Brevet FR2027160A1 — publié le 19700925

La présente invention se rapporte d'une façon générale à des servo-dispositifs pour contrebalancer ou compenser des forces s'exerçant sur des organes et elle a trait plus particulièrement à un servo-dispositif permettant un mouvement d'un élément 5 dans un système sans qu'il soit entravé par des forces agissant sur le système. De tels servo-dispositifs sont Utilisables dans des véhicules tels que des avions ou des centrifugeuses pour contrebalancer les forces d'accélération auxquelles sont soumis les 10 membres d'un opérateur. Auparavant, on a proposé d'utiliser des contrepoids associés à un harnais -pour les membres de l'opérateur pour contrebalancer les forces d'accélération auxquelles ils sont soumis. Une telle disposition augmente l'inertie du système et elle fait en outre intervenir intrinsèquement des couples de 15 frottement. En conséquence, non seulement il faut une force considérable pour déplacer le dispositif de compensation mais ce dispositif devient également encombrant lorsqu'il doit servir à retenir l'ensemble du corps d'un opérateur. En outre, un tel dispositif est à action lente à cause du moment d'inertie du contrepoids. 20 II est par conséquent nécessaire de mettre au point, pour les applications mentionnées plus haut, un dispositif de retenue qui permette à un opérateur de déplacer ses membres avec le minimum de contrainte, c'est-à-dire un dispositif qui annule l'effet du champ d'accélération d'un véhicule. En même temps, le disposi-25 tif doit permettre à l'opérateur dé déplacer ses membres relativement sans effort. En conséquence, l'invention a pour but principal de fournir un dispositif qui soit d'une construction simple et d'un encombrement réduit et qui permette le positionnement d'une mas-30 se telle qu'un bras d'un opérateur dans un système soumis à une accélération en vue de rendre cette masse pratiquement indépendante des forces d'accélération du système tout en permettant un mouvement de la masse relativement sans entrave par rapport au système. 35 L'invention a également pour but de fournir un servo- dispositif du type défini plus haut qui présente les avantages suivants : (a) Il peut en outre réagir à de petites forces exercées sur une charge. 4-0 (b) Il est d'un poids léger et ne nécessite pas l'utilisation de 69 45T39 2 2027160 contrepoids. (c) Il a une grande rapidité de réponse et une haute sensibilité. (d) Il présente une grande souplesse de fonctionnement de façon à permettre l'utilisation de dispositifs de sécurité dans le cas 5 où il se produit une interruption de fourniture d'énergie au système. . L'invention a également pour but de fournir un dispo sitif de compensation permettant de contrebalancer des poids et des forces et qui ne nécessite pas de poids pour son fonctionne-10 ment. L'invention a également pour but de fournir un dispositif d'entraînement de charges qui réagit à de petites forces appliquées à la charge. Suivant un mode de réalisation de l'invention, il 15 est prévu un bras de levier pouvant pivoter autour d'un point. Un dispositif d'actionnement est prévu pour faire tourner le bras de levier autour dudit point. Des jauges extensométriques placées sur le bras de levier produisent un signal correspondant à la grandeur et à la direction de la déformation en réponse à l'ac-20 célération à laquelle est soumis le bras de levier. Il est prévu un accéléromètre pour détecter l'accélération du point de pivotement et pour produire un second signal correspondant à la grandeur et à la direction de cette accélération. Il est prévu des moyens agissant en réponse au premier signal pour fournir une 25 énergie d'entraînement à l'organe d'actionnement dans un sens tel qu'elle assiste la force d'entraînement du bras de levier, et agissant également en réponse au second signal pour fournir une énergie d'entraînement de l'organe d'actionnement dans un sens opposé à la force produisant l'accélération du point de pi-3(3 votement. On a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés un mode de réalisation de l'invention, des-, sins dans lesquels : . - La figure 1 est une vue en plan d'un servo-dispositif de 35 .compensation.de forces suivant l'invention, montrant, les éléments et leurs positions; - La figure 2 est une vue de face du servo-dispositif de la figure 1; - La figure 3 est un schéma montrant les connexions électri-40 ques du dispositif des figures 1 et 2; 3 69 45139 2027T60 - La figure 4 est un schéma de blocs du servo-dispositif des figures 1, 2 et 3. Sur les figures 1 et 2, on a représenté l'agencement d'un mode de réalisation d'un servo-dispositif de compensa-5 tion suivant l'invention. Un bras 10 porte à une extrémité une charge 11 qui simule