L'invention concerne une articulation de membre inférieur pour la locomotion bipède, en particulier pour un robot ou pour servir d' orthèse à un patient.

Actuellement, la locomotion bipède, réalisée en particulier par des robots de type humanoïde, est restreinte à des surfaces quasi planes ne présentant pratiquement aucun obstacle au déplacement. Cela vient notamment du fait que les articulations du genou et de la cheville des membres inférieurs de tels robots sont conçues autour d'une liaison pivot unique. Par exemple, les robots « ASIMO » et « HRP- 4 » intègrent des réducteurs harmoniques pour minimiser le jeu de fonctionnement. Cela implique, au surplus, que ces articulations ne sont pas réversibles et ne peuvent être mises en mouvement par la gravité que de manière indirecte.

La locomotion de ce type de robots est dépourvue de phase de blocage, par exemple de l'articulation du genou, de par, entre autres, la nature des primitives motrices utilisées excluant toutes singularités. De ce fait, il en résulte que la jambe en appui est constamment fléchie, impliquant un couple moteur très élevé dans la motorisation de 1' articulation.

Dans le cas des robots de type passifs et s emi -pa s s i f s , ils intègrent des articulations de genou et de cheville conçues autour de liaisons pivots uniques. Toutefois, ces robots intègrent, dans leur primitives de marche, une phase « genou bloqué ». Mais les robots purement passifs ne peuvent se déplacer que sur un plan incliné exempt de toutes irrégularités. Les robots semi passifs, quant à eux, se basent sur une motorisation pour effectuer un changement d'appui et sont, de fait, très sensibles aux irrégularités de l'environnement.

Dans l'application aux orthèses, les exosquelettes permettant de compenser les faiblesses musculaires de certains patients et dont les articulations sont basées sur les principes précédents de la liaison pivot unique, sont des équipements encombrants, limités en autonomie énergétique et topographique. Au surplus, ces exosquelettes sont chers.

Un but de l'invention est de fournir une articulation de membre inférieur pour la locomotion bipède qui soit simple, peu encombrante et efficace quelle que soit la surface de marche.

A cette fin, il est prévu, selon l'invention, une articulation de membre inférieur pour une locomotion bipède comportant un premier élément, un deuxième élément et des moyens d'articulation des premier et deuxième éléments l'un par rapport à l'autre, les moyens d'articulation comprenant un mécanisme d'articulation comportant des premier et deuxième moyens de liaison montés en série, ainsi que des moyens de guidage et de blocage en position de l'un des premier et deuxième éléments par rapport à l'autre des premier et deuxième éléments lorsque le membre inférieur passe en appui sur une surface, les moyens de blocage en position comportant un puits de potentiel. Avantageusement, mais facultativement, l'articulation selon l'invention présente au moins l'une des caractéristiques techniques additionnelles suivantes :

- les premier et deuxième moyens de liaison sont des moyens de liaison pivot, d'axe de pivotement orthogonal à un plan sagittal du membre inférieur, montés à distance l'un de l'autre ;

- le premier moyen de liaison est un moyen de liaison pivot, d'axe de pivotement orthogonal à un plan sagittal du membre inférieur, et le deuxième moyen de liaison est un moyen de liaison glissière selon une direction parallèle au plan sagittal du membre inférieur ;

- l'un des premier et deuxième moyens d'articulation comporte un système de limitation d'un débattement ;

- l'autre des premier et deuxième moyens de liaison comporte un système de limitation d'un débattement ;

- les moyens de guidage et de blocage comprennent un moyen formant un berceau solidaire de l'une des premier et deuxième éléments et agencé de sorte à coopérer avec une extrémité libre de l'autre des premier et deuxième éléments ;

- les moyens de guidage et de blocage comportent une came située sur l'extrémité libre de l'autre des premier et deuxième éléments et agencée de sorte à venir en appui contre une surface du berceau ;

- la came comprend un galet monté libre en rotation sur l'extrémité libre de l'autre des premier et deuxième éléments ; - le moyen formant berceau comporte une ouverture de forme globalement en « V » ou en « U » dans un plan sagittal du membre inférieur ; et

- l'articulation est une articulation de genou ou de cheville.

