Capture des efforts

2.3.1.1 Capteurs tactiles

Le cycle de fonctionnement de l’interface de locomotion est composé de deux phases principales : la phase de balancement et la phase d’appui. Nous verrons dans le chapitre 4, que nous utiliserons des consignes ainsi que des lois de commande différentes pour les deux phases. Il apparaît alors essentiel d’intégrer à l’interface des capteurs permettant de détecter le contact des pieds avec les pédales. Cette détection permettra à l’automate pilotant l’interface de connaître à tout instant si l’utilisateur se trouve en phase de balancement ou bien en phase d’appui.

Figure 32. Intérêt de la tâche de détection de contact pied/pédale pour le pilotage

L’automate peut alors déterminer la consigne qu’il doit imposer à la pédale ainsi que la loi de commande à utiliser. Pour cela, nous utilisons des capteurs tactiles de type « FSR » . Six capteurs tactiles sont ainsi répartis sur la surface de chaque pédale. Comme le montre la figure 32, dans le cas où un contact pied/pédale est détecté, l’algorithme de génération de consigne de retour (§3.1.3) fournit par l’intermédiaire d’une loi de commande spécifique une commande au banc de translation. Dans le cas où il n’y a pas de détection de contact pied/pédale, c’est l’algorithme de positionnement 3D (§2.3.2) qui fournit, à l’aide d’une autre loi de commande spécifique, une commande au banc de translation. Nous verrons dans la suite que l’utilisation de lois de commande différentes pour les phases de balancement et d’appui se révèle très utile.

Xm non oui Xtracking Xretour -+ + Détection de

contact du pied ^{Banc de}

translation Algorithme de

positionnement 3D Algorithme de

génération de

consigne de retour ^{Loi de commande 1}

2.3.1.2 Capteur d’effort sagittal

La mesure des actions de contact pied/pédale est un paramètre pouvant être pris en compte pour générer des consignes de retour en effort (cf. chapitre 4). Le développement de l’interface étant initialement prévu pour la marche en ligne droite, nous présentons ici l’intégration d’un capteur d’effort 1D permettant de mesurer les efforts dans la direction sagittale de la marche. Cette mesure doit être à la fois rapide au regard de la dynamique des efforts et précise pour ne pas introduire d’erreurs dans la consigne de retour.

La solution retenue est d’utiliser un capteur d’effort à jauges travaillant à la fois en traction et en compression. Ce capteur possède une forme en S qui le rend peu encombrant. La difficulté réside alors dans l’intégration de ce capteur dans la pédale existante. Pour cela, la partie supérieure de la pédale est reliée à sa base par l’intermédiaire du capteur et de trois guidages. Comme illustré sur la figure 33, une des extrémités du capteur est solidaire de la partie supérieure de la pédale et l’autre extrémité est solidaire de la base de la pédale. La transmission des efforts sagittaux est assurée par les trois guidages guidant la partie supérieure de la pédale.

Figure 33. Intégration du capteur d’effort 1D 2.3.1.3 Capteur d’effort 6 composantes

L’interface de locomotion doit à terme être équipée d’un capteur d’effort 6 composantes dans chacune des pédales afin de mesurer le torseur dynamique des efforts lors de la marche. La mesure de ce torseur dynamique est une application qui intéresse tout particulièrement notre partenaire industriel (CETIM). En effet, ces relevés de torseur dynamique mesurés au niveau du centre de pression permettraient d’évaluer le torseur dynamique des efforts au niveau du genou grâce à un modèle biomécanique de la jambe. Ces informations s’avèrent

très utiles pour les concepteurs de prothèses de genou qui pourraient ainsi évaluer les zones de plus fortes contraintes au niveau de la prothèse, ceci à différentes allures de marche.

Il est évidemment possible de mesurer ce torseur dynamique des efforts de contact pied/sol sur un sol fixe à l’aide d’une plate-forme d’effort six composantes largement utilisées dans le domaine de la biomécanique. L’inconvénient de cette méthode est le nombre limité de plate-formes d’effort pouvant être utilisées (coût et encombrement). L’avantage de notre interface réside alors dans le fait où l’on peut aisément collecter des mesures pour une durée de marche souhaitée. De plus, les caractéristiques motrices et sensorielles de l’interface lui permet de simuler la marche dans différentes configurations : marche lente/rapide, marche en avant/en arrière, marche dans un train (vibrations,…). L’interface de locomotion devient alors un outil de mesure précieux pour les concepteurs de prothèses de genou en leur offrant de nombreuses configurations de marche.

