Titre : Escalier à marches instrumentées à actionneur de levage pour l’assistance à la montée ou à la descente.

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des systèmes à escaliers à marches d’assistance au déplacement d’individus.

La présente invention vise principalement à améliorer les escaliers instrumentés et motorisées selon l’état de l’art, notamment afin d’assister un utilisateur (ayant des pathologies ou non) pour se déplacer d’un étage à un autre avec la prise en compte des caractéristiques de sa démarche ainsi que de son équilibre.

Technique antérieure

Pour l’assistance au déplacement d’un étage à un autre, outre les ascenseurs, on connaît les escaliers mécaniques, appelé aussi escaliers roulants ou escalateurs.

Un escalateur est un transporteur-élévateur adapté au transport de personnes, consistant en un escalier dont les marches mobiles sont entraînées mécaniquement tout en restant en permanence dans un plan horizontal.

Les avantages d'un escalateur par rapport à un ascenseur sont, pour un faible nombre d'étages, l'embarquement direct en évitant les attentes, ainsi qu'un meilleur débit de personnes en cas d'affluence.

Les escalateurs sont des installations lourdes et onéreuses, et sont mis en œuvre systématiquement dans des endroits où le dénivelé est déjà conséquent.

En outre, ils ne sont pas réellement adaptés pour des personnes à mobilité réduite.

Les brevets KR101023523B1 et KR100937044B1 divulguent des systèmes à escaliers à marches motorisées indépendantes instrumentés et motorisés dont la finalité est de faciliter la montée ou la descente de personnes à mobilité réduite (handicapés, enfants. . .). Chacune des marches des escaliers décrits comprend un détecteur de présence par mesure du poids ainsi qu’un actionneur permettant d’élever ou descendre la marche considérée au niveau de la marche adjacente. Les systèmes divulgués ne détectent pas la caractéristique de la marche de l’utilisateur, ni la prise en compte du déséquilibre potentiel provoqué lors de l’élévation des marches. En particulier, les systèmes ne s’adaptent pas à la vitesse de déplacement de l’utilisateur (qu’il soit valide ou non). Un système selon ces brevets est donc utilisable intrinsèquement par une personne valide mais ne s’adapte pas à ses caractéristiques propres. Il existe un besoin pour améliorer encore les systèmes à escaliers à marches d’assistance, plus particulièrement afin qu’ils s’adaptent au mieux à n’importe quel utilisateur, valide ou non, notamment si celui-ci modifie sa démarche au cours de son déplacement.

Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un système d’assistance à la montée ou à la descente, comprenant :

- un escalier comprenant au moins une marche mobile instrumentée, équipée d’au moins un capteur de mesure du centre de pression d’un utilisateur et d’au moins un actionneur de levage adapté pour monter ou descendre la marche selon un degré de liberté à la verticale;

- une unité de calcul reliée au capteur de mesure du centre de pression et à l’ actionneur de levage, l’unité de calcul étant configurée pour calculer au moins la position, la vitesse de déplacement et l’accélération de l’utilisateur à partir du centre de pression mesuré par le capteur et, en fonction des valeurs calculées, commander l’ actionneur de levage.

Par « centre de pression », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le point dynamique caractéristique du contact entre la surface d’une marche de l’escalier et un pied de l’utilisateur.

L’escalier peut comprendre une pluralité de marches mobiles instrumentées, adjacentes les unes avec les autres, l’unité de calcul étant configurée pour commander chaque actionneur de levage indépendamment des autres.

Avantageusement le système comprend en outre au moins deux marches fixes instrumentées chacune d’au moins un capteur de mesure du centre de pression de l’utilisateur, l’une et l’autre des deux marches fixes définissant respectivement l’étage supérieur et inférieur entre lesquels l’escalier est agencé.

Selon une variante de réalisation avantageuse, le capteur de mesure du centre de pression est un capteur de force, dit 6 axes, adapté pour des mesures de force sur 6 axes (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz). Un capteur 6 axes permet la mesure d'un torseur de force complet, à savoir les trois composantes de force (Fx, Fy, Fz) et les trois composantes de moment (Mx, My, Mz) exercées par un pied d’utilisateur sur une marche instrumentée selon l’invention. Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend en outre au moins un capteur de mesure du centre de masse relié à l’unité de calcul, cette dernière étant en outre configurée pour comparer la mesure du centre de masse de l’utilisateur à celle du centre de pression, en déduire un déséquilibre ou non de l’utilisateur et en fonction de cette comparaison commander l’actionneur de levage.