la masse d'une partie telle qu'un membre d'un opérateur. L'autre extrémité de l'élément 10 est fixée sur . l'arbre 12 d'un dispositif hydraulique d'actionnement 13 du type tournant. Le bras 10 est monté de manière à pouvoir tourner autour 10 de l'axe de l'arbre 12. Le dispositif d'actionnement 13 est commandé par une servo-soupape 14 du type agissant en réponse à des signaux électriques fournis par un amplificateur, comme cela sera décrit en référence au schéma de la figure 3. Deux jauges exten-sométriques 15 et 16 sont fixées sur les côtés supérieur et infé-15 rieur du bras 10 dans une zone adjacente à l'axe ou point de pivotement de façon à mesurer des déformations produites dans les surfaces supérieure et inférieure du bras par des forces exercées sur ce dernier, par exemple des forces exercées par le bras d'un opérateur et des forces extérieures à l'opérateur. 20 Les jauges 15 et 16 peuvent être d'un type compor tant des élâœnts résistifs dont la résistance varie en réponse à des déformations produites. Les éléments résistifs formant les jauges extensométriques peuvent être agencés sous forme d'un pont de Wheatstone dans lequel une paire de branches éloignées est 25 disposée de manière à mesurer une déformation positive ou négative tandis que l'autre parie de branches est disposée de manière à mesurer une déformation de sens opposé à la première paire. Le pont est réglé de façon à être en équilibre en l'absence de déformations dans l'élément. En conséquence, lorsqu'une déformation 30 de flexion se produit dans l'organe 10, les résistances des paires précitées de jauges varient et produisent tin déséquilibre dans le niveau d'impédance aux bornes de sortie du pont. Les tensions appliquées aux deux bornes d'entrée du pont produisent aux bornes de sortie un signal qui représente la grandeur et la di-35 rection de la déformation. De tels dispositifs bien connus sont couramment disponibles; on peut par exemple utiliser la jauge extensométrique, du type SR-4, fabriqué par la Société BALDWIN LIMA HAMILTON (BIH) et formée d'une feuille métallique. Un accéléromètre 17 est également relié à l'extrémité 40 du bras 10 fixé sur l'arbre de l'organe d'actionnemeiit et il est 69 45139 4 2027160 disposé de manière à détecter l'accélération de la zone de fixation du bras 10 sur l'arbre 12 dans une direction perpendiculaire au bras. L'accéléromètre 17 peut être un appareil connu fournissant un signal de sortie qui représente la grandeur et la 5 direction de l'accélération qui lui est appliquée.Par exemple, l'accéléromètre peut comporter des éléments de jauges extensomé-triques branchés électriquement sous forme d'un pont.de Wheat-stone et mécaniquement solidaires d'une plaque soumise à une déformation en voie de détecter celle-ci. La contrainte engendrée 10 dans la plaque et qui est fonction de son accélération peut être produite en fixant une masse sur la plaque. Une accélération d'un ensemble tel que celui décrit plus haut fait en sorte que la masse exerce une force sur la plaque et produit en conséquence un déséquilibre d'impédance dans le pont de Wheatstone. La gran-15 deur et la direction du déséquilibre sont déterminés par la grandeur et la direction de l'accélération appliquée. De tels accélé-romètres sont bien connus et sont couramment disponibles; on peut par exemple utiliser l'accéléromètre du type 4-203-001 fabriqué par la Société CONSOLIDATED ELECTRODYNAMIC CORPORATION. 20 Sur la figure 3, on a représenté un schéma de circuits^ partiellement sous forme de blocs, qui montre les connexions entre les éléments décrits en référence aux figures 1 et 2. Sur cette figure, le pont de Wheatstone 20 correspond à la partie électrique des jauges extensométriques 15 et 16. Le second pont 25 de Wheatstone 30 correspond à la partie électrique de l'accéléromètre 17. Le pont de Wheatstone 20 comporte deux résistances 21 et 22 branchées en série entre deux bornes d'entrée ou d'excitation 23 ou 24 et également une autre paire de résistances 25, 26 branchées en série entre les bornes d'entrée 23 et 24. La ré-30 sistance 26 comporte une résistance variable 27 branchée en shunt de manière à permettre un réglage de l'équilibre du pont. Les résistances 21 et 26 prévues dans deux branches opposées du pont sont placées de manière à mesurer un sens de déformation de flexion tandis que les résistances 22 et 25 sont placées de manière 35 à mesurer le sens opposé de déformation de flexion. Les résistances 21 et 26 peuvent correspondre à la jauge 15, et les résistances 25 et 22 à la jauge 16. Le pont 20 est alimenté en courant continu par une source appropriée, par exemple une batterie 28. shuntée par un potentiomètre 29. La borne 24 est reliée â la bor-40 ne négative