Il est aussi prévu, selon l'invention, une orthèse de membre inférieur comportant au moins une articulation de membre inférieur présentant au moins l'une des caractéristiques précédentes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description ci- après d'un mode de réalisation préféré selon l'invention. Aux dessins annexés :

- les figures la et lb sont des schémas de principe d'un premier mode de réalisation de l'articulation de membre inférieur selon l'invention;

- la figure 2 est une vue tridimensionnelle partielle d'une première application, au genou, du mode de réalisation de l'invention des figures la et lb;

- la figure 3 est une vue tridimensionnelle partielle d'une deuxième application, à la cheville, du mode de réalisation de l'invention des figures la et lb;

- la figure 4 est une vue tridimensionnelle partielle d'un membre inférieur équipé des articulations des figures 2 et 3;

- les figures 5a et 5b sont des schémas de principe d'un deuxième mode de réalisation de l'articulation de membre inférieur selon l'invention; - La figure 6 est une vue tridimensionnelle partielle d'une application du mode de réalisation de l'invention des figures 5a et 5b; et,

- les figures 7a à d sont des schémas illustrant un cycle de marche bipède avec des articulations de membre inférieur selon l'invention.

En référence aux figures la et lb, nous allons décrire un premier mode de réalisation d'une articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. En particulier, nous allons décrire le principe de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. L'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention comporte un premier élément 2, qui peut être, dans le cadre d'un membre inférieur, l'équivalent du fémur ou du pied, ainsi qu'un deuxième élément 3, qui peut être, dans le cas d'un membre inférieur, l'équivalent du tibia/péroné. De plus, l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention comporte des moyens d'articulation 4, 5, 6, 7, 8 de ces premier 2 et deuxième 3 éléments l'un par rapport à l'autre.

Les moyens d'articulation 4, 5, 6, 7, 8 comprennent un mécanisme d'articulation 6, 7, 8. Le mécanisme d'articulation 6, 7, 8 comporte un premier moyen de liaison 7 et un deuxième moyen de liaison 8. Le premier moyen de liaison 7 est ici un moyen de liaison pivot dont un axe de pivotement est orthogonal à un plan sagittal du membre inférieur comportant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. Le premier moyen de liaison 7 pivot est positionné entre un bras 22 du premier élément 2, le bras 22 s' étendant dans le plan sagittal depuis une extrémité 21 de l'élément 2 et en arrière, ici, de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention, et une extrémité d'une biellette 6. Le deuxième moyen de liaison 8 est ici un moyen de liaison pivot dont un axe de pivotement est orthogonal à un plan sagittal du membre inférieur comportant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. Le deuxième moyen de liaison 8 pivot est positionné, quant à lui, entre une autre extrémité de la biellette 6 et l'élément 3, au niveau d'une extrémité 31 de cet élément 3. Ainsi les premier 7 et deuxième 8 moyens de liaison pivot sont montés en série l'un par rapport à l'autre, et à distance l'un de l'autre, leurs axes de pivotement étant parallèles l'un par rapport à l'autre. Cela permet de réaliser un mécanisme d'articulation qui présente deux degrés de liberté.

D'autre part, les moyens d'articulation 4,5,6,7,8, comprennent des moyens de guidage et de blocage 4,5 de l'un 2 des premier 2 et deuxième 3 éléments par rapport à l'autre 3, des premier 2 et deuxième 3 éléments lorsque le membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention passe en appui sur une surface de marche, comme cela sera expliqué ultérieurement. Les moyens de guidage et de blocage 4,5 comportent un moyen formant berceau 5. Ce moyen formant berceau 5 est ici solidaire de l'extrémité 21 du premier élément 2. Il comprend une ouverture de forme globalement en « V » ou en « U », ici retournée sur les figures la et lb. L'ouverture est dans le plan sagittal du membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. Ladite ouverture comporte une surface interne 51 de guidage qui comprend une portion 52 formant un fond. Le moyen formant berceau 5 est agencé de sorte à coopérer avec l'extrémité 31 du deuxième élément 3. L'extrémité 31 est libre. Les moyens de guidage et de blocage 4,5 comprennent une came 4 positionnée sur l'extrémité 31 du deuxième élément 3. En fonctionnement, cette came 4 est destinée à venir en appui sur la surface de interne 51 de guidage du moyen formant berceau 5 et de glisser le long de cette surface vers la portion formant fond 52. Afin de réduire au maximum les frottements, la came 4 comporte un galet monté libre à rotation sur l'extrémité 31 du deuxième élément 3. Le galet peut être un roulement à billes, par exemple.