Par « centre de masse », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le point géométrique correspondant à la valeur moyenne de la distribution de masse d’un utilisateur dans l'espace. De préférence, le capteur de mesure du centre de masse est agencé à proximité de l’escalier. Pour la mesure du centre de masse, on peut la réaliser de manière alternative en embarquant des capteurs sur l’utilisateur ou équipement utilisé par ce dernier.

Selon cette alternative, le capteur de mesure du centre de masse est de préférence une ou plusieurs caméras ou dispositifs stéréoscopiques.

Une première solution peut ainsi consister à agencer des marqueurs spécifiques sur différentes parties du corps de l’utilisateur afin de définir des points précis d’un « squelette numérique ». A partir de la position de ces points qui est extraite des flux vidéo des caméras stéréoscopiques, il est possible d’estimer la répartition des masses des membres de l’utilisateur et donc d’estimer le Centre de Masse.

Une deuxième solution consiste à agencer des centrales inertielles sur des points caractéristiques de l’utilisateur, couplé à un « squelette numérique ». L’élément mesuré par ces centrales inertielles est la position de chaque membre par intégration en deux fois des mesures d’accélération.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’unité de calcul intègre un algorithme d’apprentissage adapté pour acquérir les caractéristiques de la démarche d’un utilisateur donné à partir des mesures du capteur de centre de pression, et le cas échéant du capteur de mesure de centre de masse, reconnaître ce dernier et adapter le pilotage de chaque actionneur de levage en fonction de la reconnaissance effectuée.

Ainsi, l’invention concerne essentiellement en un système comprenant un escalier à marche(s) instrumentée(s) pour mesurer le centre de pression et de préférence le centre de masse d’un utilisateur dont les informations sont centralisées au sein d’une unité de calcul, qui, à partir des signaux de mesure, pilote des actionneurs de levage présents sur chaque marche de l’escalier sur la base de son algorithme embarqué. La prise en compte des dérivées de la position du centre de pression permet d’assurer l’adaptation de la vitesse d’élévation des marches pour s’adapter à l’utilisateur, notamment si celui-ci modifie sa démarche au cours du déplacement.

La commande de chaque actionneur est effectuée en fonction de la position de l’utilisateur dans l’escalier, de sa vitesse de déplacement déduites du centre de pression mesuré et de préférence du déséquilibre potentiel à l’aide de la mesure de centre de masse.

Le pilotage très précis des actionneurs de levage, asservi à la connaissance du centre de pression et de préférence du centre de masse, permet soit d’aider les personnes à mobilité réduite à emprunter les escaliers soit d’assurer une sensation de marche sur un sol sans dénivelé pour les personnes valides sans déséquilibre.

Avec un système selon l’invention, la hauteur à laquelle un utilisateur doit lever ses jambes pour passer d’un étage inférieur à un étage supérieur est fortement réduite typiquement comprise entre 0 et 25 cm, tout en assurant la vitesse de marche, typiquement entre 0 et 2 m/s suivant l’horizontale, de l’utilisateur.

L’invention a également pour objet l’utilisation du système d’assistance décrit précédemment, pour détecter une chute d’utilisateur et en réponse à la détection, transmettre un message d’alerte à un serveur à distance connecté au système.

Pour effectuer la détection d’une chute, l’unité de calcul est avantageusement adaptée pour l’analyse des trajectoires du Centre de Pression et la détection d’un double appui prolongé sur deux marches distinctes ou sur une seule marche, c’est-à-dire un appui dont la durée est supérieure à une durée prédéfinie.

L’invention a également pour objet l’utilisation du système d’assistance décrit précédemment, pour détecter une phase unipodale suivie d’une phase bipodale, correspondantes à une chute potentielle d’un utilisateur par trébuchement et en réponse à la détection, figer les marches de l’escalier ou à tout le moins en réduire leur vitesse de levage. L’invention a également pour objet l’utilisation du système d’assistance décrit précédemment, pour détecter la dégradation d’une démarche d’utilisateur.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.