de la batterie 28 et la borne 23 au curseur du poten 69 45139 5 2027160 tiomètre 29. De façon similaire, le pont de Wheatstone 30 comprend une branche dans laquelle sont prévues des résistances 31,32 connectées aux bornes d'excitation 33, 34 et une branche dans laquelle 5 sont prévues des résistances 35, 36 branchées en série entre les bornes d'excitation 33, 34. Un potentiomètre d'équilibrage 38 est branché en shunt par rapport à la résistance 36. Les résistances 31, 36 prévues dans des branches opposées sont placées parallèle-mènt à la direction de déformation de la plaque sur laquelle elles 10 sont fixées tandis que les résistances 32, 35 sont placées dans une direction perpendiculaire. Un courant d'excitation est appliqué aux bornes 33, 34 par une source appropriée, qui peut être une batterie 38 shuntée par un potentiomètre 39. La borne 34 est reliée à la borne négative de la batterie 38 et la borne 33 au 15 curseur du potentiomètre 39. Les sorties des ponts de Wheatstone 20 et 30 sont reliées en série et connectées à un amplificateur 45. La borne 40 correspondant à la jonction des résistances 21 et 22, et la borré 41 correspondant à la jonction des résistances 25 et 26 consti-20 tuent les bornes de sortie du pont 20. La borne 42 correspondant à la jonction des résistances 31, 32 et la borne 43 correspondait à la jonction des résistances 35, 36 constituent les bornes de sortie du pont 30. La borne 41 est reliée à la borne 42. La borne 40 est reliée à une résistance d'entrée d'amplificateur 46. La 25 borne 43 est reliée à une résistance d'entrée d'amplificateur 47. Le signal de sortie de l'amplificateur 45 est appliqué à l'entrée 48 de la servo-soupape 14 qui fournit un signal hydraulique d'entrée à l'organe d'actionnement tournant 13 de manière à le déplacer dans la direction appropriée, comme cela sera précisé dans la 30 suite. Le signal de sortie du pont 20 est produit de manière à assister ou à déplacer le dispositif d'actionnement 13 dans une direction permettant de supprimer une déformation apparaissant dans l'élément 10. Le signal sortant du pont 30 présente une phase convenable pour entraîner le dispositif d'actionnement 13 35 dans une direction s'opposant à la force produisant le signal. Un réseau 49 comprenant une résistance variable 50 est branché entre la sortie de l'amplificateur 45 et son entrée de manière à exercer uïie contre-réaction.La résistance variable 50 permet de modifier le gain de l'amplificateur 45. Une source de polari-40 sation 55, constituée par exemple par la batterie 56, est shun- 69 45139 6 2027160 tée par un potentiomètre 57 muni d'une prise variable 58. La prise 58 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance-série d'isolement 59 à l'entrée de l'amplificateur et elle permet le réglage de polarisation de l'amplificateur 45. Les circuits d'en-5 trée et de sortie de l'amplificateur 45 sont connectés à la masse de façon appropriée. Le dispositif décrit en référence aux figures 1,2 et3 a été représenté sous forme de blocs sur la figure 4, dans laquelle les blocs rectangulaires représentent les différents com-10 posants décrits dans les figures précitées tandis que les cercles représentent des zones ou points d'équilibre de forces dans le système. Le bloc 17 représente l'accéléromètre et le bloc 60 représente les jaugés extensométriques 15, 16. Les jauges extenso-mètriques 60 réagissent à toute force exercée perpendiculairement 15 au bras 10. Cette force peut être une force exercée par le bras d'un opérateur et désignée par le vecteur 61 ou bien elle peut être une force exercée sur l'organe 10 par une accélération produite dans le système et elle est représentée par le vecteur dFac-célération 62. L'accéléromètre 17 détecte et mesure l'accéléra-20 tion dans une direction perpendiculaire au sens longitudinal de l'organe 10. Les signaux de sortie de l'accéléromètre 17 et des jauges extensométriques 60 sont combinés différentiellèment, comme indiqué par les signes "plus" et "moins" placés à côté des flèches dans le cercle d'équilibre 63 et ils sont appliqués à 25 l'amplificateur 45. Le signal de sortie de l'amplificateur 45 excite la servo-soupape 14 qui excite à son tour le dispositif d'actionnement 13 de manière à produire sur l'organe 10 une force qui le déplace dans une direction tendant à réduire là déformation exercée par la force d'entrée. Le bloc 64 représente la mas-30 se totale de l'organe 10 et de la charge 11. Le cercle d'équilibre 65 représente le point d'application dè la force de frottement produite dans le dispositif d'actionnement 13. Pour mettre en service le servo-dispositif de compensation de forces des figures 1,2, 3 et 4, l'organe 10 non chargé est position-35 né dans une