Nous allons brièvement décrire un fonctionnement de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. Sur la figure la, est illustrée une situation où le membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention n'est pas en appui sur une surface de marche. Le deuxième élément 3 est alors libre et son extrémité 31 n'est pas nécessairement en contact avec la surface interne de guidage 51 du moyen formant berceau 5, en particulier avec une portion de la surface interne de guidage 51 située sur une des branches de la forme globalement en « V » ou en « U » de l'ouverture. Toutefois, le moyen formant berceau 5 peut être agencé de sorte à limiter une amplitude d'un mouvement dans cette situation.

Sur la figure lb est illustrée une situation où le membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention passe en appui sur la surface de marche. Dans cette situation, le poids du corps qui est transmis par le premier élément 2 de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention provoque un contact entre l'extrémité 31 du deuxième élément 3, via la came 4, et la surface interne de guidage 51 du moyen formant berceau 5. Par conséquent, la surface interne de guidage 51 tient lieu de guide pour l'extrémité 31 du deuxième élément 3 et l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention se tend, mue par la force exercée par le poids du corps sous l'effet de la gravité. Cela conduit l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention dans une position dite de blocage déterminée par la forme de l'ouverture du moyen formant berceau 5 : la came 4 glisse le long de la surface interne de guidage 51 jusqu'à atteindre la portion formant fond 52 de cette surface. Cette portion formant fond 52 correspond à un puits de potentiel pour l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. De manière plus formelle, le contact entre la came 4 et la surface interne de guidage 51 du moyen formant berceau permet la transmission d'une force due à la gravité selon une direction orthogonale à une tangente à la surface interne de guidage 51, au niveau du point de contact avec la came 4. C'est cette force ainsi générée qui conduit l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention en position de blocage telle qu'illustrée sur la figure lb.

Ainsi, la seule force induite par la gravité suffit à amener l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention d'une position fléchie (figure la) à une position de blocage (figure lb) . En conséquence, ce changement de position induit un déplacement horizontal dans le sens de la marche (donc vers l'avant) d'une extrémité, opposée à l'extrémité 21, dite haute du premier élément 2. De plus, dans une certaine mesure, la position de blocage de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention, assurée par le positionnement de la came 4 contre la portion formant fond 52 du moyen formant berceau 5, s'opère de manière indépendante d'une amplitude initiale d'un fléchissement du membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention. Ainsi, l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention fonctionne quelles que soient les irrégularités de la surface de marche. La force due à la gravité selon une direction orthogonale à une tangente à la surface interne de guidage 51, au niveau du point de contact avec la came 4, agit comme un contrôleur vis-à-vis d'éventuelles perturbations extérieures à la marche.

Lorsque le membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention quitte la position d'appui sur la surface de marche, les deux moyens de liaison pivot 7,8, libres, relâchent l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention qui passe dans une configuration similaire celle illustrée à la figure la.

Nous allons brièvement décrire une première application de ce premier mode de réalisation d'une articulation de membre inférieur 1 selon l'invention qui vient d'être décrit. A la figure 2, est illustrée une articulation de genou 10 selon l'invention. Le premier élément 12 correspond au fémur et le deuxième élément 13 au tibia/péroné. L'extrémité 121 du fémur 12 comporte de manière solidaire le berceau 15 comprenant une ouverture présentant une surface interne de guidage 151 et une portion formant fond 152. Le tibia/péroné comporte une extrémité libre 131 sur la quelle est monté libre à rotation un galet/came 14. Le mécanisme d'articulation de l'articulation de genou 10 selon l'invention comporte les deux moyens de liaison pivot 17 et 18 similaires aux moyens de liaison pivot 7 et 8 précédents. Le premier moyen de liaison pivot 17 est entre un bras 122 du fémur 12, le bras 122 s' étendant dans le plan sagittal depuis l'extrémité 121 du fémur 12 et en arrière, ici, de l'articulation de genou 10 selon l'invention, et une extrémité d'une biellette 16. Le deuxième moyen de liaison pivot 18 est positionné, quant à lui, entre une autre extrémité de la biellette 16 et le tibia/péroné 13, au niveau de l'extrémité 131.

