polymères, viennent élargir la gamme des accumulateurs déjà banalisées tels que accumulateurs au plomb, Nickel-Cadmium, Nickel-Métalhydrures, Lithium-ion. En termes de nombre de cycles charge/décharge et sauvegarde de l'environnement, les accumulateurs au Magnésium représentent une alternative (Aurbach D., Lu Z, Schechter A., Gofer Y., Gizbar H., Turgeman R, Cohen Y, Moshkovich M, Levi E, "Prototype systems for rechargeable magnésium batteries", Nature, 2000, 407, 724727).
Etat de l'Art dans les supercondensateurs : Les supercondensateurs ont moins de capacités de stockage que les accumulateurs électrochimiques, mais ils ont l'avantage de supporter un nombre quasi-illimité de cycles charges-décharges très rapides.
Ils peuvent donc être couplés en série avec des accumulateurs chimiques et répondre aux pics d'utilisation (Brevet US 5591212, "Hybrid battery for implantable pulse generator."; Brevet US 6061577, "Electrical power supply circuit, in particular for portable appliances"; Brevet US 6097973, "Electronic circuit for a portable electronic device. ) BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Le dispositif de l'invention concerne une paire de chaussures ou de patins auto-propulsifs à énergie embarquée aidant à marcher ou à courir en assistant le mouvement des pieds et en soulageant l'effort du marcheur ou coureur. Les pieds peuvent être ceux d'une personne valide, ou les pieds artificiels d'une personne amputée et munie de prothèses jambe-pied, ou les pieds artificiels d'un robot.
Ainsi ledit dispositif de l'invention aide à la marche ou à la course une personne valide ou une personne amputée muie d'un pied prothétique ou un robot marcheur.
Selon un version élaborée de l'invention, l'intensité de l'impulsion donnée au pied en phase d'appui par les auto-propulseurs peut être optimisée en temps réel en prenant des informations sur la cinétique de la jambe sans contact avec le sol grâce à un système de perception embarqué.
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Les chaussures de l'invention, utilisables en terrain plat, montant ou descendant, soulagent l'effort du marcheur ou du coureur et l'aident soit à faire des pas plus grands, soit à faire des pas plus rapides.
L'énergie embarquée, qui peut par exemple portée dans un sac à dos d'appoint, est consommée par le coureur ou le marcheur en très faible quantité.
En résumé, les chaussures de l'invention ont trois vocations possibles: - soit soulager la dépense énergétique d'une personne valide se déplaçant à pied, - soit aider la marche ou à la course des personnes amputées d'une ou de deux jambes. Dans ce cas, les chaussures de l'invention chaussent des pieds artificiels faisant partie de prothèses de membres inférieurs.
- soit aider la marche ou à la course des robots marcheurs ou coureurs. Dans ce cas, les chaussures de l'invention chaussent des pieds artificiels terminant leurs jambes artificielles.
Des pieds artificiels propulsifs directement liés à des pilons de prothèse de jambes peuvent être conçus selon le même principe que les chaussures de l'invention.
De même, des pieds artificiels propulsifs de robots marcheurs directement liés aux jambes artificielles de robots marcheurs peuvent être conçus selon le même principe que les chaussures de l'invention.
FIGURES:
La Figure 1 représente un premier type de chaussure autopropulsive de l'invention, avec un sous-ensemble (A) ayant deux appuis au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), et un actionneur principal (Z) au talon, dans deux positions de travail différentes. Ledit actionneur principal (Z) est pourvu d'une chambre extensible souple (00) dans laquelle un gaz est capable de se détendre, l'échappement du gaz se faisant au moment où un col (125) aménagé à la surface de ladite chambre extensible souple se dégage d'un obturateur (425) lié au mouvement d'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B). Au haut de ladite Figure 1, l'actionneur principal (Z) est au repos. Au bas de ladite Figure 1, l'actionneur principal (Z) est en action, éloigne ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement de rotation, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 1 représente un premier type de chaussure autopropulsive de l'invention, avec un sous-ensemble (A) ayant deux appuis au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), et un actionneur principal (Z) au talon, dans deux positions de travail différentes. Ledit actionneur principal (Z) est pourvu d'une chambre extensible souple (00) dans laquelle un gaz est capable de se détendre, l'échappement du gaz se faisant au moment où un col (125) aménagé à la surface de ladite chambre extensible souple se dégage d'un obturateur (425) lié au mouvement d'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B). Au haut de ladite Figure 1, l'actionneur principal (Z) est au repos. Au bas de ladite Figure 1, l'actionneur principal (Z) est en action, éloigne ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement de rotation, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 2 représente un deuxième type de chaussure autopropulsive de l'invention , avec un sous-ensemble (A) ayant deux appuis au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), et un actionneur principal (Z) à l'avant. Ledit actionneur (Z) est pourvu d'un cylindre (200) aménagé dans ledit sous-ensemble (A) et dans lequel un gaz amené par un conduit est capable de se détendre. Ledit cylindre (200) reçoit un piston (100) faisant corps avec ledit sous-ensemble ( B). Le retour après la fin de course dudit piston (200) se fait sous l'effet d'un système bielle-manivelle (240). Au haut de ladite Figure 2, l'actionneur est au repos.
Au bas de ladite Figure 2, ledit actionneur principal (Z) est en action et ledit sous-ensemble
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(B) se rapproche du sol selon un mouvement curviligne, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 3 représente un troisième type de chaussure autopropulsive de l'invention, avec un sous-ensemble (A) ayant un seul appui au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), un actionneur principal (Z) au talon, et un actionneur annexe (W) à l'avant. Au haut de ladite Figure 3, les deux actionneurs sont au repos. Au bas de ladite Figure 3, les deux actionneurs sont en action, éloignent ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement de torsion rotative, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 4 représente un quatrième type de chaussure autopropulsive de l'invention, avec un sous-ensemble (A) ayant un seul appui au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), un actionneur principal (Z) au talon et un actionneur annexe (W) à l'avant. Au haut de ladite Figure 4, les deux actionneurs sont au repos. Au bas de ladite Figure 4, les deux actionneurs sont en action, éloignent ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement de rotation, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 5 représente la chaussure autopropulsive de la Figure 4 dans deux nouvelles positions (en haut en bas de ladite Figue 5), dans lesquelles ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) s'écartent de plus en plus.
