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WO2016051081A1 - Exosquelette avec porte outil centre et procédé d'utilisation d'un tel exosquelette - Google Patents

Exosquelette avec porte outil centre et procédé d'utilisation d'un tel exosquelette Download PDF

Info

Publication number
WO2016051081A1
WO2016051081A1 PCT/FR2015/052606 FR2015052606W WO2016051081A1 WO 2016051081 A1 WO2016051081 A1 WO 2016051081A1 FR 2015052606 W FR2015052606 W FR 2015052606W WO 2016051081 A1 WO2016051081 A1 WO 2016051081A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exoskeleton
articulated
user
tool
arm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2015/052606
Other languages
English (en)
Inventor
Serge Grygorowicz
Aurélie RIGLET
Antoine Perrin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS
Original Assignee
ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS filed Critical ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS
Publication of WO2016051081A1 publication Critical patent/WO2016051081A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure

Definitions

  • the present invention relates to an exoskeleton of lower limbs with a tool holder, comprising two articulated legs arranged to be coupled to the lower limbs of a user, a connecting member between the upper ends of the legs to which it is articulated, adapted to be positioned at the of the user 's pelvis and means for actuating the articulated legs according to the movements of the user.
  • exoskeletons for the use of known tools are generally provided for the upper limbs.
  • the exoskeletons of the prior art are provided essentially for generating vertical forces against gravity.
  • the invention among others has an idea opposite to the teaching of the prior art and the practice of exoskeletons, including (but not exclusively) by accepting a centering on the front of the tool taken only or essentially centrally at the hips or the size of the user especially and for example in the lower part of the lower exoskeleton.
  • this architecture makes it easier to generate horizontal forces, that is to say the components of which project essentially in a horizontal plane.
  • the present invention aims at providing an exoskeleton and a method of using such an exoskeleton that better responds than those previously known to the requirements of the practice, in particular in that it will allow manipulation and / or use. of the tool centrally relative to the exoskeleton, in the sagittal plane of the man, and in his field of vision, leaving the arms of the latter free of their movements.
  • Sagittal plane means the vertical plane of symmetry of the skeleton of the user.
  • the architecture of the exoskeleton is simplified by proposing a single tool holder while the tool will be able to be handled with both hands.
  • the workspace is close to that of the unattended man using a two-handed tool.
  • the tool can be used transparently by a right-handed or left-handed person, while Previous solutions required fixing the tool to the right or left. Likewise, no adjustment is necessary between the operators according to their size.
  • the tool holder is completely in the field of view of the operator who can thus limit the interference.
  • the tool holder does not add additional lateral extra thicknesses to the exoskeleton.
  • the tool holder does not hinder movements related to the force work, such as cleaning the tool.
  • the implementation of the tool does not hinder the initial mobilities of the exoskeleton, for example the seizure of an object on the ground (squatting position of the exoskeleton).
  • the invention allows a better apprehension of the space by the 'user.
  • the invention also allows greater safety, the tool is not likely to be dropped or fall on the user in case of movement with 1 exoskeleton.
  • the invention proposes in particular a lower limb exoskeleton comprising two articulated legs arranged to be coupled to the lower limbs of a user, a connecting member between the upper ends of the legs to which it is articulated, adapted to be positioned at the level of the pelvis of the user and entirely located at the front of said legs articulated in the direction of travel and an articulated arm tool holder, fixed to the connecting member,
  • articulated legs are arranged to be fixed and / or located entirely on the front of the user's legs
  • the exoskeleton comprises means for detecting the supports of the exoskeleton on the ground, the articulated arm comprising force-amplifying means for handling the tool and means for blocking the operation of the articulated arm as a function of the support on the the soil of exoskeleton members and pre-established instructions;
  • the connecting member comprises a bearing abutment and / or fixing a tool carried by the tool holder.
  • the power of the legs of the exoskeleton can then be used to increase the efficiency of the tool used;
  • the connecting member comprises a transverse bar on which is fixed the articulated arm and the articulated arm comprising a first articulation in horizontal rotation for scanning a working area in front of the exoskeleton;
  • the articulated arm comprises a first rod for fixing the first articulation below the transverse bar;
  • the articulated arm comprises a series of three pivots connected respectively to one another by second and third connecting rods and arranged to allow flexion / extension of the arm in a vertical plane and its inclination with respect to a horizontal plane;
  • the articulated arm further comprises a longitudinal pivot of lateral orientation of the tool relative to the rest of the articulated arm;
  • the arm comprises a first longitudinal handle for fixing and / or handling of the tool by a first hand of the user, provided with a force sensor;
  • the arm is equipped with a second handle fixed lower on the arm, handling thereof with a second hand of the user, to facilitate a horizontal rotational movement;
  • the connecting member is equipped with means of illumination towards the front of the exoskeleton and / or with a protective canopy of the user.
  • the invention also provides a method of using a lower limb exoskeleton with a tool carrier provided with a tool, said exoskeleton comprising a connecting member of two articulated legs adapted to be positioned at the pelvis of the user, characterized in that, the member being entirely located at the front of the legs articulated in the direction of travel and comprising an articulated arm carrying tool, fixed to the connecting member centrally with respect to the member, said arm being provided with force amplifying means and comprising a first longitudinal handle of the tool by a first hand of the user, said handle being provided with a force sensor,
  • Figure 1 is a front side perspective view of an exoskeleton according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows a side view of the exoskeleton of Figure 1.
  • Figure 3 is a top view of the exoskeleton of Figure 1.
  • FIGS. 4A to 4D illustrate four stages of use of an exoskeleton according to an embodiment of the invention, with the link bar respectively lowered, before threading, and then in use by the user.
  • FIG. 5 is an example of a logic diagram for developing laws for controlling the operation of an exoskeleton according to the invention.
  • Figures 1, 2 and 3 respectively show in perspective, in side view and in plan view an exoskeleton 1 of lower limbs comprising two articulated legs 2 and 3 arranged to be coupled to the lower limbs of a user (not shown), a connecting member 4 between the upper ends 5 and 6 of the legs to which it is articulated in known manner in itself.
  • the connecting member 4 is arranged to be positioned at the level of the user's pelvis and comprises means for actuating the legs articulated according to movements of the user here again also known in themselves.
  • the connecting member 4 is entirely located at the front (arrow 7) of the user (not shown) in the direction of travel.
  • It comprises an articulated arm 8 tool holder 9 fixed to the connecting member 4 centrally relative to the member 4, in the plane or substantially in the sagittal plane 10 of the user.
  • the exoskeleton 1 comprises means 11 for detecting the support of the exoskeleton on the ground, for example formed by piezoelectric sensors.
  • the sensors are connected via a wireless connection and / or wired passing inside the legs to a control device 12 comprising in known manner a microprocessor, storage means, calculation means arranged to react to the indications obtained by the sensors 11 for example located under the soles of the slippers 13 used by the user and located at the end of the articulated legs 2 and 3.
  • the exoskeleton 1 comprises force-amplifying means 14 constituted by electric cylinders (not shown in detail) for handling the tool 9 and locking means, for example consisting of electrically-controlled pawls 15 located at the various joints which will be described. hereinafter, blocking the operation of the articulated arm 8 according to information from the support on the ground members of the exoskeleton and instructions previously established and recorded in the calculator 12.
  • force-amplifying means 14 constituted by electric cylinders (not shown in detail) for handling the tool 9 and locking means, for example consisting of electrically-controlled pawls 15 located at the various joints which will be described. hereinafter, blocking the operation of the articulated arm 8 according to information from the support on the ground members of the exoskeleton and instructions previously established and recorded in the calculator 12.