Le fonctionnement est identique à ce qui a été expliqué précédemment.

Afin de limiter un débattement des moyens de liaison

18, l'articulation de genou 10 selon l'invention comporte un système de limitation d'un débattement 20. Ici, le système de limitation d'un débattement 20 se présente sous la forme d'une barrette comprenant une lumière oblongue 23 sur une première partie. La barrette est montée à pivotement 21 sur le tibia/péroné 13 (pour le moyen de liaison pivot 18) et/ou sur le bras 122 (pour le moyen de liaison pivot 17) . La barrette est montée, sur l'autre partie des moyens de liaison pivot 17,18, à coulissement le long de la lumière oblong 23, via un pion 22 coulissant dans cette lumière oblong 23. Le pion 23 est positionné ici sur la biellette 116, dans les deux cas. De plus, le système de limitation d'un débattement comporte des moyens de réglage 24,25 d'une course du pion 22 dans la lumière oblongue 23. Ici, les moyens de réglage 24, 25 se présentent sous la forme de vis pointeau .

Sur la figure 3, est illustrée une deuxième application du premier mode de réalisation d'une articulation de membre inférieur 1 selon l'invention précédemment décrit. Il s'agit, ici, d'une articulation de cheville 30 selon l'invention. Le premier élément 32 correspond au pied, alors que le deuxième élément 13 est toujours le tibia/péroné. Le pied 32 comprend une extrémité 321 comprenant le moyen formant berceau 35 comportant la surface interne de guidage 351 similaire aux surfaces interne de guidage 51 et 151 précédemment décrites. Une deuxième extrémité 132 du tibia/péroné 13 comporte un(e) galet/came 34 monté (e) libre à rotation qui coopère avec le moyen formant berceau 35. Le mécanisme d'articulation comprend deux moyens de liaison pivot 37,38 séparés par une biellette 36 et qui est similaire aux mécanismes d'articulation 6,7,8 et 16,17,18 précédents. Il est monté entre un bras 322 du pied 32 et l'extrémité 132 du tibia/péroné 13. D'autre part, l'articulation de cheville 30 selon l'invention comporte, ici, un seul système de limitation d'un débattement 20 associé au moyen de liaison pivot 37.

De nouveau, le fonctionnement est identique à ce qui a été expliqué précédemment.

En figure 4, est illustré un membre inférieur équipé d'une articulation de genou 10 selon l'invention et d'une articulation de cheville 30 selon l'invention.

Maintenant, en référence aux figures 5a et 5b, nous allons décrire un deuxième mode de réalisation d'une articulation de membre inférieur 100 selon l'invention. En particulier, nous allons décrire le principe de l'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention. L'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention se différencie de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention précédemment décrite par son mécanisme d'articulation 9,91. Nous n'allons décrire que celui-ci. Le mécanisme d'articulation 9,91, comporte un premier moyen de liaison 91 et un deuxième moyen de liaison 9. Le premier moyen de liaison 91 est un moyen de liaison pivot d'axe de pivotement orthogonal au plan sagittal du membre inférieur comportant l'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention. Le premier moyen de liaison 91 pivot est entre l'extrémité 31 du deuxième élément 3 et une extrémité d'un corps de glissière 99. Le deuxième moyen de liaison 9 est un moyen de liaison glissière selon une direction parallèle au plan sagittal du membre inférieur comprenant l'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention. Le deuxième moyen de liaison 9 glissière est entre l'extrémité 21 du premier élément 2 et le corps de glissière 99 : l'extrémité 21 peut coulisser à translation dans le corps de glissière 99. De nouveau, les premier 91 et deuxième 9 moyens de liaison sont montés en série l'un par rapport à l'autre. Le fonctionnement de l'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention est identique à celui de l'articulation de membre inférieur 1 selon l'invention du premier mode de réalisation précédemment décrit.