La Figure 6 représente une chaussure autopropulsive de l'invention variante de celle de la Figure 1, avec un sous-ensemble (A) ayant deux appuis au sol dont une lame d'appui avant (L), avec un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C) capable de comprimer ladite lame d'appui avant (L), et avec un actionneur principal (Z) au talon. Au haut de la Figure 6, ledit actionneur principal (Z) est au repos. Au bas de ladite Figure 6, ledit actionneur principal (Z) est en action, éloigne ledit sous-ensemble (A) et ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement de rotation, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C) et ledit appui avant (L).
@ La Figure 7 représente une chaussure autopropulsive variante de celle de la Figure 2 avec un sous-ensemble (A) ayant deux appuis au sol dont une lame d'appui avant (P), un sousensemble (B) pourvu d'une lame (C), un actionneur principal (Z) à l'avant, un actionneur annexe (N) à l'avant pourvu d'une chambre extensible souple en position de repos. Ledit actionneur (Z) est pourvu d'un cylindre (200) aménagé dans ledit sous-ensemble (A) et dans lequel un gaz amené par un conduit est capable de se détendre. Ledit cylindre (200) reçoit un piston (200) faisant corps avec ledit sous-ensemble ( B). Le retour après la fin de course dudit piston (100) se fait sous l'effet d'un système bielle-manivelle (240). Ledit piston (100) est percé en son centre d'un canal longitudinal chargé concomitamment d'amener aussi le gaz qui se détend dans ladite chambre extensible souple dudit actionneur annexe (N).
La Figure 8 représente la chaussure autopropulsive de la Figure 7, avec ledit actionneur principal (Z) en action qui rapproche du sol ledit sous-ensemble (B) selon un mouvement curviligne, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C), et avec un actionneur annexe (N) en action qui tend à imprimer un mouvement de rotation à ladite lame d'appui avant (P), alors que cette dernière est en contact avec le sol.
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La Figure 9 représente une décomposition en trois positions successives de la phase de l'attaque-talon d'un nouveau type de chaussure autopropulsive de l'invention pourvue au talon d'un actionneur principal (Z) double. La chaussure autopropulsive décrite sur ladite Figure 9 comporte un sous-ensemble (A) ayant un seul appui au sol, un sous-ensemble (B) pourvu d'une lame (C), et un actionneur principal (Z) au talon en deux parties. Une partie dudit actionneur principal (Z) assure l'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B) selon une rotation et conduit à la compression au sol deladite lame (C), une autre partie dudit actionneur principal (Z) renforce l'appui au sol dudit sous-ensemble (A). Au haut de ladite Figure 9, l'actionneur principal (Z) est au repos alors que s'engage l'appui-talon, ce qui par capteur de contact ou de proximité déclenche ledit actionneur principal (Z). Au milieu et au bas de ladite Figure 9, l'appui-talon se confirme, et ledit actionneur principal (Z) commence à réagir.
La Figure 10 représente le type de chaussure autopropulsive de la Figure 9 avec une décomposition de la phase de décollement du talon et d'impulsion de la pointe du pied. en trois positions successives. Au haut de ladite Figure 10, la chaussure autopropulsive est en appui plat, en cours de bascule talon-pointe, alors que se confirme l'action dudit actionneur principal (Z) et que ladite lame (C) entame sa compression. Au milieu de ladite Figure 10, la bascule talon-pointe se termine, l'appui de la pointe du pied s'exerce pleinement, ladite lame (C) est en pleine compression, et ledit actionneur principal (Z) se relâche. Au bas de ladite Figure 10, l'élasticité de ladite lame (C) s'est exprimée et a donné une impulsion au pied vers l'avant et vers le haut.
La Figure 11représente une chaussure autopropulsive de l'invention pourvue d'une lame flexible à l'avant équipée d'une chambre à air (807) amortissant les appuis.
La Figure 12 représente une chaussure autopropulsive de l'invention pourvue d'une lame flexible à l'avant équipée d'une roue motrice (344), ce dispositifpouvant exister des deux côtés de ladite chaussure autopropulsive.
La Figure 13 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-accéléromètres (76) et de micro-gyroscopes (87) et de microgyroscopes/micro-accéléromètres (77). Chaque kit de perception embarqué fournit au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de l'autre jambe en phase d'oscillation. Sur ladite Figure 13, le pied sans appui avec le sol revient de l'arrière avec une certaine accélération.
La Figure 14 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 13.
La Figure 15 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-caméras CD ou CMOS (59) fixées sur les genoux et coopérant
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avec des des diodes électro-luminescentes (41) fixées sur l'autre jambe, et fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de ladite autre jambe en phase d'oscillation .
La Figure 16 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 15.
La Figure 17 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-caméras CD ou CMOS (59) fixées à l'arrière desdites chaussures de l'invention, pouvant effectuer des reconnaissances de forme, coopérant avec des diodes électro-luminescentes (41) fixées sur l'autre jambe, et fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de ladite autre jambe en phase d'oscillation .
La Figure 18 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 17.
La Figure 19 représente une chaussure auto-propulsive de l'invention où ladite lame (C) est mobile autour d'un axe horizontal et est capable de rotation pendant son appui au sol avec l'aide d'un actionneur annexe (V) tel qu'un muscle artificiel pneumatique (602), ce dispositif pouvant exister des deux côtés de ladite chaussure autopropulsive.