  • the computer 12 blocks and closes the pawls 15 so that the arm is immobilized.
  • the tool 9 is constituted by a rake 16 provided with a rod 17 and having at one end a sweeping brush 18 for example to spread a layer of fresh tar and on the other side of a end 19 arranged to be able to rest on a fulcrum 20 secured to the connecting member 4, so that the thrust of the legs of the exoskeleton can be used to increase the effectiveness of the rake.
  • the connecting member comprises a transverse bar 21 on which the articulated arm 8 is fixed, the latter comprising a first articulation 22 in horizontal rotation allowing a scanning of a working zone in front of the exoskeleton (arrow 23).
  • first rod 24 fixing the first articulation 22 on the transverse bar 21, vertical allowing the attachment of said first hinge 22 below the transverse bar 21.
  • the arm Attached to this first articulation in horizontal rotation 22, the arm then comprises a sequence of three pivots 25, 26 and 27 connected respectively to each other by second rods 28 and third rod 29 connecting pivots.
  • the joints between pivots are thus arranged to allow flexion / extension of the arm in a vertical plane and its inclination relative to a horizontal plane in a manner known for this type of articulation.
  • the arm comprises a first longitudinal handle 31 for fixing the tool, for example, which can thus be grasped upstream by a hand of the user (not shown).
  • This first longitudinal handle 31 comprises a force sensor 32 known in itself for example of the pressure sensitive electric piezo sensor type.
  • the arm is further equipped with a second handle 33 fixed lower on the arm 34, handling thereof by a second user's hand to facilitate a horizontal rotational movement.
  • the connecting member 4 comprises illumination means 35 of the exoskeleton and / or a canopy 38 for protecting the user (see mixed line in FIG. 2).
  • the legs 2, 3 are formed in known manner by horizontal transverse axes parallel or substantially parallel to the connecting member which allow the flexion / extension of the corresponding leg and also by horizontal axes and perpendicular to the transverse axes to allow the Passive adduction of the hips.
  • the member 4 comprises a branch 39 substantially U-shaped whose parts or end bars 40 are connected to the hinge pins 41 and whose central bar 42 is located in front of the user's belly.
  • the bar 42 is horizontal and is provided with the horizontal bar 21 also horizontal cantilevered with respect to the lifting polygon of the body of the user which coincides substantially with that determined by the legs and articulated legs of the exoskeleton.
  • the bar 21 is arranged to carry the tool holder.
  • the exoskeleton also has articulations 43 at the knees of the user, for example formed similarly to the joints at the hips (horizontal axes) and means 44 for actuating the articulated legs according to the movements of the user. , schematized in phantom in the figure, which will be detailed below.
  • Each leg has a leg 45 and a tibia 46 identical in pairs.
  • the thigh 45 comprises an internal metal tube 47 (mixed lines in the figure) for example titanium, on which is fixed a first cover 48 for example plastic.
  • the first cover 48 elongate with a substantially trapezoidal longitudinal section in the shape of a human thigh, provides an interior space around the tubing 47, space in which will be housed at least in part the actuating means.
  • the knee joint is for example of the type formed by a horizontal axis 49.
  • the thigh and the tibia form an angle ⁇ greater than 140 ° for example 160 °.
  • the actuating means comprise the means for actuating the knees, for example housed inside the first corresponding cover 48, and are respectively each formed by a DC electric motor powered by a corresponding removable battery located on each side on the rear part of the connecting member 4 and / or the upper part of the thighs 45.
  • the motor is of a power adapted to generate a torque greater than 100 N.m. It is connected to an actuation piston known in itself, fixed on one side to the tubing 47 of the thigh and the other to a blade 50 (mixed line) forming the corresponding tibia.
  • the tibia is of slightly curved elongated shape (for example a radius of curvature of between 1 m and 2 m). It is formed by an internal blade, rigid enough to take up the load but also flexible enough to play the role of a damping spring, attached at its proximal end to the lower part of the tubing 47 by the hinge formed by an axis and at its distal end to the foot described below.
  • the tibia comprises a blade cover, for example in the form of an open sheath of U-shaped cross-section. and side profile adapted to the respect of the aesthetics.
  • the upper part of the tibia cover cooperates with the inner face of the first cover during rotation of the knee.
  • the tubes 47 of the thigh and the blades 50 of the shins are for example made of titanium or any suitable material and sized to withstand moments greater than 400 Newton meter, for example 1,000 N.m.
  • the lower end of the curved blade 50 is articulatedly connected 51 to a boot 52 fit to be threaded.
  • the hinge 51 is of the bi-axis type for flexion / extension and abduction / adduction, in a manner known per se.
  • the shoe 52 comprises for example a spatula support of the assembly and a foot retention strap of the user forming a stirrup with the spatula.
  • Each leg of the exoskeleton further comprises a hinge at the upper end of each thigh, hingedly attached to the connecting member 4, of the type described with reference to FIG.
  • This articulation allows in particular a rotation angle ⁇ substantially between 20 ° and 80 °, between the thigh and the connecting member 4, the latter also remaining horizontal.
  • Each leg further comprises an actuating motor of the type of the actuating motors of the knee, for actuating the joints at the hip, respectively placed at the end and fixed on the lateral bars of the U of the organ 7 of the liaison.
  • the actuating motors are powered leg by leg, for example by electric batteries respectively fixed to the rear of the upper end of the corresponding thigh relative to the direction of travel.
  • the transverse branch of the connecting member 4 is again globally U-shaped.
  • It comprises two parallel bars 39 forming the branches of the U, parallelepipedal shape partially hollow to contain the actuating motors of the hip joints connected from one side to the upper thighs by the corresponding joints, and the other side to the central crossbar formed of a rigid horizontal beam.
  • the horizontal beam is arranged to support the tool holder.
  • the entire organ forms a user E space.
  • the detection sensors are, for example, piezometric sensors connected to the calculation means 12 housed in the member 4 and send information relating to the forces on the tool carrier and / or the exoskeleton.
  • the calculation means then generate a command based on the information received from the sensors and simultaneously transmit it almost simultaneously to the actuating means to compensate the load and / or provide the required effort.
  • the actuating means generate from this information a pair opposite the weight of the load or force on the ground by the scraping tool for example.
  • the actuating means comprise passive elements, arranged to generate a torque between the pelvis and the support leg or legs, opposite the torque generated by said determined weight of the load.
  • the exoskeleton 1 comprises a tool holder 8 and a tool (rake 16).
  • the connecting member 4 comprises means 60 for controlling actuating means.
  • buttons are for example positioned in the rear part of the connecting member 4 or on its outer lateral faces.
  • the user 61 being behind the exoskeleton 1, he grasps it and actuates the control means.
  • the actuation means then instruct the motors of the knee and the abdomen to rotate so as to increase the angles between, on the one hand, the connecting member and the thigh, and on the other hand , the thigh and the connecting organ.
  • the user 61 can then and without difficulty, place his feet 62 in the stirrups 63 of the slippers, by simply threading and close the belt strap, shoulder straps 64 or the back support for donning 1 exoskeleton 1 from the back of the articulated legs 65.
  • the user 61 exerts a movement by a normal step and activates the tool holder.
  • the exoskeleton 1 comprises means 66 for detecting movement of the user and / or 67 of the support on the feet and in particular angle detection means.
  • These detection means comprise, in a manner known per se, and for example one or more gyroscopes for determining the value of the angle at a given instant, coupled to one or three-direction accelerometers to determine the speed and the angular acceleration.