Brève description des dessins

[Fig 1] la figure 1 est un synoptique d’un système à escalier instrumenté selon l’invention. [Fig 2] la figure 2 est une vue schématique d’un exemple d’escalier instrumenté à actionneur de levage conforme à l’invention.

[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’une marche instrumentée selon l’invention intégrant capteur de force ôaxes et un vérin électrique en tant qu’ actionneur de levage.

[Fig 4A] la figure 4A est une vue schématique illustrant une première étape à la montée d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 4B] la figure 4B est une vue schématique illustrant la deuxième étape à la montée d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 4C] la figure 4C est une vue schématique illustrant la troisième étape à la montée d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 4D] la figure 4D est une vue schématique illustrant la quatrième étape à la montée d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 5A] la figure 5A est une vue schématique illustrant une première étape à la descente d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 5B] la figure 5B est une vue schématique illustrant la deuxième étape à la descente d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 5 C] la figure 5C est une vue schématique illustrant la troisième étape à la descente d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 5D] la figure 5D est une vue schématique illustrant la quatrième étape à la descente d’un utilisateur entre deux marches instrumentées adjacentes assistée par un système selon l’invention.

[Fig 6] la figure 6 est une vue schématique illustrant une première situation dans laquelle un utilisateur risque une chute par trébuchement suite à une collision avec un obstacle, le système selon l’invention étant adapté pour détecter et répondre à cette première situation. [Fig 7] la figure 7 est une vue schématique illustrant une deuxième situation dans laquelle un utilisateur risque une chute par trébuchement suite à une collision avec un obstacle, le système selon l’invention étant adapté pour détecter et répondre à cette deuxième situation.

Description détaillée

Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « bas », « haut », «dessous », « dessus», « inférieur» et «supérieur» sont à comprendre par référence par rapport à l’agencement d’un escalier selon l’invention entre deux étages.

On a illustré à la figure 1, le synoptique d’un système d’assistance 1 à la montée ou à la descente selon l’invention.

Le système 1 comprend tout d’abord un escalier 10 à marches mobiles chacune entre une position extrême basse et une position extrême haute. Le déplacement de chaque marche est assuré par un actionneur de levage intégré dans la marche comme détaillé ci-après.

Le système comprend également une instrumentation 20 adaptée pour mesurer la position du centre de pression de l’utilisateur et toutes ses dérivées, sur chaque marche de l’escalier et une instrumentation 30 adaptée pour mesurer le centre de masse de l’utilisateur (et toutes ses dérivées).

Une unité de calcul 40, va adapter la commande de chaque actionneur de levage des marches en fonction de la position de l’utilisateur dans l’escalier, de sa vitesse de déplacement déduites du centre de pression mesuré et du déséquilibre potentiel à l’aide de la mesure de centre de masse.

L’unité de calcul 40 peut en outre s’assurer lors de la présence d’un utilisateur dans l’escalier 10 qu’il a un bon équilibre par rapport à un historique de données et/ou une base de données préconstituées.

L’algorithme embarqué par l’unité de calcul 40, de préférence généré par apprentissage, peut ainsi vérifier que la relation centre de pression/centre de masse assure l’équilibre de l’utilisateur. En cas de déséquilibre constaté, le système 1 permet de détecter la chute de l’utilisateur.

Un exemple d’escalier 10 est représenté schématiquement en figure 2. L’escalier est ici constitué de trois marches instrumentées Ml, M2, M3 qui sont adjacentes et sont montées mobiles selon une course symbolisée en pointillés sur la figure 2, entre une position extrême basse et une position extrême haute. Pour réaliser le déplacement de chaque marche Ml à M3, celles-ci intègrent un actionneur de levage 11. Ainsi un actionneur de levage l i a pour fonction d’élever une marche Ml à M3 suivant la verticale selon une course qui lui permet de se positionner au même niveau qu’une marche adjacente.

Par ailleurs, chacune des marches Ml à M3 est équipée d’un capteur de force 6 axes, référencé 20, permettant de remonter à la position du centre de pression d’un utilisateur sur chaque marche, comme détaillé ci-après.

Typiquement, le giron des marches Ml à M3 est compris entre 20 et 30cm.