DESCRIPTION DE L'INVENTION Le dispositif de l'invention concerne une paire de chaussures auto-propulsives à énergie embarquée aidant à marcher ou à courir en assistant le mouvement des-pieds et en soulageant l'effort du marcheur ou coureur. Les pieds peuvent être ceux d'une personne valide, ou les pieds artificiels d'une personne amputée et munie de prothèse (s) ou les pieds artificiels d'un robot.
Ainsi ledit dispositif de l'invention aide à la marche ou à la course une personne valide ou une personne amputée muie d'un pied prothétique ou un robot marcheur.
Ledit dispositif de l'invention concerne aussi directement un pied artificiel, comme un pied prothétique ou celui d'un robot avec jambes et pieds artificiels.
Ainsi que le montrent les Figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 19, chacune des chaussures de l'invention est constituée d'au moins un sous-ensemble (A) et un sous-ensemble (B).
Ledit sous-ensemble (A) est pourvu d'une partie inférieure capable d'assurer l'appui de la jambe sur le sol.
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Ledit sous-ensemble (B) comporte une partie supérieure fixant le pied qui est pourvue d'une pointe en forme de lame (C) faite d'un matériau élastique, très léger, très résistant en traction, compression et torsion.
Ledit sous-ensemble (B) est mobile par rapport audit sous-ensemble (A) grâce à un actionneur principal (Z) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple tel que ballon, baudruche ou soufflet.
Ledit actionneur principal (Z) est mis en action avec l'aide d'une source d'énergie portée par le marcheur ou le coureur.
Ainsi que le montrent les Figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 19, l'action dudit actionneur principal (Z) fait que ledit sous-ensemble (B) est capable d'un mouvement dirigé vers le sol.
Ce mouvement va rendre possible le contact de ladite lame(C) avec le sol.
En effet, alors que s'effectue la bascule talon-pointe du pied, alors que se termine la phase d'appui et alors que va s'engager le mouvement de la jambe de l'arrière vers l'avant, ladite lame (C), profitant de l'énergie cinétique dudit sous-ensemble (B) dont elle est partie intégrante est capable, à la fin du mouvement dudit sous-ensemble (B), et en relais du sous- ensemble (A), d'assurer l'appui de jambe sur le sol en résistant à la compression de manière plus ou moins élastique en fonction des propriétés mécaniques des matériaux utilisés.
Ainsi que le montrent les Figures 9 et 10, ledit actionneur principal (Z) peut être en deux parties, une partie assurant l'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B) et conduisant à la compression au sol deladite lame (C), une autre partie renforçant l'appui au sol dudit sous- ensemble (A).
Ainsi que le montrent les Figures 3, 4, 5, dans d'autres versions de l'invention, la compression au sol de ladite lame (C) peut être aidée à la fois par le mouvement de rapprochement du sol dudit sous-ensemble (B) et par un actionneur annexe (W) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple telle que soufflet, ballon ou baudruche.
Sur la Figure 3, il est montré que, dans une version de l'invention, ledit, actionneur annexe (W) est capable d'aider à comprimer au sol ladite lame (C).
Sur les Figures 4 et 5, il est aussi montré que dans une autre version de l'invention, ledit actionneur annexe (W) est capable d'aider à comprimer au sol ladite lame (C).
Ainsi que le montre le Figure 19, dans une version de l'invention, ladite lame (C) est mobile autour d'un axe horizontal et est capable de rotation pendant son appui au sol avec l'aide d'un actionneur annexe (V).
Ainsi que le montrent les Figures 1, 4, 5, 6, 9, 10,19, dans certaines versions de l'invention, ledit sous-ensemble (B) peut être mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal.
Sur les Figures 1,6 et 19, il est montré que dans une version de l'invention, ledit sous- ensemble (B) est mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal, alors que ledit
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sous-ensemble (A) assure deux appuis au sol et que la totalité dudit sous-ensemble (A) est située sous ledit sous-ensemble (B).
Sur les Figures 4 et 5, il est montré que dans une version de l'invention, ledit sous-ensemble (B) est mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal, alors que ledit sous-ensemble (A) assure un seul appui au sol, et qu'une partie seulement dudit sous-ensemble (A) est située sous ledit sous-ensemble (B).
Sur les Figure 9 et 10, il est montré que dans une version de l'invention, ledit sous-ensemble (B) est mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal, alors que ledit sous-ensemble (A) assure un seul appui au sol et que la totalité dudit sous-ensemble (A) est située sous ledit sous-ensemble (B).
Ainsi que le montre la Figure 6, dans une autre version de l'invention, ledit sous-ensemble (A) est pourvu à l'avant d'une lame (P) capable d'appui avec le sol et d'un contact avec ladite lame (C), ladite lame (P) pouvant être comprimée sous l'effet dudit contact avec ladite lame (C).
Ainsi que le montrent les Figures 2, 7, 8, dans d'autres versions de l'invention, ledit sousensemble (B) peut se rapprocher du sol sous l'effet dudit actionneur principal (Z) en suivant des guides curvilignes et incurvés vers le sol dont est pourvu ledit sous-ensemble (A).
La Figure 2 montre une version de chaussure autopropulsive de l'invention dans deux positions de travail différentes, où l'on voit ledit sous-ensemble (B) se rapprocher du sol selon un mouvement curviligne, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C).
La Figure 7 et la Figure 8 représentent une chaussure autopropulsive variante de celle de la Figure 2 dans deux positions de travail différentes, où l'on voit ledit sous-ensemble (B) se rapprocher du sol selon un mouvement curviligne, ce qui tend à comprimer au sol ladite lame (C), et où l'on voit aussi ledit actionneur annexe (N) en action tendant à imprimer un mouvement de rotation à ladite lame d'appui avant (P), alors que cette dernière est en contact avec le sol.
Dans une autre version de l'invention, ainsi que le montre la Figure 3, ledit sous-ensemble (B) peut être mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de torsion rotative autour d'un axe horizontal, ledit mouvement de torsion-rotation dudit sous-ensemble (B) étant capable de comprimer au sol ladite lame (C).