A la figure 6, est illustrée une application du mécanisme d'articulation 9,91 de l'articulation de membre inférieur 100 selon l'invention. Le corps de glissière 99 comporte deux flancs 92,93 s'étendant l'un en regard de l'autre à distance l'une de l'autre. A une extrémité libre, inférieure sur la figure, les flancs 92,93 comportent le premier moyen de liaison pivot 91 avec le deuxième élément 3. Sur une partie supérieure sur la figure, le corps de glissière 99 comporte deux entretoises 94,95 s'étendant en regard l'une de l'autre et à distance l'une de l'autre. Ces entretoises 94,95 sont fixées sur les côtés des flancs 92,93 et déterminent avec ceux-ci un volume dans lequel sont positionnées des coussinets 96 qui entourent alors une tige de coulissement du premier élément 2. Cette tige porte l'extrémité 21 sur laquelle est fixé le moyen formant berceau 5 non représenté sur la figure 6. Ces coussinets 96 sont agencés de sorte à permettre un coulissement de la tige dans le corps de glissière selon une direction longitudinal de cette tige. Cela réalise le deuxième moyen de liaison 9 glissière. L'extrémité 21 peut alors se déplacer en translation entre les flancs 92,93 en regard de leurs parties inférieures sur la figure. Cette structure permet d'intégrer de manière un système de limitation d'un débattement du deuxième moyen de liaison 9 glissière : le débattement est limité vers le haut sur la figure par la venue en appui de l'extrémité 21 portant le moyen formant berceau 5 sur les entretoises 94, 95 et vers le bas par le contact entre le moyen formant berceau 5 et le (la) galet/came 4 du deuxième élément 3. Maintenant, en référence aux figures 7a à d, nous allons brièvement décrire un cycle de marche bipède mettant en œuvre des articulations de membre inférieur selon 1 ' invention .

En phase 1 (figure 7a), l'appui du corps est transféré du membre inférieur arrière (en traits pointillés) vers le membre inférieur avant (en traits pleins) . C'est durant cette phase que de l'énergie est apporté au système par une poussée sur la cheville arrière 30' . Notons que chez l'Homme, cette poussée est assurée par le muscle du mollet, en appui sur les orteils. Durant cette phase, la cheville avant 30 est posée au sol S et son articulation 30 selon l'invention est en phase de blocage comme décrit précédemment .

En phase 2 (figure 7b) , la poussée de la cheville 30' s'arrête et le membre inférieur arrière n'est plus en appui. Ses articulations du genou 10' et de la cheville 30' se libèrent (situation alors similaire à celle des figures la et 4a selon le mode de réalisation des articulations 10' et 30' selon l'invention) et le membre inférieur arrière prend une position fléchie, mû par exemple par des ressorts de rappel qui peuvent être prévus à cet effet au niveau des premier et deuxième moyens de liaison du mécanisme d'articulation des articulations 10' et 30' selon l'invention. En variante, ce dernier mouvement peut également être produit par des moteurs. Notons que dans ce cas, les moteurs en question ne bougent alors que le membre inférieur qui n'est pas en appui et, par conséquent, ne nécessitent qu'un couple faible et une taille réduite.

En parallèle, le membre inférieur avant continue son processus de blocage en verrouillant son articulation de genou 10, et ce, sans utiliser de force motrice autre que celle due par la gravité agissant sur le corps.

En phase 3 (figure 7c) , le membre inférieur arrière suit un mouvement de pendule l'amenant à passer à l'avant. Tout le poids du corps est assumé par le membre inférieur « verrouillé » en position droite (articulation du genou 10 bloqué ainsi que celle de la cheville 30) .

En phase 4 (figure 7d) , le membre inférieur d'appui (traits pleins) se trouve déséquilibré vers l'avant, roulant sur l'extrémité du pied 32, sous l'action du mouvement et de l'inertie du corps. Le pied 32' de l'autre membre inférieur (traits pointillés) se pose sur le sol S. Notons que le choc issu de ce contact n'est transmis que dans une moindre mesure au reste du corps du fait du caractère libre des articulations de la cheville 30' et du genou 10' . Le cycle recommence alors en phase 1.

Bien entendu, il est possible d'apporter à l'invention de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de celle-ci.