Les marches en amont Mi et en aval Ms de l’escalier 10 qui définissent respectivement l’étage inférieur et l’étage supérieur sont fixes mais également instrumentées chacune au moyen d’un capteur de force 6 axes. Ces deux marches Mi, Ms ont pour fonction de mesurer la démarche de l’utilisateur, afin de prédire son déplacement soit à la montée soit à la descente dans l’escalier 10. Autrement dit, lors de l’approche d’un utilisateur, en amont ou en aval de l’escalier 10, les capteurs de mesure 20, 30 enregistrent les caractéristiques du centre de pression et de masse, par exemple les positions, vitesses, historique, accélérations dans l’espace, afin d’initier le déplacement piloté des marches Ml à M3.

Un exemple de marche Ml instrumentée et motorisée conforme à l’invention est illustré à la figure 3.

L’actionneur de levage est ici un vérin électrique 11 agencé avec son support 12 entre une base 13 et une plaque d’interface 14. Le vérin 11 et son support 12 sont fixés à la base 13 et la tige du vérin 11 est fixée à la plaque de liaison 14 qui assure le déplacement vertical de la marche.

Le capteur 20 de force 6 axes est agencé entre une plaque d’interface 15 avec l’utilisateur et la plaque de liaison 14.

A titre d’exemple, un vérin électrique 11 peut avoir une vitesse de déplacement verticale maximale de Im/s pour une charge de 100kg.

Comme symbolisé sur cette figure 3, le capteur 20 permet de mesurer les forces selon les axes X, Y, Z et les moments autour de chacun de ces axes. Les déformations considérées selon chacun de ces axes sont également symbolisées respectivement Ix, ly, Iz.

On détaille maintenant la détermination du centre de pression sur une marche par un capteur 20 de force 6 axes.

Une marche Ml à M3 est considérée rigide, c’est-à-dire qu’elle subit une déformation négligeable sous effort, soit Iz constant. L’effort de l’utilisateur sur la plaque d’interface 15 est une résultante pure, c’est-à-dire pas de moment au centre de pression. Par la suite, on note en conséquence Lext=Mext=Next=0. La somme des torseurs sur une marche donnée Ml, M2 ou M3 peut s’écrire, d’après le principe fondamental de la dynamique appliquée à une marche :

‘D(marche/0')G _marche = {T (Poids /marche}G _marche + {T (Ext /marche}M + {T (capteur /marche}P dans laquelle :

T)(marche /(F)G _marche : Torseur dynamique de la marche par rapport au repère fixe 0 au point Gmarche,

{T (Poids /marche} G _marche : Torseur statique du poids sur la marche au point Gmarche, {T (Ext /marche}M : Torseur statique des efforts de l’utilisateur sur la marche au point M, {T (capteur /marche}P : Torseur statique des efforts du capteur sur la marche au point P.

On réduit l’ensemble des équations en un même point P, lieu de la mesure par le capteur 20 de force à 6 axes.

Avec PM = lx x + ly y + Iz z, le centre de pression est obtenu par les paramètres lx et ly, le paramètre Iz étant considéré par conception comme constant et connu, comme mentionné ci-dessus (hypothèse d’une marche rigide).

Les différents torseurs s’écrivent avec mmarche la masse de la marche et les points Gmarche et P alignés selon l’axe vertical y. soit la translation de la marche suivant f axe vertical y.

On obtient ainsi les équations suivantes :

A partir des équations (1), (2) et (3), on peut obtenir les efforts Fx, Fy et Fz de l’utilisateur, sur une marche, sachant que les autres valeurs sont connues (mmarche, la pesanteur g, l’accélération suivant l’axe y) ou mesurables. En particulier, la valeur de l’accélération de la marche correspond à l’accélération appliquée par le vérin électrique 11, valeur connue car imposée lors de la commande de l’actionneur.

Le système d’équations (4), (5) et (6) permettent de déterminer les valeurs Ix et ly puisque Iz est considéré comme constant et les moments créés par l’utilisateur sont considérés négligeables (Lext, Mext et Next égaux à 0).

Au final, on a donc un nombre de trois équations pour deux inconnues, la dernière équation permet de vérifier que la valeur de Iz est bien la constante sélectionnée.