Ainsi que le montre la Figure 6, dans une autre version de l'invention, ledit sous-ensemble (A) peut être pourvu à l'avant d'une lame (L) capable d'appui avec le sol et d'un contact avec ladite lame (C), ladite lame (L) pouvant être comprimée sous l'effet dudit contact avec ladite lame (C).
Dans une autre version de l'invention, ledit sous-ensemble (A) peut être pourvu à l'avant d'une lame (P) capable d'appui avec le sol, la compression de ladite lame (P) pouvant être aidée à la fois par le mouvement dudit sous-ensemble (B) qui rapproche du sol ladite lame
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(C), et par un actionneur annexe (N) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple telle que soufflet, ballon ou baudruche.
Ainsi que le montrent les Figures 7 et 8, dans d'autres versions de l'invention, ladite lame (P) peut être mobile autour d'un axe horizontal et peut être capable de rotation pendant son appui au sol avec l'aide dudit actionneur annexe (N).
Dans une autre version, ladite lame (C) peut éventuellement être pourvue à son extrémité de roues motrices ou de chenilles pouvant être actionnée grâce à la source d'énergie embarquée.
Lesdites roues motrices ou chenilles, mises en action un peu avant leur contact avec le sol, n'aident à la propulsion que dès lors qu'elles touchent le sol.
Dans une autre version, représentée sur la Figure 12, ladite lame (P) peut être pourvue à son extrémité de roues motrices (344) ou de chenilles pouvant être actionnées grâce à la source d'énergie embarquée, de préférence selon un actionnement de type électrostrictif ou magnétostrictif. Lesdites roues motrices, mises en action un peu avant leur contact avec le sol, n'aident à la propulsion que dès lors qu'elles touchent le sol.
Ainsi que le montre la Figure (11), ladite lame (C) peut être pourvue de patins de type pneumatique avec armature en caoutchouc possédant des reliefs anti-dérapants recevant l'usure du contact avec le sol et/ou une chambre à air (807) amortissant les chocs.
Ledit dispositif de l'invention peut être est pourvu d'amortisseurs à base de ressorts, de lames ou de vérins hydrauliques ou hydro-pneumatiques.
STABILITE LATERALE: Lorsque ledit dispositif de l'invention concerne aussi directement un pied artificiel, comme un pied prothétique ou celui d'un robot avec jambes et pieds artificiels, il est alors doté de système d'articulations pieds cheville multiaxes pour assurer une meiljeure éversioninversion et donc une meilleure stabilité. Par exemple, il peut être doté d'un système intitulé "D.A.S. Multi-Axial Rotation System " connu dans les pieds prothétiques à accumulation d'énergie permettant d'adapter l'articulation cheville-pied à n'importe quel moment du cycle de marche, et d'assurer l'inversion-éversion appropriée, ou d'un système de transfert de poids pour assurer une meilleure stabilité comme celui qui équipe le pied prothétique "College Park Trustep Foot".
Dans une version de l'invention, des articulations multi-axes et des amortisseurs à base de ressorts, de lames ou de vérins hydrauliques ou hydro-pneumatiques adoucissent et rectifient les contraintes entre un élément de cheville et un élément de pied et assurent une meilleure adaptation à l'éversion-inversion.
Dans une autre version de l'invention, une lame d'appui au sol est bidentée ou tridentée ou quadridentée pour assurer une meilleure stabilité latérale, particulièrement sur un terrain irrégulier. Dans ce cas, les actionneurs peuvent être respectivement dédoublés, triplés,
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quadruplés, chaque actionneur menant à la compression d'une seule dent de ladite lame d'appui.
ETALONNAGE DES PALIERS DE PUISSANCE MOTRICE DUDIT ACTIONNEUR PRINCIPAL (Z): Pour étalonner les paliers de puissance motrice sélectionnables par le marcheur ou coureur, un certain nombre de données doivent être traitées par deux kits de perception embarqués, un pour chaque jambe, les deux kits de perception coopérant entre eux.
Le premier type de données à acquérir est l'accélération d'attaque-talon du pied juste avant la phase d'appui, pendant la phase d'appui, juste après la phase d'appui. Ces données peuvent être obtenues par deux accéléromètres, un pour chaque pied.
La deuxième type de données à acquérir est la force d'appui exercée par le pied en phase d'appui, elle-même résultant de la vitesse et du poids dudit marcheur ou coureur, voire même de son type de marche et de course. Cette donnée peut être obtenue par deux capteurs de force, un pour chaque pied.
Le traitement en temps réel de ces données par un microprocesseur permet d'étalonner les paliers de puissance motrice sélectionnables par le marcheur ou coureur, et de créer une base de données confrontant le poids du marcheur et du coureur, sa vitesse de course ou de marche, les caractéristiques d'élascticité des accessoires du dispositif de l'invention assurant l'appui au sol, et les plages de puissance motrices optimales dudit actionneur principal (Z) sélectionnables par le marcheur ou le coureur.
PERCEPTION, COMMANDE ET DECISION: OPTION AVEC PRIORITE DONNEE AUX SENS DE PROPRIOCEPTION DU COUREUR OU DU MARCHEUR: Dans une version de l'invention, le moment de mise action dudit actionneur principal (Z) peut obéir à un système embarqué avec capteurs de contact, dont un ou plusieurs sont des capteurs de contact ou de proximité avec le sol. Parmi ceux qui sont chargés de détecter le contact ou la proximité avec le sol, au moins un fait partie intégrante dudit sous-ensemble (A) et signale le début de la phase d'appui du pied par le talon. Le marcheur ou le coureur, pourvu d'une commande de puissance dusit actionneur principal (Z) peut marcher ou courir avec les chaussures autopropulsives de l'invention fonctionnant sur le palier de puissance motrice de son choix. Grâce à l'action en temps réel de son système nerveux central, le marcheur ou le coureur s'adapte alors au palier de puissance sur lequel fonctionne l'actionneur principal (Z), et donc à sa vitesse, et adapte ses gestes pour coordonner le moment d'appui au sol de ladite lame (C) et le moment d'impulsion de la pointe du pied, moment d'impulsion voulu par son système nerveux central et ses sens de proprioception.