direction telle que l'accéléromètre soit orienté perpendiculairement au champ d'accélération locale. Dans cette position, les deux ponts 20 et 30 sont réglés de manière à produire un signal de sortie nul. Les tensions d'alimentation appliquées aux deux ponts 20 et 21 sont réglées de manière que les signaux 40 de sortie de ces ponts s'annulent dans ladite position de l'or 69 45139 7 2027160 gane 10. L'organe 10 étant oriente verticalement vers le bas,une pression hydraulique est exercée sur le système. Un mouvement de l'organe 10 est contrebalancé par la commande de polarisation 57. Le gain désiré dans la servo-boucle comprenant les jauges exten-5 sométriques 60 est réglé par la commande de gain 50. Avec un tel réglage, l'amplificateur 45 produit un signal de sortie nul et par conséquent, pour une orientation quelconque de l'organe 10 et pour une accélération quelconque, cet organe ne se déplace pas en l'absence de forces appliquées par l'opérateur. Le gain de la ssr-10 vo-boucle est augmenté suffisamment pour contrebalancer dans la mesure désirée le frottement exercé dans l'organe d'actionnement. Des réseaux électriques peuvent être prévus à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur 45 de manière à assurer une stabilisation de la servo-boucle et à filtrer les signaux de 15 bruit en courant alternatif. Egalement, on peut prévoir des éléments de stabilisation, tels que des orifices, dans un parcours de réaction établi entre l'entrée et la sortie de la servo-soupape 14, suivant les impératifs du système. En fonctionnement, une charge à équilibrer, telle 20 qu'un membre d'un opérateur, est fixée sur l'organe 10. Dans un champ d'accélération, le mouvement de la base de l'organe 10 est détecté et mesuré par les jauges extensométriques 15 et 16, et il est fonction du poids total de l'organe 10 et dè la charge, de la longueur de l'organe, de l'orientation de cet organe par 25 rapport au champ d'accélération et de la grandeur de ce champ. L'accéléromètre 17 engendre un signal de sortie proportionnel à la grandeur et à la direction du champ d'accélération par rapport à l'organe 10. Puisque l'accéléromètre 17 est monté au centre de rotation de l'organe 10, une accélération angulaire du bras 30 n'affecte pas la réponse de l'accéléromètre. La différence entre le signal de sortie des jauges et le signal de sortie de l'accéléromètre est amplifiée de manière à exciter une servo-soupape 14. Le signal hydraulique de sortie de la servo-soupape 14 applique un couple au dispositif d'actionnement 13. Comme indiqué plus 35 haut, dans un champ d'accélération, la différence entre les signaux de sortie des jauges et de l'accéléromètre est réglée de manière que le couple produit par le dispositif d'actionnement 13 contrebalance les forces d'inertie appliquées à la charge, -indépendamment de l'orientation du bras par rapport au champ 40 d'accélération. Si un couple est maintenant exercé, par exemple 69 45139 8 2027160 par le bras d'un opérateur, sur l'organe 10, un signal est produit par les jauges extensométriques 15 et 16 du fait qu'un frottement exercé par l'organe d'actionnement s'opposerait à un mouvement dudit organe. Ce signal, une fois amplifié, établit 5 un écoulement de fluide introduit dans le dispositif d'actionnement 13 de manière à le déplacer dans la direction du couple appliqué. Du fait du gain de la servo-boucle associée, à l'organe d'actionnement, le couple nécessaire pour déplacer l'organe 10 est bien inférieur au couple de frottement de l'organe d'action-10 nement. En conséquence, on voit que le dispositif décrit plus haut est un servo-dispositif de compensation qui contrebalance l'influence d'une charge indépendamment du champ d'accélération qui s'exerce sur la charge. Bien que l'invention ait été décrite 15 en référence à un seul joint, il va de soi que plusieurs joints similaires à celui décrit pourraient être incorporés à un système en vue d'introduire des degrés supplémentaires d'équilibre et de liberté de fonctionnement. Lorsque des organes tels que 10 ou un harnais sont fixés individuellement sur les bras, la têtè 20 et le dos d'un opérateur, chaque joint étant associé à un servo-dispositif de compensation, les forces d'inertie normalement absorbées par l'opérateur pendant des manoeuvres à accélération élevée, exécutées dans un avion par exemple, sont maintenant absorbées par le servo-dispositif suivant l'invention. Une sou-25 pape de sécurité pourrait être prévue entre la servo-soupape 14 et l'organe d'actionnement 13 pour empêcher un blocage de l'organe d'actionnement 13 sous l'effet d'une panne d'énergie fournie. L'opérateur doit alors simplement vaincre l'augmentation d'inertie de l'organe 10 ou du harnais ainsi que le frottement 30 du dispositif d'actionnement 13. En ce qui concerne le dispositif décrit en référence aux fig. 1, 2, 3 et 4, on a donné dans la suite une liste des composants standards qui peuvent être employés dans ce dispositif: - Accéléromètre 17 : accéléromètre du type d'une jauge extenso-35 métrique sans liaison, par exemple du type 4-203-001 fabriqué par la Société CONSOLIDATED ELECTRODYNAMICS CORPORATION. - Jauges extenso- ^ Quatre jauges extensométriques BLH SR-4, métriques 60 ^ type FAE-25-3559 fabriquées par la Société 40 ( BALDWÏN LIMA HAMILT0N CORPORATION. 