  • the detecting means also comprise a magnetometer thus making it possible to deduce from the measurements of the Earth's magnetic field the direction of the gravitational field.
  • the corner detectors are adapted to continuously acquire the angles between the thighs and shins of the legs of the user as well as between the thighs and the hip, this detection being performed at a determined frequency.
  • the detection means 66 also comprise a pressure sensor, known per se, for acquiring the belly pressure exerted on the transverse bar and / or on the flexible blade.
  • a concomitant reduction on each leg of the angles between the thigh and the shin of the user is analyzed by the calculation means as being a descent command of the crossbar and a reduction of one of the angles abdomen / thigh or thigh / tibia on one of the legs and the detection of a belly pressure greater than a determined threshold is analyzed by the calculation means as being a running command.
  • This information transmitted to the calculation means allow the regulation of the engines.
  • the user can stop and / or advance, and being accompanied by the exoskeleton, he can activate the tool.
  • the tool is mounted on the connecting member 4, via the tool holder in the middle of the body.
  • the arm 67 is here connected to the exoskeleton 1 by a motorized ball joint 68, below the bar 11.
  • the arm 67 is itself hinged, passively or not.
  • the horizontality of the connecting member 4 during operation allows a stable reference and a reduction of the cantilever.
  • the horizontal maintenance of the connecting member 4 allows a fixed reference position for tools or articulated arms 67 attached thereto. This thus makes it possible to remain in a given position at equilibrium (for example empty) due to the stiffness of springs, the presence of counter torque, inertia and / or bonding friction.
  • fixity and horizontality of the member 4 relative to the direction of the gravitational field therefore allow a good balance, with compensation of the mass of the tool, and this for all of its operating conditions .
  • the exoskeleton 1 comprises the control means 60 (calculation, actuation), fixed on the transverse bar 39 of the connecting member 4.
  • the means 60 hereinafter also called calculator, determine a control law from, in particular, the position of the different parts of the exoskeleton 1, the actions of the user 61, the cantilever and possible disturbances.
  • This control law determines the distance e between the leg 65 whose upper end is located to the right of mounting the arm 67 and the other leg 65, the advance of a shoe 63 relative to the other.
  • the calculation means 60 integrate the distance e, the model of the exoskeleton 1 and the direction of the gravitational field and determine whether the distance e is sufficient to ensure the balance of the exoskeleton 1 calculated as a function of the torque generated by the cantilever.
  • the distance e must be sufficient so that the force and / or displacement of the arm 67 do not generate a torque greater than that of the balance that the exoskeleton can withstand for the distance considered.
  • the calculation means 60 If the distance e is sufficient, the calculation means 60 generate an authorization instruction and the tool can be used.
  • control means 60 of the arm 67 are not limited for the position of the arm 67 considered.
  • the computer 60 includes a non-volatile memory (not shown). This memory includes structural parameter values of the exoskeleton 1.
  • the parameters taken into account are the dimensional parameters (length, mass, position of the centers of gravity, relative angles, etc.) of the different elements of the exoskeleton and in particular of thigh dimensions (m 6 , l; m 9 , 1 9 ).
  • shins (m 8 , ls; m, lu)
  • branches of the connecting member (mi, li; m 2 , 1 2 , m 3 , 1 3 )
  • joints m 4 , m 5 , ⁇ 7, mio
  • spatulas m.1, 1 ⁇ 4 ;
  • the computer also includes a virtual repository with its associated coordinate system whose origin A is for example in the middle of the segment connecting the joints at the upper end of each leg tube.
  • the calculator also acquires as the parameter the angles between hip and thigh l, ⁇ , thigh and tibia 0 (2, ⁇ 2, tibia and slipper ⁇ 3, ⁇ 3, as well as the direction in the virtual repository of the gravitational field.
  • the computer reconstructs the location of the centers of gravity of the connecting member CDG1, of CDG2 thighs, CDG3 , shins CDG4, CDG5.
  • the computer thus obtains a continuous or almost continuous dynamic model of the geometry and the forces, moments and forces applied to the exoskeleton 1 (acceleration yi in particular) for example by barycentric calculation for a total mass M referred to the general center of gravity GMPCC.
  • the computer determines from these data and those of the weight of the loads and / or the tools or arms 67 and the geometry of their cantilever, on the one hand the controls of the motors of recovery efforts and displacement legs and secondly and in particular the threshold torque and thus the distance d of advance of one leg relative to the other.
  • the exoskeleton 1 operates a first acquisition (step 70) of the directional parameters of the gravitational field, i, ⁇ ; x A , y A , z A ; CDGi yi etc. and deduces a geometric and dynamic model of the exoskeleton with calculation (step 71) of the total mass M referred to the general center of gravity (CDG M ).
  • CDG M general center of gravity
  • actuating means 60 are then controlled (step 73) to exert the necessary counter-couples in advance of the leg 65 of the calculated distance d.
  • step 74 the computer makes a new acquisition (step 74) of the parameters with deduction then of a new geometric and dynamic model of The exoskeleton with updated re-calculation of the total mass M 'referred to the general center of gravity CDG M (step 75).
  • control law then integrates the correction elements for equilibrium and instructs the actuating means 60 accordingly (step 76).
  • steps 72 to 76 are repeated (line 78).
  • test 79 it is checked whether the position of the exoskeleton is admissible. If so, it then goes into amplification mode (step 80) when press the button.
  • the tool system follows the following ordering principle:
  • the articulated arm is in transparent mode or locked in position when the lower limbs are in moving mode, ie to move from one work area to another (cycle from steps 72 to 76).
  • the exoskeleton authorizes the transition to the force-amplification mode during the support (step 80) on the exoskeleton.
  • the button Amplification of effort For example, both feet support the ground in any person, or the slope of the ground is less than 10 °, or both feet at the same level (and not a foot on one step and the other on the ground).
  • the exoskeleton is then in amplification mode, the arm remains in locked or transparent position as long as the operator does not indicate of intention on the force sensor (test 81).
  • the direction of effort provided by the articulated arm is identical to that observed on the handgrip.
  • the intensity of the effort is amplified (step 82) by an amplification coefficient greater than 1, for example 5 or 10.
  • the instructions are calculated for example every minute.
  • the position of the exoskeleton is checked so that it remains in compliance with the safety instructions. This check is done for example every five minutes
  • the present invention is not limited to the embodiments more particularly described. On the contrary, it embraces all the variants and in particular those where the energies used are hydraulic and / or pneumatic rather than electric.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

Il s'agit d'un exosquelette (1) de membres inférieurs comprenant deux jambes articulées (2, 3) agencées pour être couplées aux membres inférieurs d'un utilisateur, un organe (4) de liaison entre les extrémités supérieures (5, 6) des jambes auxquelles il est articulé, propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et entièrement situé à l'avant (7) des jambes articulées dans le sens de la marche et un bras articulé (8) porte outil (9), fixé à l'organe (4) de liaison. Les jambes articulées sont agencées pour être fixées entièrement sur le devant des jambes de l'utilisateur. L'exosquelette comporte des moyens d'actionnement des jambes articulées en fonction des mouvements de l'utilisateur. Le bras articulé est fixé à l'organe de liaison de façon centrée ou sensiblement centrée par rapport à l'organe (4), dans le plan ou sensiblement dans le plan sagittal (10) de l'utilisateur.