L'adaptation du marcheur ou du coureur peut nécessiter une période d'apprentissage, comme c'est le cas pour des patins à roulettes ou des patins à glace.
La Figure 9 représente une décomposition de la phase de l'attaque-talon d'une chaussure autopropulsive de l'invention en trois positions de travail successives. Au haut de ladite Figure 9, l'actionneur principal (Z) est au repos alors que s'engage l'appui-talon, ce qui par
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un capteur de contact ou de proximité déclenche ledit actionneur principal (Z). Au milieu et au bas de ladite Figure 9, l'appui-talon se confirme, et ledit actionneur principal (Z) commence à réagir. La Figure 10 représente une décomposition de la phase de décollement du talon et d'impulsion de la pointe du pied en trois positions de travail successives dudit actionneur principal (Z) dans cette phase. Au haut de ladite Figure 10, la chaussure autopropulsive est en appui plat, en cours de bascule talon-pointe, alors que se confirme l'action dudit actionneur principal (Z) et que ladite lame (C) entame sa compression. Au milieu de ladite Figure 10, la bascule talon-pointe se termine, l'appui de la pointe du pied s'exerce pleinement, ladite lame (C) est en pleine compression, et ledit actionneur principal (Z) se relâche. Au bas de ladite Figure 10, l'élasticité de ladite lame (C) s'est exprimée et a donné une impulsion au pied vers l'avant et vers le haut.
OPTION OPTIMISEE: i) COOPERATION FORTE DES CAPACITES DE PERCEPTION ET DES SENS DE PROPRIOCEPTION DU COUREUR OU DU MARCHEUR AVEC DES CAPACITES DE PERCEPTION ET DE VISION CONNECTEES AUXDITES CHAUSSURES AUTOPROPULSIVES DE L'INVENTION: Pour que le système nerveux central, les sens de perception et les sens de proprioception du marcheur ou du coureur puissent coopérer avec un système de perception embarquée, un certain nombre de données doivent être traitées par deux kits de perception embarqués, un pour chaque jambe, les deux kits de perception coopérant entre eux.
Dans l'invention, le principe employé se résume en ce que, pour un pied en phase d'appui, le palier de puissance motrice fournie audit actionneur principal (Z) afférent à ce même pied est établi en fonction de données qui concernent l'autre jambe. Plus précisément la puissance motrice fournie audit actionneur principal (Z) pour un pied en phase d'appui est établie en fonction des données de cinétique observées en temps réel sur l'autre jambe qui est en train de revenir de l'arrière vers l'avant (celle qui est dans ce qui s'appelle la phase d'oscillation ou phase pendulaire).
Ces données concernent la vitesse, l'orientation et l'accélération du pied et de la cheville du membre inférieur en phase d'oscillation, soit 6 données par jambe, auxquelles peuvent se rajouter de manière facultative la vitesse, l'orientation et l'accélération du genou et du pelvis de ce même membre inférieur en phase d'oscillation, soit 6 données supplémentaires par jambe.
Ces données peuvent être obtenues par deux kits, un pour chaque jambe, de capteurs d'angles, de micro-accéléromètres et de micro-gyroscopes fournissant leurs informations en temps réel à un microprocessur embarqué.
La Figure 13 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-accéléromètres (76) et de micro-gyroscopes (87) et de microgyroscopes/micro-accéléromètres (77). Chaque kit de perception embarqué fournit au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de
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plusieurs points de l'autre jambe en phase d'oscillation. Sur ladite Figure 13, le pied sans appui avec le sol revient de l'arrière avec une certaine accélération.
La Figure 14 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 13.
Une partie des données concernant la vitesse, l'orientation et l'accélération du pied et de la cheville du membre inférieur en phase d'oscillation peuvent aussi être fournies par des systèmes d'interférométrie communiquant en temps réel à un micro-processeur embarqué les positions de nombreuses cibles coopérativese fixées de manière appropriées aux chaussures, chevilles genoux et pelvis.
Une partie de données concernant la vitesse, l'orientation et l'accélération du pied et de la cheville du membre inférieur en phase d'oscillation peuvent enfin être fournies par des capteurs d'angles et des systèmes de vision par micro-caméras CCD ou CMOS coopérant avec des diodes lasers électrolumiescentes fixées de manière appropriée aux chaussures, chevilles genoux et pelvis, lesquelles mico-caméras envoient leurs informations en temps réel à un micro-processeur embarqué.
La Figure 15 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-caméras CD ou CMOS (59) fixées sur les genoux et coopérant avec des des diodes électro-luminescentes (41) fixées sur l'autre jambe, et fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de ladite autre jambe en phase d'oscillation.
La Figure 16 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 15.
Une partie des données concernent la vitesse, l'orientation et l'accélération du pied et de la cheville du membre inférieur en phase d'oscillation peuvent également être fournies par des systèmes de vision par micro-caméras CCD ou CMOS pouvant éxécuter des détection de formes simples coopératives fixées de manière appropriée aux chaussures, chevilles genoux et pelvis, lesquelles mico-caméras envoient en temps réel leurs informations à un microprocesseur embarqué.
La Figure 17 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention pourvues chacune d'un kit de perception embarqué constitué de micro-caméras CD ou CMOS (59) fixées à l'arrière desdites chaussures de l'invention et pouvant effectuer des reconnaissances de forme et coopérant avec des des diodes électro-luminescentes (41) fixées sur l'autre jambe, et fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de ladite autre jambe en phase d'oscillation.
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La Figure 18 représente la photographie d'un pas effectué par une personne chaussée d'une paire de chaussures autopropulsives de l'invention avec le pied sans appui avec le sol qui revient de l'arrière avec une accélération supérieure à celle de la Figure 17.