D’autre part, l’intégration de capteurs six composantes viendra compléter l’intégration initiale de capteurs 1D mesurant les efforts sagittaux. Les données issues des capteurs 6D pourront alors être utilisées judicieusement afin de générer des consignes de retour sur place lors du développement de l’interface pour la marche plane.

Les principaux critères pris en considération pour cette instrumentation sont l’étendue de mesure du capteur, sa résolution, sa sensibilité, sa compatibilité avec le système d’acquisition, son encombrement, son intégration dans la pédale et ses effets sur l’environnement extérieur. L’ensemble des critères retenus dans notre étude est regroupé en annexe B dans l’analyse fonctionnelle du capteur d’effort six composantes. Parmi l’ensemble des solutions techniques envisageables, nous distinguons les capteurs à jauges de contrainte et les capteurs piézoélectriques. La solution proposée se tourne vers une technologie de type jauges de contrainte puisque la technologie piézoélectrique présente un certain nombre d’inconvénients tels que la nécessité de remise à zéro fréquente, une forte sensibilité aux vibrations parasites et une maintenance difficile sur site. En ce qui concerne la plage de mesure du capteur, les étendues en forces sont :

• Fx Max = ± 400 N • Fy Max = ± 200 N • Fz Max = ± 1200 N

Les moments des efforts à mesurer dépendent des dimensions de la surface (pédale) sur laquelle sont appliqués les efforts. Afin de ne pas surdimensionner inutilement le capteur d’effort, il est utile de connaître les lieux d’application des efforts maximaux. Pour cela, nous nous basons sur des courbes de relevés biomécaniques. Les dimensions de la pédale sont données figure 34 où la zone en pointillés représente la frontière à l’intérieur de laquelle les efforts maximaux sont appliqués.

Figure 34. Zone d’application des efforts sur la pédale

Nous émettons l’hypothèse raisonnable que le pied en appui ne peut pas transmettre de moment purs autour des axes X et Y. Le torseur des efforts de contact pied/sol au niveau du COP s’écrit donc de la manière suivante :

x pied/sol y z z F 0 (COP) = F 0 F T

τ

Nous en déduisons les moments au niveau du centre de la pédale autour de chaque axe : • M max = 0.005 F max + 0.07 F max = 85 N.m _{x y z}

• M max = 0.005 F max + 0.13 F max = 158 N.m _{y x z} • M max = 0.07 F max + 0.13 F max = 60 N.m _{z x y}

D’autre part, les dimensions du capteur ne doivent pas empêcher son intégration dans la pédale. Nous avons choisi un capteur 6 composantes de AMTI , le modèle MC36-500 a une étendue de mesure suffisante pour notre application (mesure des efforts jusqu’à 2225 N en Z).

400 260 140 Z ^γ=⁵ X Y Unités en mm 210

En ce qui concerne la sensibilité du capteur, elle permet d’atteindre les résolutions suivantes avec notre chaîne d’acquisition :

• 11 g suivant l’axe X pour une gamme de 0 à 400 N • 3 g suivant l’axe Y pour une gamme de 0 à 200 N • 25 g suivant l’axe Z pour une gamme de 0 à 1200 N • 0.18 N.m sur Mx pour une gamme de 0 à 85 N.m • 0.1548 N.m sur My pour une gamme de 0 à 158 N.m • 0.015 N.m sur Mz pour une gamme de 0 à 54 N.m

L’erreur de mesure maximale tolérée étant de 50 g, les valeurs ci-dessus sont conformes et correspondent aux gammes de mesure répondant à nos spécifications. Le torseur dynamique des efforts étant mesuré par rapport à l’origine de mesure du capteur, c’est à dire au centre de la pédale, il nous est nécessaire d’évaluer ce torseur dynamique au niveau du point d’application de la résultante des efforts (Centre de Pression). La position du centre de pression est donnée par :

x y cop z y x cop z - γ F - M x = F - γ F + M y = F ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪⎩

Les moments purs Tx et Ty au niveau du centre de pression étant nuls dans le cas de la marche, on en déduit le Moment Tz au centre de pression :

x y x y z z x y z z M - γ F γ F + M T = M + F + F F F