Description

EXOSQUELETTE AVEC PORTE OUTIL CENTRE ET PROCEDE D' UTILISATION D ' UN TEL EXOSQUELETTE
La présente invention concerne un exosquelette de membres inférieurs avec porte outil, comprenant deux jambes articulées agencées pour être couplées aux membres inférieurs d'un utilisateur, un organe de liaison entre les extrémités supérieures des jambes auxquelles il est articulé, propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et des moyens d' actionnement des jambes articulées en fonction des mouvements de l'utilisateur.
Elle concerne également un procédé d'utilisation d'un tel exosquelette.
Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine de l'utilisation d'outils à forte pénibilité, notamment du fait des efforts importants à fournir au niveau de l'outil lui-même dans le plan horizontal.
Elle peut ainsi être utilisée avantageusement dans les secteurs du BTP (Bâtiments et Travaux Publics) , de la construction automobile, de l'aéronautique ou de tout autres types d' industrie nécessitant l'utilisation et donc l'assistance au travail d'outils tels que et de façon non limitative des râteaux, des perforateurs, des marteaux piqueurs ou tous outils dont le maniement génère des efforts horizontaux importants.
Actuellement, les exosquelettes d'aide à l'utilisation d'outils connus sont en général prévus pour les membres supérieurs.
Dans le cas plus rare l'utilisation d' exosquelettes inférieurs, ceux-ci mettent cette fois-ci en œuvre un porte outil fixé à 1 ' exosquelette au droit de l'extrémité supérieure d'une jambe.
Cette solution reproduit en fait un type de fonctionnement classique pour l'homme, c'est à dire avec une architecture droitière ou gauchère en fonction de l'utilisateur.
De telles solutions présentent des inconvénients.
En effet, dans la mesure où elles sont justement proches d'un fonctionnement correspondant à celui de l'homme sans exosquelette, elles sont de ce fait directement liées à un bras ou à un côté de 1' exosquelette .
Il est donc plus difficile et long de s'équiper avec 1 ' exosquelette et les gestes de l'homme sont limités à ceux qu'autorise ce dernier (impossible pour l'utilisateur muni de 1 ' exosquelette de boire ou de se gratter par exemple) .
Dans le cas d'une architecture avec bras fixé au droit de l'extrémité d'une jambe, 1 ' excentrement de l'outil par rapport à l'homme limite de plus les zones atteignables avec l'outil et rend inconfortable la manipulation de l'outil.
De façon générale les exosquelettes de l'art antérieur sont prévus essentiellement pour générer des efforts verticaux, contre la gravité.
L'invention part entre autre d'une idée à l'opposé de l'enseignement de l'art antérieur et de la pratique des exosquelettes, notamment (mais non exclusivement) en acceptant un centrage sur l'avant de l'outil repris uniquement ou essentiellement de façon centrée au niveau des hanches ou de la taille de l'utilisateur notamment et par exemple en partie basse de 1 ' exosquelette inférieur. De façon inattendue cette architecture permet de générer plus facilement des efforts horizontaux, c'est-à-dire dont les composantes se projettent essentiellement dans un plan horizontal.
En effet, pour générer des efforts horizontaux on va ici exploiter le poids de l'utilisateur. Pour que la direction de l'effort projeté dans le plan horizontal ne crée pas un bras de levier et donc un couple difficile à contrer, on va faire en sorte que celle- ci soit dirigée vers le centre de gravité de l'ensemble utilisateur plus exosquelette .
Dans ce but, la présente invention vise à fournir un exosquelette et un procédé d'utilisation d'un tel exosquelette répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle va permettre une manipulation et/ou une utilisation de l'outil de façon centrée par rapport à 1' exosquelette, dans le plan sagittal de l'homme, et dans son champs de vision, en laissant les bras de ce dernier libres de leur mouvements.
Par plan sagittal on entend le plan vertical de symétrie du squelette de l'utilisateur.
Elle présente de plus et notamment les avantages suivants :
- L'architecture de 1 ' exosquelette est simplifiée en proposant un porte outil unique alors que l'outil va pouvoir être manipulé à deux mains.
L'espace de travail est proche de celui de l'homme sans assistance utilisant un outil à deux mains.
- Les bras de l'homme ne sont pas liés à l'outil, et restent donc libres pour les gestes basiques.
L'outil peut être utilisé de façon transparente par un droitier ou un gaucher, alors que les solutions précédentes demandaient une fixation de l'outil à droite ou à gauche. De même, aucun réglage n'est nécessaire entre les opérateurs selon leur taille .
- Le porte outil est complètement dans le champ de vision de l'opérateur qui pourra ainsi limiter les interférences .
Le porte outil n'ajoute pas de surépaisseurs latérales supplémentaires à 1 ' exosquelette .
- Le porte outil n'entrave pas les mouvements annexes aux travaux de force, comme le nettoyage de 1' outil .
La mise en place de l'outil n'entrave pas les mobilités initiales de l' exosquelette, par exemple la saisie d'un objet au sol (position accroupie de 1' exosquelette) .
Il va également être possible d'enfiler, désenfiler 1 ' exosquelette déjà muni de l'outil, à partir de l'arrière de celui-ci, de façon simple et rapide.
Enfin, bien que réduisant (de par sa conception de l'organe de liaison entre les jambes de 1' exosquelette) le champ de vision vers l'avant de l'utilisateur, l'invention permet une meilleure appréhension de l'espace par l'utilisateur.
La perception et les efforts de l'utilisateur ne sont ainsi que très peu différents de ceux qu' il éprouve lors d'une utilisation sans équipement.
L' invention permet également une plus grande sécurité, l'outil ne risquant pas d'être lâché ou de tomber sur l'utilisateur en cas de déplacement avec 1' exosquelette . Dans ce but, l'invention propose notamment un exosquelette de membres inférieurs comprenant deux jambes articulées agencées pour être couplées aux membres inférieurs d'un utilisateur, un organe de liaison entre les extrémités supérieures des jambes auxquelles il est articulé, propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et entièrement situé à l'avant desdites jambes articulées dans le sens de la marche et un bras articulé porte outil, fixé à l'organe de liaison,
caractérisé en ce que les jambes articulées sont agencées pour être fixées et/ou situées entièrement sur le devant des jambes de l'utilisateur,
en ce que il comporte des moyens d' actionnement des jambes articulées en fonction des mouvements de l'utilisateur, et en ce que le bras articulé est fixé audit organe de liaison de façon centrée ou sensiblement centrée par rapport à l'organe, dans le plan ou sensiblement dans le plan sagittal de l'utilisateur.
Une telle disposition relative des jambes articulées de l'organe de liaison et de position centrée de la fixation du porte outil permet de reprendre de façon simple sans motorisation excessive le couple généré par le travail de l'utilisateur avec 1' outil .
Ainsi la génération d'efforts horizontaux par l'outil n'est plus un problème difficile à résoudre sauf à nécessiter un actionnement supplémentaire de 1' exosquelette .
