Les semelles d’analyse de la mise en charge

5.3.1. Les semelles du commerce

Les semelles du commerce (Figure 54) utilisent des matrices de capteurs qui offrent des performances intéressantes pour des applications qui exigent des mesures à haute résolution de la répartition des forces d’appui en dynamique. Ces semelles utilisent plusieurs types de capteurs :

• capteurs Flexiforce® pour le système F-Scan® (Tekscan) [153] ; • capteurs capacitifs pour le système Pedar© (Novel) [154] ;

113 Ces semelles matricielles, équipées d’un grand nombre de capteurs, ne sont pas adaptées à nos besoins en raison d’une faible autonomie de fonctionnement (quelques heures), de procédure d’étalonnage complexe, et d’un encombrement trop important [156].

Figure 54. Semelles du commerce

5.3.2. Les projets de conception de semelles avec des capteurs du commerce

Les semelles équipées de capteurs FSR® (Force Sensing Resistor, INTERLINK) ou Flexiforce® (Tekscan) (Figure 55) basés sur un principe résistif sont les plus couramment utilisés car ces capteurs possèdent une bonne résistance aux chocs, ils sont adaptés à la marche naturelle (fin, léger et flexible), faiblement influencés par la température et peu coûteux [157, 158, 159]. Ces capteurs sont vendus dans différents formats dont la surface active peut atteindre 4 cm² (Figure 55). Cependant, certaines limites au niveau des performances ont été notées, en particulier en termes de non-linéarité et d’hystérésis [160, 161]. La non-linéarité de ces capteurs peut cependant être corrigée avec un circuit de conditionnement adapté [162].

Figure 55. Semelle équipée de capteurs FSR® [163], capteurs FSR® et Flexiforce®

Les semelles équipées de capteurs capacitifs sont adaptées à la marche naturelle (fin, léger et flexible) et peu coûteuses [144]. Par contre, certaines limitations ont été notées dans ces publications en termes de durée de vie, de difficulté pour calibrer les capteurs et de non-linéarité. De plus, ces capteurs existent seulement en format réduit (surface active < 1 cm²).

Une semelle équipée de cellules de charge (loadcell) présentée dans [78] est une alternative intéressante sur le plan des performances. Dans cette publication, 3 cellules sont montées à l’avant de la chaussure entre deux plaques rigides pour répartir les forces d’appui sur les capteurs, et une cellule est placée au niveau du talon. Des tests de performances sur le système complet donnent de bons résultats (dérive < 3,68 %, hystérésis < 4,13 %, erreur moyenne absolue < 5,13 %). Les limitations concernent le manque de confort de la chaussure (capteur rigide) et le coût d’une cellule (>100 €).

114 Figure 56. Semelle équipée de cellules de charge [78]

Une semelle équipée d’hydrocellules (capteurs de force 3D) présentée dans [82] est utilisée dans une application clinique destinée à des sujets diabétiques. Ce capteur basé sur un principe piézorésistif est intégré dans une capsule remplie d’un fluide incompressible. Ce capteur possède des performances de haut niveau et préserve le confort de la semelle (cellule remplie de liquide) mais son prix élevé reste un frein (>100 €).

Une semelle équipée de capteurs de pression atmosphérique à bas coût est présentée dans [79]. Elle est destinée à une application de rééducation et permet de mesurer plusieurs paramètres de la marche : la mise en charge, l’équilibre et les phases de la marche. Le corps d’épreuve est réalisé à l’aide d’un enroulement de tube de silicone souple dont l’une des extrémités est connectée à un capteur de pression atmosphérique. L’autre extrémité est scellée à l’aide d’une colle époxy formant ainsi un circuit fermé contenant de l’air. Lorsque le pied appuie sur l’enroulement de silicone, la déformation engendre une variation de pression dans le tube qui est mesurée par le capteur de pression. Ainsi la force appliquée F, sur la surface S du tube enroulé, entraîne une variation quasi-linéaire de la pression (P = F / S).

Figure 57. Principe de la semelle équipée de capteurs de pression atmosphérique [79]

Les avantages avancés dans cette publication au niveau de la faisabilité sont : une semelle confortable (coussin d’air), une durée de vie raisonnable, une gamme de variation de pression adaptable en fonction du capteur de pression atmosphérique utilisé, une mise en œuvre simple et peu coûteuse. Les performances annoncées sont : une bonne reproductibilité (mesurée à 97 %), une erreur faible, une réponse quasi-linéaire, une hystérésis faible et une bonne sensibilité sur toute l’étendue de mesure. Bien que la durée de vie est annoncée comme raisonnable, aucune estimation chiffrée n’a été reportée dans ces publications. L’inconvénient majeur de ce système est lié à l’ergonomie des capteurs de pression qui ne sont ni flexibles, ni suffisamment fins pour être intégrés dans une semelle. Par contre, ils pèsent quelques grammes et restent compatibles avec la marche naturelle.