69 45139 9 2027160 - Amplificateur 45 : Appareil de servo-commande modèle 82-137 D-C fabriqué par la Société MOOG INC. - Servo-soupape 14 : Soupape de la série 31 fabriquée par la Société MOOG INC. 5 - Organe d'action- ( Appareil Houdaille modèle HYD-RO-AC Tiny} nement 13 ( fabriqué par la Société HOUDAILLE HYDRAU- ( LICS. - L'organe 10 peut être constitué en aluminium à haute résistan ce en vue d'obtenir la déformation maxi-10 maie pour une charge donnée. Le dispositif décrit peut être également utilisé pour contrebalancer des charges. A la différence des contrepoids d'équilibrage qui étaient utilisés jusqu'à maintenant dans de telles applications, le moment d'inertie de la charge 15 n'est pas augmenté notablement par le dispositif d'équilibrage. Une charge telle qu'un moteur à réaction, lorsqu'elle est équilibrée à l'aide d'un servo-dispositif de compensation, pourrait être placée sans effort dans une position où toutes les forces de réaction seraient produites par des chocs d'objets renvoyés 20 vers l'opérateur qui assurerait directement une retenue de la charge. Egalement, lorsqu'il est souhaitable de contrebalancer des forces linéaires, par exemple dans un treuil, l'élément déformable correspondant au bras 10 est constitué par une cellule de charge qui est soumise à une déformation en charge et 25 il n'est naturellement pas nécessaire d'utiliser un accéléromètre . 69 45139 10 2027160 REVENDICÀTI 0 N S 1. Servo-dispositif de compensation de forces exercées sur des organes, caractérisé par le fait qu'il comprend un organe soumis à une déformation en réponse à une contrainte appliquée, un dispositif d'actionnement relié à cet organe de 5 manière à compenser cette contrainte appliquée, des moyens de détection pour déceler une variation de déformation dans l'organe et pour produire un signal correspondant à la grandeur et à la direction de cette variation, et que le dispositif d'actionnement réagit audit signal en exerçant sur l'organe une force 10 orientée dans une direction s'opposant à la déformation. 2. Servo-dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un amplificateur relie les moyens de détection et le dispositif d'actionnement de manière à obliger ledit dispositif à déplacer l'organe dans une direction correspondant 15 au sens de déformation. 3. Servo-dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe est monté de manière à pivoter autour d'un point et en ce que les moyens de détection de déformation sont montés à proximité de ce point de pivotement. 20 4. Servo-dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit organe est monté par une extrémité de manière à pivoter autour d'un point, en ce que le dispositif d'actionnement fait tourner l'organe autour dudit point, en ce que les moyens de détection compren-25 nent un premier détecteur pour détecter l'accélération dudit organe autour dudit point en réponse à l'application d'une première force et pour produire un second signal correspondant à la grandeur et à la direction de ladite accélération ainsi qu'un second détecteur pour détecter l'accélération du point de pivote-30 ment en réponse à l'application d'une seconde force et pour produire un second signal correspondant à la grandeur et à la direction de ladite accélération, en ce que le dispositif d'ac-tionnement agit en réponse au premier signal pour exercer sur l'organe une force orientée dans la direction de la première 35 force et en réponse au second signal pour exercer sur l'organe une force orientée dans une direction opposée à la seconde force. 5. Servo-dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir l'or 69 45139 2027160 gane dans une position fixe sur le point de pivotement lorsque cet organe et le point de pivotement sont soumis à la même accélération. 6. Servo-dispositif suivant La revendication 5, 5 caractérisé en ce que les signaux de sortie du premier et du second générateur sont équilibrés pour des accélérations appliquées au système. 7. Servo-dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le premier détecteur est une jauge exten- 10 sométrique qui est fixée sur ledit organe à proximité de son point de pivotement.