Dans des modes de réalisation avantageux, on a par ailleurs et/ou de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - l' exosquelette comporte des moyens de détections des appuis de 1 ' exosquelette sur le sol, le bras articulé comprenant des moyens amplificateurs de force pour manier l'outil et des moyens de blocage du fonctionnement du bras articulé en fonction de l'appui sur le sol des membres de 1 ' exosquelette et de consignes préalablement établies ;
- l'organe de liaison comprend une butée d'appui et/ou de fixation d'un outil porté par le porte outil. La puissance des jambes de 1 ' exosquelette peut alors être utilisée pour augmenter l'efficacité de l'outil utilisé ;
- l'organe de liaison comprend une barre transverse sur laquelle est fixé le bras articulé et le bras articulé comprenant une première articulation en rotation horizontale permettant un balayage d'une zone de travail devant 1 ' exosquelette ;
- le bras articulé comporte une première tige de fixation de la première articulation en dessous de la barre transverse ;
- le bras articulé comprend une suite de trois pivots reliés respectivement entre eux par des deuxième et troisième tiges de liaison et agencés pour permettre une flexion/extension du bras dans un plan vertical et son inclinaison par rapport à un plan horizontal ;
- le bras articulé comporte de plus un pivot longitudinal d'orientation latérale de l'outil par rapport au reste du bras articulé ;
- le bras comporte une première poignée longitudinale de fixation et/ou de maniement de l'outil par une première main de l'utilisateur, munie d'un capteur d'effort ; - le bras est équipé d'une seconde poignée fixée plus bas sur le bras, de maniement de celui-ci par une deuxième main de l'utilisateur, pour faciliter un mouvement de rotation horizontale ;
- l'organe de liaison est équipé de moyens d'éclairage vers l'avant de 1 ' exosquelette et/ou d'une canopée de protection de l'utilisateur.
L' invention propose également un procédé d'utilisation d'un exosquelette de membres inférieurs avec porte outil muni d'un outil, ledit exosquelette comprenant un organe de liaison de deux jambes articulées propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur, caractérisé en ce que, l'organe étant entièrement situé à l'avant des jambes articulées dans le sens de la marche et comportant un bras articulé porte outil, fixé à l'organe de liaison de façon centrée par rapport à l'organe, ledit bras étant muni de moyens amplificateurs d'efforts et comprenant une première poignée longitudinale de maniement de l'outil par une première main de l'utilisateur, ladite poignée étant munie d'un capteur d'effort,
on bloque le bras articulé (en nominal) ,
lorsqu'on détecte si l'appui sur le sol des membres de 1 ' exosquelette est conforme à des consignes préalablement établies, on autorise le passage en mode amplification d'effort du porte outil,
on détecte si l'utilisateur a l'intention d'exercer un effort sur l'outil par ledit capteur d'effort, et lorsque la détection est positive on utilise ledit outil, la direction de l'effort fourni par le bras articulé étant identique à celle observée sur la première poignée. L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation donnés ci-après à titre d'exemples non limitatifs.
La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective latérale avant d'un exosquelette selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 montre une vue latérale de 1' exosquelette de la figure 1.
La figure 3 est une vue de dessus de 1' exosquelette de la figure 1.
Les figures 4A à 4D illustrent quatre étapes d'utilisation d'un exosquelette selon un mode de réalisation de l'invention, avec barre de liaison respectivement baissée, avant enfilage, puis en cours d'utilisation par l'utilisateur.
La figure 5 est un exemple de logigramme d'élaboration de lois de commande du fonctionnement d'un exosquelette selon l'invention.
Dans la suite de la description on utilisera des mêmes numéros de référence pour désigner des éléments identiques ou similaires.
Les figures 1, 2 et 3 montrent respectivement en perspective, en vue latérale et en vue de dessus un exosquelette 1 de membres inférieurs comprenant deux jambes articulées 2 et 3 agencées pour être couplées aux membres inférieurs d'un utilisateur (non représenté) , un organe de liaison 4 entre les extrémités supérieures 5 et 6 des jambes auxquelles il est articulé de façon connue en elle-même.
L'organe de liaison 4 est agencé pour être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et comprend des moyens d' actionnement des jambes articulées en fonction de mouvements de l'utilisateur ici encore également connus en eux-mêmes.
Selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici l'organe de liaison 4 est entièrement situé à l'avant (flèche 7) de l'utilisateur (non représenté) dans le sens de la marche .
Il comporte un bras articulé 8 porte outil 9 fixé à l'organe de liaison 4 de façon centrée par rapport à l'organe 4, dans le plan ou sensiblement dans le plan sagittal 10 de l'utilisateur.
L' exosquelette 1 comporte des moyens de détection 11 des appuis de 1 ' exosquelette sur le sol par exemple formés par des capteurs piezo électriques.
Les capteurs sont reliés par le biais d'une connectique wifi et/ou câblée passant à l'intérieur des jambes à un dispositif de contrôle commande 12 comprenant de façon connue un microprocesseur, des moyens de stockage, des moyens de calcul agencés pour réagir aux indications obtenues par les capteurs 11 par exemple situés sous les semelles des chaussons 13 utilisées par l'utilisateur et situées à l'extrémité des jambes articulées 2 et 3.
L' exosquelette 1 comprend des moyens amplificateur de force 14 constitués par des vérins électriques (non représentés de façon détaillée) pour manier l'outil 9 et des moyens de blocage par exemple constitués par des cliquets 15 électrocommandés situés aux différentes articulations qui vont être décrites ci-après, de blocage du fonctionnement du bras articulé 8 en fonction des informations issues de l'appui sur le sol des membres de 1 ' exosquelette et de consignes préalablement établies et enregistrées dans le calculateur 12.
Précisément et par exemple lorsque il est détecté une dissociation entre les deux valeurs obtenues par les capteurs 11 situés sur le pied gauche et le pied droit ce qui veut donc dire que 1 ' exosquelette est en train de monter une marche et/ou d'avancer, le calculateur 12 bloque et referme les cliquets 15 de sorte que le bras est immobilisé.
Sur le mode de réalisation décrit l'outil 9 est constitué par un râteau 16 muni d'une tige 17 et comportant à une extrémité un balai 18 de ratissage par exemple pour étaler une couche de goudron frais et de l'autre côté d'une extrémité 19 agencée pour pouvoir reposer sur un point d'appui 20 solidaire de l'organe de liaison 4, de sorte que la poussée des jambes de 1 ' exosquelette peut être utilisée pour augmenter l'efficacité du râteau.
Plus précisément l'organe de liaison comprend une barre transverse 21 sur lequel est fixé le bras articulé 8, celui-ci comprenant une première articulation 22 en rotation horizontale permettant un balayage d'une zone de travail devant 1 ' exosquelette (flèche 23) une première tige 24 de fixation de la première articulation 22 sur la barre transverse 21, verticale permettant la fixation de ladite première articulation 22 en dessous de la barre transverse 21.
Attaché à cette première articulation en rotation horizontale 22, le bras comprend ensuite une suite de trois pivots 25, 26 et 27 reliés respectivement entre eux par des deuxième tige 28 et troisième tige 29 de liaison entre pivots. Les articulations entre pivots sont ainsi agencées pour permettre une flexion/extension du bras dans un plan vertical et son inclinaison par rapport à un plan horizontal de façon connue pour ce type d'articulation.
Il comprend de plus un pivot longitudinal 30 d'orientation latérale de l'outil par rapport au reste du bras articulé.
Dans le mode de réalisation le bras comporte une première poignée 31 longitudinale de fixation de l'outil par exemple qui va ainsi pouvoir être saisi en amont par une main de l'utilisateur (non représentée) .
Cette première poignée longitudinale 31 comprend un capteur d'effort 32 connu en lui-même par exemple de type capteur piezo électrique sensible à la pression .
Le bras est de plus équipé d'une seconde poignée 33 fixée plus bas sur le bras en 34, de maniement de celui-ci par une deuxième main d'utilisateur pour faciliter un mouvement de rotation horizontale.
Avantageusement l'organe de liaison 4 comprend des moyens d'éclairage 35 de 1 ' exosquelette et/ou une canopée 38 de protection de l'utilisateur (cf. trait mixte sur figure 2) .