Le module d’acquisition de l’unité de calcul 40 fait l’historique de cette mesure de Ix et ly. L’unité de calcul 40 peut ainsi enregistrer la distance parcourue, par une intégration du signal du déplacement, déterminer la vitesse de déplacement (l ^ere dérivée), déterminer l’accélération de déplacement (2 ^nd dérivée).

A proximité de l’escalier, une caméra ou un dispositif stéréoscopique est agencé et peut ainsi estimer la position du centre de masse de l’utilisateur.

Les figures 4 A à 4D illustrent le fonctionnement d’un système 1 selon l’invention dans un cas d’une montée d’escalier 10 par un utilisateur.

La présence de l’utilisateur est initialement détectée sur une marche inférieure Ml (figure 4A).

Lorsque l’utilisateur place son pied sur cette marche Ml et amorce sa montée, l’actionneur 11 élève cette marche Ml et l’actionneur 11 de la marche supérieure adjacente M2 descend celle-ci au même niveau (figures 4B, 4C).

Une fois que l’utilisateur a transféré son centre de pression à la marche M2, l’opération est réitérée avec les marches suivantes M2, M3 jusqu’à l’atteinte de l’étage supérieur Ms (figure 4D). La marche Ml non sollicitée est ramenée à sa position initiale. Les figures 5 A à 5D illustrent le fonctionnement d’un système 1 selon l’invention dans un cas d’une descente d’escalier 10 par un utilisateur.

La présence de l’utilisateur est initialement détectée sur une marche supérieure M3 (figure 5A).

Lorsque l’utilisateur place son pied sur cette marche M3 et amorce descente, l’actionneur 11 descend cette marche M3 et l’actionneur 11 de la marche inférieure adjacente M2 élève celle-ci au même niveau (figures 5B, 5C).

Une fois que l’utilisateur a transféré son centre de pression à la marche M2, l’opération est réitérée avec les marches suivantes M2, Ml jusqu’à l’atteinte de l’étage inférieur Mi (figure 4D). La marche M3 non sollicitée est redescendue à sa position extrême basse.

Avec le système selon l’invention, il est possible de réaliser la détection des situations de chutes potentielles d’un utilisateur par trébuchement et d’y apporter une réponse de manière active.

Cette détection peut se faire à partir de la reconnaissance de deux stratégies de reprise de l’équilibre, qui se caractérise par des pas protectifs de l’utilisateur.

Ainsi, lors d’un trébuchement, qui est une situation où il y a un contact d’un pied de l’utilisateur en vol avec un obstacle, l’utilisateur peut adopter une première stratégie dite «d’élévation ». Dans cette situation, le pied, entré en contact avec l’obstacle, va effectuer une phase d’envol, afin de contourner l’obstacle. Suite à cette stratégie, l’utilisateur retrouve une phase d’appui bipodal sur une même marche.

La seconde stratégie est dite « basse ». Lors de la collision entre le pied d’envol et l’obstacle, l’utilisateur ramène son pied d’envol au sol, afin de retrouver une phase d’appui bipodal.

Avec le système selon l’invention et à partir de la mesure du centre de pression, il est possible de distinguer les phases d’appui unipodal (sur un seul pied) et bipodal (sur les deux pieds). Cela est réalisé par la localisation du centre de pression par rapport au plan sagittal de l’utilisateur, et la mesure de la vitesse de déplacement du centre de pression.

Lors de la détection d’une phase d’appui unipodal puis bipodal sur une même marche, il est possible de détecter la stratégie basse de pas protectif et donc de déséquilibre potentiel. Cette situation est montrée en figure 6.

Lors de la détection d’une phase unipodal puis bipodal sur deux marches successives, il est possible de détecter la stratégie d’élévation. Cette situation est montrée en figure 7. Suite à l’une ou l’autre des détections, le système peut figer le mécanisme, c’est-à-dire ne pas générer de levage des marches d’escalier, afin de ne pas perturber l’utilisateur ou bien de diminuer fortement, par exemple avec un facteur 10, les vitesses de déplacement des marches d’escalier. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention. Par exemple, si dans l’exemple illustré, l’escalier 10 comprend trois marches instrumentées et motorisées au moyen d’un actionneur de levage, on peut envisager n’importe quel nombre de marches à partir d’une seule marche instrumentée et motorisée.