Le traitement en temps réel de ces données par un microprocesseur permet de connaître: 1) la volonté de conserver une vitesse constante du coureur ou du marcheur, détectée par le fait que le système de perception dedites chaussures auto-propulsives de l'invention observe que le système nerveux central, les sens de perception et les sens proprioceptifs du marcheur ou coureur ont décidé de conserver sa vitesse à l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas précédent. Le système de commande desdites chaussures autopropulsives de l'invention applique audit actionneur principal (Z) du pied en phase d'appui un palier de puissance motrice identique à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent 2) la volonté du coureur ou du marcheur d'accélérer, détectée par le fait que le système de perception dedites chaussures auto-propulsives de l'invention observe que le système nerveux central, les sens de perception et les sens proprioceptifs du marcheur ou coureur ont décidé d'augmenter la vitesse de l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas précédent. Le système de commande desdites chaussures autopropulsives de l'invention applique applique audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice supérieur à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent. Le process vaut pour le départ de la marche et le deuxième appui au sol.
3) la volonté du coureur ou du marcheur de freiner, détectée par le fait que le système de perception dedites chaussures auto-propulsives de l'invention observe que le système nerveux central, les sens de perception et les sens proprioceptifs du marcheur ou coureur ont décidé de freiner l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas précédent. Le système de commande desdites chaussures autopropulsives de l'invention applique audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice inférieur à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent.
Dans cette option, la détection embarquée d'obstacles au sol n'est pas nécessaire, puisqu'elle est "à la charge" du système nerveux central, des sens de perception et des sens proprioceptifs du marcheur oiu coureur.
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ii) COOPERATION FORTE DES CAPACITES CENTRALES DE PERCEPTION ET DE VISION DU ROBOT MARCHEUR, DONT LES PIEDS SONT DOTES DESDITS PATINS AUTOPROPULSIFS DE L'INVENTION, AVEC DES CAPACITES DE PERCEPTION ET DE VISION ANNEXES AUTONOMES DESDITS PATINS AUTOPROPULSIFS .
Les patins de l'invention s'appliquent aussi à un robot marcheur dont les pieds sont dotés desdits patins de l'invention, et dont le système central de commande et de perception commande le mouvement des jambes, alors que le système de perception indépendant autonome annexe desdits patins de l'invention observe le mouvement des jambes et ajuste la mise en action dudit actionneur principal (Z) en fonction de ces observations.
Le traitement en temps réel des données cinétiques concernant la jambe en phase pendulaire du robot marcheur bipède par le microprocesseur faisant partie intégrante du système de commande autonome annexe desdits patins autopropulsifs de l'invention permet au système de perception indépendant autonome annexe desdits patins autopropulsifs de l'invention de connaître: 1) la "volonté" de conserver une vitesse constante dudit robot marcheur bipède, détectée par le fait que les sens de perception autonomes desdits patins autopropulsifs de l'invention observent que le système de commande central dudit robot marcheur a décidé de conserver la vitesse de l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception autonomes annexes connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas précédent. Le système de commande attaché auxdits patins autopropulsifs de l'invention applique donc audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice identique à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent.
2) la volonté dudit robot marcheur bipède d'accélerer, détectée par le fait que les sens de perception autonomes desdits patins autopropulsifs de l'invention observent que le système de commande central dudit robot marcheur a décidé d'augmenter la vitesse de l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception autonomes annexes connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse-au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas précédent. Le système de commande attaché auxdits patins autopropulsifs de l'invention applique donc audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice supérieur à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent. Le process vaut pour le départ de la marche et le deuxième appui au sol.
3) la volonté dudit robot marcheur bipède de freiner, détectée par le fait que les sens de perception desdits patins autopropulsifs de l'invention observent que le système de commande central dudit robot marcheur a décidé de freiner la vitesse de l'autre jambe en phase d'oscillation. Cette observation vient de la comparaison en temps réel, faite par les capacités de perception autonomes annexes connectées auxdits patins autopropulsifs de l'invention, de la vitesse au temps t de la jambe en phase d'oscillation, comparée à la vitesse observée pour la jambe en phase d'oscillation au même moment du cycle au pas
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cycle au pas précédent. Le système de commande attaché auxdits patins autopropulsifs de l'invention applique donc audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice inférieur à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent.
COOPERATION INCLUANT LA DETECTION D'OBSTACLES OU D'ANFRACTUOSITES AU SOL: Pour une utilisation de nuit, ou par une personne mal voyante, la détection d'obstacles au sol peut faire grâce au couplage des informations reçues d'une micro-caméra vidéo et d'un micro-laser télémétrique embarqués. (Rapport LAAS Toulouse N 99549, "Commande référencée multi-capteurs pour la navigation d'un robot mobile". Thèse de doctorat de V. Cadenat, Université Paul Sabatier, Toulouse, 16 Décembre 1999, N 3565, 177 p ; Rapport LAAS N 99548 Nissoux C.,"Visibilité et Méthodes probabilistes pour la planification du mouvement en robotique", Doctorat, Université Paul Sabatier, Toulouse, 10 Décembre 1999, N 3570, 151 p. ) La détection d'un obstacle conduit à appliquer audit actionneur principal (Z) un palier de puissance motrice largement inférieur à celui qui a été appliqué au pas de marche ou de course précédent, ou à l'anihilation de la commande dudit actionneur principal (Z).
ENERGIE ET TYPE D'ACTIONNEURS: Dans une version de l'invention, la réserve d'énergie portée par le marcheur ou le coureur et permettant le travail correspondant aux mouvements des différentes pièces du dispositif de l'invention peut être une bouteille contenant un gaz comprimé ou liquéfié capable de se détendre dans des chambres desdits actionneurs (Z), (W), (V) et (N) telles que chambres extensibles souples comme des soufflets, ballons ou baudruches ou telles que des chambres rigides comme des cylindres, ou dans muscles artificiels pneumatiques contractiles du type Mc Kibben.