Les jambes 2, 3 sont formées de façon connue par des axes transverses horizontaux parallèles ou sensiblement parallèles à l'organe de liaison qui permettent la flexion/extension de la jambe correspondante et par ailleurs par des axes horizontaux et perpendiculaires aux axes transverses pour permettre l'adduction passive des hanches. L'organe 4 comprend une branche 39 sensiblement en forme de U dont les parties ou barres d'extrémités 40 sont reliées aux axes 41 d'articulation et dont la barre centrale 42 est située devant le ventre de l'utilisateur.
La barre 42 est horizontale et est munie de la barre transverse 21 également horizontale en porte à faux par rapport au polygone de sustentation du corps de l'utilisateur qui coïncide sensiblement avec celui déterminé par les jambes et pieds articulés de 1' exosquelette .
La barre 21 est agencée pour porter le porte outil .
L' exosquelette comporte également des articulations 43 au niveau des genoux de l'utilisateur par exemple formées de façon similaire aux articulations au niveau des hanches (axes horizontaux) et des moyens 44 d' actionnement des jambes articulées en fonction des mouvements de l'utilisateur, schématisés en traits mixtes sur la figure, qui seront détaillés ci-après.
On va maintenant décrire plus précisément en référence à la figure 2 le mode de réalisation de 1' exosquelette 1 plus particulièrement décrit ici.
Chaque jambe comporte une cuisse 45 et un tibia 46 identiques deux à deux.
La cuisse 45 comprend une tubulure 47 métallique interne (traits mixtes sur la figure) par exemple en titane, sur laquelle est fixé un premier cache 48 par exemple en matière plastique.
Le premier cache 48, longiligne de section longitudinale sensiblement trapézoïdale en forme de cuisse humaine, ménage un espace intérieur autour de la tubulure 47, espace dans lequel vont être logés au moins en partie les moyens d' actionnement .
L' articulation du genou est par exemple du type formée par un axe horizontal 49.
Lorsque 1 ' exosquelette est au repos, la cuisse et le tibia forment un angle a supérieur à 140° par exemple 160°.
Les moyens d' actionnement , comprennent les moyens d' actionnement des genoux par exemple logés à l'intérieur du premier cache 48 correspondant et sont respectivement formés chacun par un moteur électrique à courant continu alimenté par une batterie amovible correspondante située de chaque côté sur la partie arrière de l'organe de liaison 4 et/ou de la partie supérieure des cuisses 45.
Le moteur est d'une puissance adaptée pour générer un couple supérieur à 100 N.m. Il est connecté à un piston d' actionnement connu en lui-même, fixé d'un côté à la tubulure 47 de la cuisse et de l'autre à une lame 50 (trait mixte) formant le tibia correspondant .
Plus précisément et dans le mode de réalisation décrit, le tibia est de forme longiligne légèrement courbée (par exemple rayon de courbure compris entre 1 m et 2 m) . Il est formé par une lame interne, suffisamment rigide pour reprendre la charge mais également suffisamment souple pour jouer le rôle d'un ressort amortisseur, attachée à son extrémité proximale à la partie inférieure de la tubulure 47 par l'articulation formée par un axe et à son extrémité distale au pied décrit ci-après. Le tibia comporte un cache de la lame par exemple en forme de gaine ouverte de section transversale en forme de U et de profil latéral adapté au respect de 1' esthétique .
La partie supérieure du cache du tibia collabore avec la face interne du premier cache lors de la rotation du genou.
Les tubulures 47 de la cuisse et les lames 50 des tibias sont par exemple en titane ou tout matériau adapté et dimensionné pour résister à des moments supérieurs à 400 Newton mètre, par exemple 1.000 N.m.
L'extrémité inférieure de la lame 50 courbe est quant à elle connectée de façon articulée 51 à un chausson 52 propre à être enfilé.
L'articulation 51 est du type bi-axes pour flexion/extension et abduction/adduction, de façon connue en elle-même.
Le chausson 52 comporte par exemple une spatule d'appui de l'ensemble et une sangle de rétention du pied de l'utilisateur formant étrier avec la spatule.
Chaque jambe de 1 ' exosquelette comporte de plus une articulation à l'extrémité supérieure de chaque cuisse, de fixation articulée à l'organe de liaison 4, du type décrit en référence à la figure 1.
Cette articulation autorise notamment une rotation d'angle β sensiblement comprise entre 20° et 80°, entre la cuisse et l'organe 4 de liaison, ce dernier demeurant lui aussi horizontal.
Chaque jambe comporte de plus un moteur d' actionnement du type des moteurs d' actionnement du genou, pour actionner les articulations au niveau de la hanche, respectivement placé à l'extrémité et fixé sur les barres latérales du U de l'organe 7 de liaison . Comme indiqué ci-dessus, les moteurs d' actionnement sont alimentés jambe par jambe, par les batteries électriques par exemple respectivement fixées à l'arrière de l'extrémité supérieure de la cuisse correspondante par rapport au sens de la marche .
Comme indiqué ci-dessus la branche transversale de l'organe 4 de liaison est ici encore globalement en forme de U.
Elle comporte deux barres 39 parallèles formant les branches du U, de forme parallélépipédique en partie creuses pour contenir les moteurs d' actionnement des articulations des hanches connectées d'un côté à la partie supérieure des cuisses par les articulations correspondantes, et de l'autre côté à la barre centrale transversale formée d'une poutre horizontale rigide.
La poutre horizontale est agencée pour soutenir le porte outil.
L'ensemble de l'organe forme un espace E d'accueil de l'utilisateur.
Les capteurs de détections sont par exemple des capteurs piézométriques connectés aux moyens 12 de calculs logés dans l'organe 4 et envoient des informations relatives aux efforts sur le porte outil et/ou 1 ' exosquelette .
Les moyens de calcul génèrent alors une commande en fonction des informations reçues des capteurs et la transmettent simultanément au quasi-simultanément aux moyens d' actionnement pour compenser la charge et/ou fournir l'effort requis.
Pour ce faire, les moyens d' actionnement génèrent à partir de ces informations un couple opposé au poids de la charge ou de l'effort sur le sol par l'outil de raclage par exemple.
Dans un autre mode de réalisation, les moyens d' actionnement comportent des éléments passifs, agencés pour générer un couple entre le bassin et la ou les jambes d'appui, opposé au couple généré par ledit poids déterminé de la charge.
On va maintenant décrire en référence aux figures 4A à 4D un procédé d'utilisation d'un exosquelette 1 selon un mode de réalisation de l'invention.
L' exosquelette 1 comporte un porte outil 8 et un outil (râteau 16) .
L'organe 4 de liaison comporte des moyens 60 de commande de moyens d' actionnement .
Ces moyens de commande sont constitués de boutons
(non représentés) connus en eux même de l'homme du métier et reliés aux moyens de calculs.
Les boutons sont par exemple positionnés dans la partie arrière de l'organe 4 de liaison ou sur ses faces latérales extérieures.
L'utilisateur 61 étant derrière 1 ' exosquelette 1, il le saisit et actionne les moyens de commande.
Ceux-ci commandent alors les moyens d' actionnement pour lever l'organe 4 de liaison.
Les moyens d' actionnement donnent alors l'instruction aux moteurs du genou et de l'abdomen d'effectuer une rotation de manière à augmenter les angles entre d'une part, l'organe de liaison et la cuisse, et d'autre part, la cuisse et l'organe de liaison.
De cette manière les chaussons et l'organe de liaison restant horizontaux, la distance entre eux est réduite. Puis l'utilisateur 61, si ce n'est déjà fait (comme représenté sur les figures) fixe et/ou accroche l'outil ou porte outil de liaison et/ou l'arrime par exemple par clipsage.