115

5.3.3. Discussion et choix technologiques

Nous recherchons un capteur du commerce déjà éprouvé en condition de marche. Cette vue d’ensemble montre les avantages et inconvénients des différents capteurs utilisés. Dans le Tableau 10, les critères de choix des capteurs des semelles instrumentées ont été jugés suffisants ou insuffisants pour notre application. Le nombre de capteurs et leur surface active sont associés à l’ergonomie.

Semelle Critères suffisants Critères insuffisants Critères inconnus

Equipée de capteurs résistifs _{Performances ; Prix} ^{Ergonomie ;} Durée de vie

Equipée de capteurs capacitifs Performances ; Prix Ergonomie ; Durée de vie

Equipée d’hydrocellules _Performances ^{Durée de vie ;} Prix ; Ergonomie

Equipée de cellules de charge _Performances ^{Durée de vie ;} Prix ; Ergonomie

Equipée de capteurs de

pression atmosphérique ^{Ergonomie ; Prix ;} Performances ^{Durée de vie}

Tableau 10. Comparaison des systèmes de mesure de la mise en charge

Les capteurs résistifs répondent à nos besoins en termes d’ergonomie (fin, flexible, léger et grande surface active) malgré leurs performances limitées mais que nous pouvons toutefois améliorer avec un circuit de conditionnement adapté.

La solution proposée par [79] est intéressante en termes de coût et de performances. Un autre avantage est que le tube de silicone peut être enroulé sur la surface désirée, voire sur toute la surface de la semelle pour récupérer plus facilement la résultante des forces. Le capteur n’est cependant pas intégrable dans l’épaisseur d’une semelle mais il peut être positionné à l’arrière de la chaussure Figure 57.

Nous retenons deux solutions pour notre étude : le capteur résistif et le capteur de pression atmosphérique associé à un tube de silicone.

5.3.4. Choix du capteur résistif et du conditionneur

Comme nous l’avons montré précédemment, deux capteurs résistifs flexibles sont utilisés dans plusieurs projets pour équiper des semelles : le capteur FSR® et le capteur Flexiforce®. Nous cherchons un capteur sensible aux charges élevées avec une grande surface active. Suite à une analyse des caractéristiques techniques de ces capteurs [162, 164], seul le capteur Flexiforce® A401 convient à nos besoins car il possède une étendue de mesure plus élevée (110 N contre 20 N). De plus, Tekscan propose un circuit de conditionnement (Figure 58) qui permet d’augmenter l’étendue de mesure jusqu’à 31137 N (3175 kgF) en théorie [162].

116 Figure 58. Circuit de conditionnement du capteur A401 (Tekscan) [162]

5.3.5. Choix de la solution basée sur un capteur de pression atmosphérique

Nous souhaitons reproduire l’expérimentation menée dans [79]. Dans cette publication, plusieurs corps d’épreuve de même surface active (4,7 cm²) ont été réalisés à l’aide de plusieurs enroulements de tube de silicone de différentes dimensions. Le Tableau 11 montre les pressions mesurées (mBar) pour une force appliquée équivalente à un poids de 68 kgF (150 lb).

Diamètre externe

(mm) ^{Diamètre interne} (mm) ^{Longueur requise} (mm) ^{Volume intérieur} (mm³) ^Pression* (mbar)

2 1 600 470 10

3 1,5 400 710 30

4 2 300 940 50

6 4 200 2500 110

8 6 150 4200 280

*Pour l’application d’une masse de 68 kg

Tableau 11. Pression mesurée en appliquant 68 kg en fonction des dimensions des tubes [79]

Pour rester dans l’épaisseur de la semelle, le diamètre extérieur du tube doit être de 2mm. D’après le Tableau 11, la pression dans ce tube est de 10 mbar pour 68 kgF. Nous connaissons les forces maximales pouvant intervenir au cours de la marche (30 kgF/cm² soit 140 kg répartis sur 4,7 cm²). On peut donc considérer que la pression ne devrait pas dépasser 20 mbar dans le tube de 2 mm. L’étendue de mesure minimum des capteurs du commerce est comprise entre 0 et 50 mbar [79]. Comme l’étendue de mesure de ces capteurs ne pourra pas être complétement utilisée (2/5 de la pleine échelle), il est nécessaire de choisir un capteur avec une grande résolution. Notre choix s’est donc porté sur un capteur dont le conditionneur intégré permet de fournir une bonne résolution des signaux de sortie (12 bits) : le capteur MS4525-1PSI (60 mbar en absolu) de la société Measurement Specialties [165]. En considérant que l’application de 68 kgF engendre 10 mbar dans le tube de 2 mm, il est nécessaire d’appliquer 408 kg pour utiliser la pleine échelle du capteur de 60 mbar, soit une résolution de 100 g (408 kg/212). Une résolution de 100 g en absolu semble être acceptable pour détecter une variation relative de 1kg du poids de la personne sur une surface réduite (talon).

Nous proposons de comparer sur le plan métrologique, en statique, les systèmes de pesée basés sur les capteurs MS4525-1PSI et Flexiforce® afin de choisir la solution la plus adaptée.

117