*Ledit actionneur (Z) peut être pourvu d'une chambre extensible souple (500) dans laquelle un gaz est capable de se détendre, l'échappement du gaz se faisant au moment où un col (125) aménagé à la surface de ladite chambre extensible souple se dégage d'un obturateur (425) lié au mouvement d'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B), ladite chambre extensible souple pouvant être connectée à un canal chargé concomitamment d'amener aussi le gaz qui se détend dans la chambre dudit actionneur annexe (W) ou dans celle dudit actionneur annexe (N) ou dans celle dudit actionneur annexe (V).
Les Figures 1, 3, 4, 5, 6 font apparaître sur différentes versions de l'invention ladite chambre extensible souple (500), ledit col (125) aménagé à la surface de ladite chambre extensible souple (500), et ledit obturateur (425) lié au mouvement d'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B) Ainsi que le montrent les Figures 2,7 et 8, ledit actionneur (Z) peut être pourvu d'un cylindre (100) aménagé dans ledit sous-ensemble (A) et dans lequel un gaz amené par un conduit (528) est capable de se détendre. Ledit cylindre (200) peut recevoir un piston (100) faisant corps avec ledit sousensemble ( B). Le retour après la fin de course dudit piston (100) peut se faire sous l'effet d'un système bielle-manivelle (240). Ledit piston (100) peut être percé en son centre d'un canal
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longitudinal chargé concomitamment d'amener aussi le gaz qui se détend dans ladite chambre dudit actionneur annexe (W) ou dans celle dudit actionneur annexe (N).
Ainsi que le montre la Figure 19, le travail correspondant au mouvement desdits différents sousensembles peut être assuré par des muscles artificiels pneumatiques contractiles (602) utilisant la détente et la compression d'un gaz, tel qu'un mucle Mac Kibben, où des muscles artificiels pneumatiques de la société japonaise Festo ou des muscles artificiels de la société britannique Shadow Robot Company.
Le travail correspondant au mouvement des différentes pièces du dispositif de l'invention peut aussi être effectué par des groupes moteurs utilisant l'électricité, tels que muscles artificiels contractiles à base de polymère électro-actifs utilisant l'électricité ou moteurs électriques ou hydro-électriques.
Dans ce cas, la réserve d'énergie portée par le marcheur ou le coureur peut être une batterie ou un supercondensateur ou un carburant qu'utilise une pile à combustible embarquée ou de la matière organique que métabolisent des micro-organismes tels qu'algues ou bactéries produisant un courant électrique.
Claims (23)
- REVENDICATIONS 1) Paire de chaussures ou de patins auto-propulsifs à énergie embarquée aidant les pieds à la marche ou à la course, lesdits pieds pouvant être ceux d'une personne valide, ou des pieds artificiels d'une personne amputée munie de prothèses, ou ceux d'un robot avec jambes et pieds artificiels, caractérisés en ce que chacun(e) desdites chaussures ou patins est constitué (e) moins un sous-ensemble (A) avec une partie inférieure capable d'assurer l'appui de la jambe sur le sol, et d'un sous-ensemble (B) avec une partie supérieure fixant le pied et pourvue d'une pointe en forme de lame (C) faite d'un matériau très léger et très résistant en traction, compression et torsion, ledit sous-ensemble (B) étant mobile par rapport audit sous-ensemble (A) grâce à un actionneur principal (Z) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple tel que ballon, baudruche ou soufflet, ledit sous-ensemble (B) étant dès lors capable d'un mouvement dirigé vers le sol, ledit actionneur principal (Z) étant mis en action avec l'aide d'une source d'énergie portée par le marcheur ou le coureur, ladite lame (C) profitant de l'énergie cinétique dudit sous-ensemble (B) et étant capable, à la fin du mouvement dudit sous-ensemble (B), et en relais du sous-ensemble (A), d'assurer l'appui de jambe sur le sol en résistant à la compression de manière plus ou moins élastique en fonction des propriétés mécaniques des matériaux utilisés, alors que se terminent la phase d'appui et la bascule talon-pointe du pied, et alors que s'engage le mouvement d'impulsion de la pointe du pied qui va conduire à ramener la jambe de l'arrière vers l'avant.
- 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la compression au sol de ladite lame (C) est aidée à la fois par le mouvement de rapprochement du sol dudit sous-ensemble (B) et par un actionneur annexe (W) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple telle que soufflet, ballon ou baudruche.
- 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite lame (C) est mobile autour d'un axe horizontal et est capable de rotation pendant son appui au sol avec l'aide d'un actionneur annexe (V).
- 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous-ensemble (B) est mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal (Z) selon un mouvement de rotation autour d'un axe horizontal .
- 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous-ensemble (B) se rapproche du sol sous l'effet dudit actionneur principal (Z) en suivant des guides curvilignes et incurvés vers le sol dont est pourvu ledit sous-ensemble (A).
- 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous-ensemble (B) est mobile autour dudit sous-ensemble (A) sous l'effet dudit actionneur principal<Desc/Clms Page number 31>(Z) selon un mouvement de torsion autour d'un axe horizontal, ledit mouvement de torsion dudit sous-ensemble (B) étant capable de comprimer au sol ladite lame (C).
- 7) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, et 5, caractérisé en ce que ledit sous- ensemble (A) est pourvu à l'avant d'une lame (P) capable d'appui avec le sol et d'un contact avec ladite lame (C), ladite lame (P) pouvant être comprimée sous l'effet dudit contact avec ladite lame (C).
- 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la compression de ladite lame (P) est aidée à la fois par le mouvement de rapprochement du sol dudit sous-ensemble (B) et par un actionneur annexe (N) tel que piston ou muscle artificiel ou chambre extensible souple telle que soufflet, ballon ou baudruche.
- 9) Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que ladite lame (P) est mobile autour d'un axe horizontal et est capable de rotation pendant son appui au sol avec l'aide dudit actionneur annexe (N).