Une fois levé (figure 4C) , l'utilisateur 61 peut ensuite et sans difficulté, placer ses pieds 62 dans les étriers 63 des chaussons, par un simple enfilement et refermer la sangle de ceinture, les bretelles 64 ou le support dorsal pour enfiler 1' exosquelette 1 par l'arrière des jambes 65 articulées .
Une fois 1 ' exosquelette 1 revêtu, l'utilisateur 61 exerce un déplacement par une marche normale et active le porte outil.
Selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit 1 ' exosquelette 1 comprend des moyens 66 de détection de mouvement de l'utilisateur et/ou 67 de l'appui sur les pieds et notamment des moyens de détection d'angle.
Ces moyens de détection comprennent de façon connue en elle-même, et par exemple un ou des gyroscopes pour la détermination de la valeur de l'angle à un instant donné, couplés à un ou des accéléromètres à trois directions pour déterminer la vitesse et l'accélération angulaire.
Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, les moyens de détections comprennent également un magnétomètre permettant ainsi de déduire des mesures du champ magnétique terrestre la direction du champ gravitationnel.
Les détecteurs d' angles sont adaptés pour acquérir en continu les angles entre les cuisses et les tibias des jambes de l'utilisateur ainsi qu'entre la cuisse et la hanche, cette détection étant réalisée à une fréquence déterminée.
Les moyens 66 de détection comprennent également un détecteur de pression, connu en soi, pour l'acquisition de la pression du ventre exercée sur la barre transversale et/ou sur la lame flexible.
Ainsi :
une réduction concomitante sur chaque jambe des angles entre la cuisse et le tibia de l'utilisateur est analysée par les moyens de calcul comme étant une commande de descente de la barre transversale et, une réduction d'un des angles abdomen/cuisse ou cuisse/tibia sur l'une des jambes et la détection d'une pression du ventre supérieure à un seuil déterminé est analysé par les moyens de calcul comme étant une commande de marche.
Ces informations transmises aux moyens de calcul permettent la régulation des moteurs.
Lors de son parcours, l'utilisateur peut s'arrêter et/ou avancer, et étant alors accompagné par 1' exosquelette, il peut activer l'outil.
L'outil est monté sur l'organe de liaison 4, via le porte outil au milieu de l'organe.
Plus précisément, le bras 67 est ici relié à 1' exosquelette 1 par une liaison rotule 68, motorisée, en dessous de la barre 11.
Le bras 67 est lui-même articulé, de manière passive ou non.
Plus particulièrement dans le mode de réalisation comprenant un bras articulé passif, i.e. sans motorisation propre, l'horizontalité de l'organe de liaison 4 pendant le fonctionnement permet une référence stable et une diminution du porte-à-faux. Le maintien à l'horizontal de l'organe de liaison 4 permet une position fixe de référence pour les outils ou bras 67 articulés fixés à celui-ci. Ceci permet ainsi de rester dans une position donnée à l'équilibre (par exemple à vide) du fait de la raideur de ressorts, de la présence de contres couples moteurs, d'inerties et/ou de frottements de liaison .
La fixité et l'horizontalité de l'organe 4 par rapport à la direction du champ gravitationnel permettent donc un bon équilibrage, avec compensation de la masse de l'outil, et ce sur pour l'ensemble des conditions de fonctionnement de celui-ci.
Comme décrit ci-avant 1 ' exosquelette 1 comprend les moyens 60 de commande (calcul, actionnement ) , fixé sur la barre transversale 39 de l'organe de liaison 4.
Les moyens 60 ci-après également dénommés calculateur, déterminent une loi de commande à partir notamment de la position des différentes parties de 1' exosquelette 1, des actions de l'utilisateur 61, du porte-à-faux et des perturbations éventuelles.
Cette loi de commande effectue, lorsque le couple généré par le porte-à-faux accentué par le bras 67, est supérieur à un certain seuil déterminé et implique un risque de basculement de 1 ' exosquelette 1, on détermine alors la distance e entre la jambe 65 dont l'extrémité supérieure est située au droit du montage du bras 67 et l'autre jambe 65, soit l'avancée d'un chausson 63 par rapport à l'autre.
Les moyens 60 de calcul intègrent la distance e, le modèle de 1 ' exosquelette 1 et la direction du champ gravitationnel et déterminent si la distance e est suffisante pour assurer l'équilibre de 1' exosquelette 1 calculée en fonction du couple généré par le porte-à-faux.
C'est-à-dire la distance e doit être suffisante pour que l'effort et/ou le déplacement du bras 67 ne génèrent pas un couple supérieure à celui de l'équilibre que 1 ' exosquelette peut supporter pour la distance considérée.
Si la distance e est suffisante, les moyens 60 de calcul génèrent une instruction d'autorisation et l'outil peut être utilisé.
Plus précisément les moyens 60 de commande du bras 67 ne sont alors pas limités pour la position du bras 67 considérée.
Si la distance e est insuffisante, alors le moyens
60 de commande sont bloqués, i.e. ne transmettent pas l'instruction de déplacement au bras 67 et/ou aux jambes 65.
On va maintenant décrire un procédé d'élaboration de la loi de commande des différents moteurs de 1' exosquelette 1, en faisant également plus particulièrement référence aux figures 4A à 4D .
Le calculateur 60 comprend une mémoire non volatile (non représentée) . Cette mémoire comprend des valeurs de paramètre structurel de 1 ' exosquelette 1.
Les paramètres pris en compte sont les paramètres dimensionnels (longueur, masse, position des centres de gravité, angles relatifs ...) des différents éléments de 1 ' exosquelette et notamment des dimensions cuisses (m6, l ; m9, 19) des tibias (m8, ls ; m , lu), des branches de l'organe de liaison (mi, li ; m2, 12 ; m3, 13) , des articulations (m4, m5, ΙΓΙ7 , mio) , et des spatules (m.1 , 1ι4 ; mis, lis) ·
Le calculateur comprend également un référentiel virtuel avec son système de coordonnée associé dont l'origine A est par exemple au milieu du segment reliant les articulations à l'extrémité supérieure de chaque tube de cuisse.
Le calculateur acquiert également comme paramètre les angles entre hanche et cuisse l, βΐ, cuisse et tibia 0(2, β2, tibia et chausson α3, β3, ainsi que la direction dans le référentiel virtuel du champ gravitationnel .
Il reconstruit alors un modèle géométrique virtuel de la position de 1 ' exosquelette 1 en continu ou quasiment continu.
Puis à partir de ce modèle combiné à l'information sur les masses mi à mu des différents éléments de 1' exosquelette 1, le calculateur reconstruit l'emplacement des centres de gravité de l'organe de liaison CDG1, des cuisses CDG2, CDG3, des tibias CDG4, CDG5.
Le calculateur obtient ainsi un modèle dynamique en continu ou quasiment en continu de la géométrie et des forces, moments et efforts appliqués à 1' exosquelette 1 (accélération yi notamment) par exemple par calcul barycentrique pour une masse totale M rapportée au centre de gravité générale CDGM.
Le calculateur détermine à partir de ces données et de celles de poids des charges et/ou des outils ou bras 67 et de la géométrie de leur porte-à-faux, d'une part les commandes des moteurs de reprises des efforts et de déplacement des jambes et d'autre part et notamment le couple seuil et ainsi la distance d d'avancée d'une jambe par rapport à l'autre.