- 10) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite lame (C) est pourvue à son extrémité d'une roue motrice pouvant être actionnée grâce à la source d'énergie embarquée.
- 11) Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que ladite lame (P) est pourvue à son extrémité d'une roue motrice (344) pouvant être actionnée grâce à la source d'énergie embarquée.
- 12) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8 et 9, caractérisée en ce que les lames d'appui au sol dont est pourvu le dispositif de l'invention sont bidentées ou tridentées ou quadridentées, les actionneurs chargés de les comprimer pouvant être respectivement dédoublés, triplés, quadruplés, chaque actionneur menant à la compression d'une seule dent d'une desdites lames d'appui.
- 13) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé èn ce qu'un système embarqué doté de capteurs de contact, dont un ou plusieurs sont des capteurs de contact avec le sol, met en action ledit actionneur (Z), le système nerveux central et les sens de proprioception du marcheur ou du coureur s'adaptant au palier de puissance dudit actionneur principal (Z) sélectionné par une commande tenue par ledit marcheur ou coureur
- 14) Dispositif selon les revendications 1 et 13, caractérisé en ce que, pour un pied en phase d'appui, le palier de puissance motrice fournie audit actionneur principal (Z) afférent à ce même pied est établi en fonction des données de cinétique observées en temps réel sur l'autre jambe qui est phase d'oscillation, deux kits de perception autonomes étant embarqués, un pour chaque jambe, les deux kits de perception coopérant entre eux, les données de cinétique observées en temps<Desc/Clms Page number 32>réel sur ladite autre jambe en phase d'oscillation étant comparées à celles du pas précédent, l'observation d'un ralentissement, d'une vitesse inchangée, ou d'une accélération étant interprétée par ledit système embarqué de perception connecté auxdit (e)s chaussures ou patins autopropulsifs de l'invention comme respectivement un ordre de baisser, laisser inchangé, ou augmenter la puissance motrice à fournir audit actionneur (Z) dudit pied en appui.
- 15) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque kit de perception embarqué est constitué de capteurs d'angles, de micro-accéléromètres (76) et de micro-gyroscopes (87), voire de micro-gyroscopes/micro- accéléromètres (77), fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de l'autre jambe en phase d'oscillation.
- 16) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque kit de perception embarquée est constitué de capteurs d'angles, de micro-caméras CD ou CMOS (59) et de micro-interféromètres pouvant coopérer avec des cibles ou des diodes électro-luminescentes (41) fixées sur l'autre jambe ou pouvant effectuer des reconnaissances de forme, et fournissant au microprocesseur du pied en appui les informations en temps réel sur la cinétique de plusieurs points de ladite autre jambe en phase d'oscillation .
- 17) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 et 11, caractérisé en ce que la réserve d'énergie portée par le marcheur ou le coureur et permettant le travail correspondant aux mouvements des différentes pièces du dispositif de l'invention est une bouteille contenant un gaz comprimé ou liquéfié capable de se détendre dans des muscles artificiels pneumatiques ou dans des chambres desdits actionneurs (Z), (W), (V) et (N) telles que chambres extensibles souples comme des soufflets, ballons ou baudruches ou telles que des chambres rigides comme des cylindres.
- 18) Dispositif selon les revendications 1,2, 3,4, 5, 6, 8,9, 12 et 17, caractérisé en ce que l'actionneur (Z) est pourvu d'une chambre extensible souple dans laquelle un gaz est capable de se détendre, l'échappement du gaz se faisant au moment où un col aménagé à la surface de ladite chambre extensible souple se dégage d'un obturateur lié au mouvement d'éloignement desdits sous-ensembles (A) et (B), ladite chambre extensible souple pouvant être connectée à un canal chargé concomitamment d'amener aussi le gaz qui se détend dans la chambre dudit actionneur annexe (W) ou dans celle dudit actionneur annexe (N).
- 19) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 12, et, 17, caractérisé en ce que l'actionneur (Z) est pourvu d'un cylindre (200) aménagé dans ledit sous- ensemble (A) et dans lequel un gaz est capable de se détendre, ledit cylindre (200) pouvant recevoir un piston (100) faisant corps avec ledit sous-ensemble (B), le retour après la fin de course dudit piston (100) se faisant sous l'effet d'un système bielle-manivelle, ledit piston (100) pouvant être percé en son centre d'un<Desc/Clms Page number 33>canal longitudinal chargé concomitamment d'amener aussi le gaz qui se détend dans ladite chambre dudit actionneur annexe (W) ou dans celle dudit actionneur annexe (N).
- 20) Dispositif selon les revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 , 9, 12 et 17, caractérisé en ce que le travail correspondant au mouvement desdits différents sous-ensembles est assuré par des muscles artificiels contractiles (602) utilisant la détente et la compression d'un gaz.
- 21) Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, Ilet 12, caractérisé en ce que le travail correspondant au mouvement des différentes pièces du dispositif de l'invention est assuré par des groupes moteurs utilisant l'électricité, tels que muscles artificiels contractiles utilisant l'électricité ou moteurs électriques ou hydro-électriques, la réserve d'énergie portée par le marcheur ou le coureur pouvant être une batterie ou un supercondensateur ou un carburant qu'utilise une pile à combustible embarquée ou de la matière organique que métabolisent des micro-organismes tels qu'algues ou bactéries produisant un courant électrique.
- 22) Dispositif selon les revendications 1, 7 et 12, caractérisé en ce que les lames d'appui au sol sont pourvues de patins de type pneumatique avec armature en caoutchouc possédant des reliefs anti-dérapants recevant l'usure du contact avec le sol et/ou de chambres à air (807) amortissant les chocs.
- 23) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que des articulations multi- axes et des amortisseurs à base de ressorts, de lames ou de vérins hydrauliques ou hydro-pneumatiques adoucissent et rectifient les contraintes entre un élément de cheville et un élément de pied.
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