Plus précisément, en fonctionnement et en référence à la figure 5, 1 ' exosquelette 1 opère une première acquisition (étape 70) des paramètres direction du champ gravitationnel, i, βι ; xA, yA, zA ; CDGi yi etc et en déduit un modèle géométrique et dynamique de 1 ' exosquelette avec calcul (étape 71) de la masse M totale rapportée au centre de gravité générale (CDGM) .
La connaissance de la direction du champ gravitationnel et des angles i, βι permet de calculer l'apport de chaque élément de 1 ' exosquelette 1 à la stabilité et/ou au porte-à-faux.
Plus précisément, la connaissance de la position de 1 ' exosquelette 1 par rapport à la direction du champ gravitationnel permet d'affiner/corriger la loi de commande .
Les commandes générées par l'utilisateur déterminant une accélération γί d' avancement des éléments de 1 ' exosquelette 1, bruitées ou non, calculent le couple exercé par le porte à faux et le compare au seuil limite également calculé, et détermine si une action des moyens de commande est requise par l'utilisateur 61 ou nécessaire à l'équilibre de 1 ' exosquelette 1 (étape 72).
Si c'est le cas les moyens 60 d' actionnement sont alors commandés (étape 73) pour exercer les contre couples nécessaires à l'avance de la jambe 65 de la distance d calculée.
Puis le calculateur effectue une nouvelle acquisition (étape 74) des paramètres avec déduction alors d'un nouveau modèle géométrique et dynamique de 1' exosquelette avec re-calcul actualisé de la masse total M' rapporté au centre de gravité général CDGM (étape 75) .
La loi de commande intègre alors les éléments correctifs pour l'équilibre et instruit les moyens 60 d' actionnement en conséquence (étape 76).
Tant que le mouvement ou la stabilité de 1' exosquelette n'est pas terminée ou assurée (test 77) les étapes 72 à 76 sont réitérées (ligne 78) .
Dans le cas où l'on souhaite utiliser un système d'amplification de l'effort, on vérifie si la position de 1 ' exosquelette est admissible (test 79. Si oui, il passe alors en mode amplification (étape 80) lorsqu'on appui sur le bouton.
Plus précisément, le système d'outil suit le principe de commande suivant :
- Le bras articulé est en mode transparent ou bloqué en position lorsque les membres inférieurs sont en mode déplacement c'est à dire pour passer d'une zone de travail à une autre (cycle allant des étapes 72 à 76).
- Si la position de 1 ' exosquelette est conforme aux consignes de sécurité quant à la posture de 1' exosquelette (test 79) 1 ' exosquelette autorise le passage au mode d'amplification d'effort lors de l'appui (étape 80) sur le bouton Amplification d'effort . Par exemple, les deux pieds en appui au sol en quiconque, ou l'inclinaison du sol est inférieure à 10°, ou les deux pieds au même niveau (et non un pied sur une marche et l'autre au sol) .
- L' exosquelette étant alors en mode amplification, le bras reste en position bloqué ou transparent tant que l'opérateur n'indique pas d'intention sur le capteur d'effort (test 81) . Lors d'une mesure d'intention, la direction de l'effort fourni par le bras articulé est identique à celle observée sur la poignée d'intention. L'intensité de l'effort est quant à elle amplifiée (étape 82) par un coefficient d'amplification supérieur à 1, par exemple 5 ou 10. Les consignes sont calculées par exemple toutes les minutes.
- Au cours du mode amplification, la position de 1' exosquelette est vérifiée pour qu'elle reste conforme aux consignes de sécurité. Cette vérification est effectuée par exemple toutes les cinq minutes
Comme il va de soi et comme il résulte également de ce qui précède, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation plus particulièrement décrits. Elle en embrasse au contraire toutes les variantes et notamment celles où les énergies utilisées sont hydrauliques et/ou pneumatiques plutôt qu'électriques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Exosquelette (1) de membres inférieurs comprenant deux jambes articulées (2, 3) agencées pour être couplées aux membres inférieurs d'un utilisateur, un organe (4) de liaison entre les extrémités supérieures (5, 6) des jambes auxquelles il est articulé, propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et entièrement situé à l'avant (7) desdites jambes articulées dans le sens de la marche et un bras articulé (8) porte outil (9), fixé à l'organe (4) de liaison caractérisé en ce que les jambes articulées sont agencées pour être fixées et/ou situées entièrement sur le devant des jambes de l'utilisateur,
en ce qu'il comporte des moyens d' actionnement des jambes articulées en fonction des mouvements de l'utilisateur, et en ce que le bras articulé est fixé audit organe de liaison de façon centrée ou sensiblement centrée par rapport à l'organe (4), dans le plan ou sensiblement dans le plan sagittal (10) de l' utilisateur .
2. Exosquelette selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11) de détections des appuis de 1 ' exosquelette sur le sol, en ce que le bras articulé (8) comprend des moyens (14) amplificateurs de force pour manier l'outil (9) et en ce que il comporte des moyens (15) de blocage du fonctionnement du bras articulé en fonction de l'appui sur le sol des membres de 1 ' exosquelette et de consignes préalablement établies.
3. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe (4) de liaison comprend une barre transverse (21) sur laquelle est fixé le bras articulé (8) et en ce que ledit bras articulé comprend une première articulation (22) en rotation horizontale permettant un balayage d'une zone de travail (23) devant l' exosquelette .
4. Exosquelette selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bras articulé (8) comporte une première tige (24) de fixation de ladite première articulation en dessous de la barre transverse (21) .
5. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bras articulé (8) comprend une suite de trois pivots (25, 26, 27) reliés respectivement entre eux par des deuxième et troisième tiges (28, 29) de liaison et agencés pour permettre une flexion/extension du bras dans un plan vertical et son inclinaison par rapport à un plan horizontal.
6. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bras articulé (8) comporte de plus un pivot longitudinal (30) d'orientation latérale de l'outil par rapport au reste du bras articulé.
7. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bras comporte une première poignée longitudinale (31) de maniement de l'outil par une première main de l'utilisateur, munie d'un capteur d'effort (32).
8. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe (4) de liaison est équipé d'une seconde poignée (33) fixée plus bas (34) sur le bras, de maniement de celui-ci par une deuxième main de l'utilisateur, pour faciliter un mouvement de rotation horizontale.
9. Exosquelette selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe (4) de liaison est équipé de moyens (35) d'éclairage vers l'avant de 1 ' exosquelette et/ ou d'une canopée (38) de protection de l'utilisateur.
10. Procédé d'utilisation d'un outil (9) avec un exosquelette (1) de membres inférieurs comprenant un organe (4) de liaison de deux jambes articulées propre à être positionné au niveau du bassin de l'utilisateur et entièrement situé à l'avant des jambes articulées dans le sens de la marche, ledit organe comportant un bras articulé (8) porte outil (9), fixé à l'organe (4) de liaison caractérisé en ce que le bras est fixé de façon centrée par rapport à l'organe, est amplificateur d'efforts et comprend une première poignée longitudinale (31) de maniement de l'outil par une première main de l'utilisateur, ladite poignée étant munie d'un capteur d'effort, on bloque le bras articulé (8),
lorsqu'on détecte si l'appui sur le sol des membres de 1 ' exosquelette est conforme à des consignes préalablement établies, on autorise le passage en mode amplification d'effort du porte outil,
on détecte si l'utilisateur a l'intention d'exercer un effort sur l'outil par ledit capteur d'effort, et lorsque la détection est positive on utilise ledit outil (9), la direction de l'effort fourni par le bras articulé étant identique à celle observée sur la première poignée (31) .
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