Brevet FR2308226A1 — publié le 19761112

L'invention concerne un manipulateur électromécanique pour la commande électrique d'engins tels que des grues, tracteurs, niveleurs, ou autres engins de travaux publics usuellement commandés à vue par un manipulateur. Plus particulièrement, il s'agit ici d'un manipulateur fournissant un signal électrique variable selon la position d'une poignée d'actionnement de ce manipulateur ; par exemple, dans une position neutre de la poignée, aucun courant n'est délivré, tandis que lorsque llon écarte la poignée de sa position neutre le courant croit avec l'écart (proportionnellement ou non). On contact déjà des manipulateurs de ce type. Ils comportent des potentiomètres dont les curseurs sont mécaniquement reliés à la poignée du manipulateur de sorte qu'ils suivent le mouvement de celle-ci ou une composante de ce mouvement et qu'ils établissent une résistance variable en fonction de la position de la poignée. Un inconvénient majeur ae ces manipulateurs de la technique antérieure est que le potentiomètre subit le frottement du curseur à chaque mouvement de la poignée et son usure est donc très rapide. Un potentiomètre de bonne qualité, capable de supporter un grand nombre de mouvements de son curseur, est par ailleurs d'un prix très élevé. C'est pourquoi, la présente invention propose un nouveau manipulateur dans lequel le signal électrique variable est obtenu par une variation de résistance, sans frottement d'un curseur contre la partie résistive comme c'était le cas avec les manipulateurs à potentiomètres. Le manipulateur selon llinvention réalise une série de contacts successifs sans frottement, modifiant un circuit électrique de façon à fournir un signal électrique fonction de la position d'une poignée d'actionnement Ce manipulateur comporte - un chassies, - un levier, pivotant autour d'un premier axe et actionnable par une poignée, - un circuit électrique fixé sur le chassis,etcomportant une pluralité de conducteurs espacés reliés à des composantselectriques. - une lave conductrice normalement écartée des conducteurs, - un bras entravé par le levier, et apte à appliquer élastiquement et sans frottement la lame conductrice contre les conducteurs électriques successifs lors du déplacement du levier et ainsi modifier les connexions électriques entre les composants électriquement connectés entre ces conducteurs électriques, cette modification étant fonction des points de contact de la lame conductrice avec les conducteurs donade-laitioe:r4t- levier du manipulateur. La lame conductrice est de préférence élastique et fixée en un point d'un circuit imprimé portant les conducteurs espacés. Elle ne touche pas ces conducteurs lorsqu'elle est dans sa position de repos où son élasticité la rappelle. Lorsque le manipulateur est actionné, le bras se déplace en appuyant sur la lame élastique et il applique celle-ci contre les conducteurs successifs à mesure que la poignée est déplacée. Le bras porte de préférence un galet pour rouler sur la lame élastique. Ce sont normalement des résistances qui sont connectées entre les conducteurs espacés de sorte que l'on réalise une résistance variable entre un conducteur extrême et la lame conductrice lorsque cette dernière court-circuite un nombre variable de résistances en venant en contact avec les conducteurs successifs. Selon un aspect important de l'invention, la poignée du manipulateur est actionnable dans deux directions combinées, c'est-à-dire que le levier entraîné par la poignée est en pratique monté sur une rotule, et un système de décomposition de mouvement transforme un mouvement quelconque de la poignée en deux mouvements indépendants de bras qui viennent réaliser des contacts indépendants avec deux séries de conducteurs espacés, pour commander indépendamment et simultanément deuxmouvements de l'engin muni de ce manipulateur (par exemple levage et rotation d-'une flèche de grue). Un autre aspect important de l'invention est que la sensibilité de la commande par le manipulateur, c'est-à-dire la variation de signal électrique en fonction du mouvement de la poignée d'actionnement1 peut être choisie comme on le souhaite, contrairement aux manipulateurs antérieurs dans lesquels la construction du potentiomètre impose la loi de variation du signal électrique de sortie du manipulateur. in particulier, il est possible d'avoir des fonctions quelconques, différentes pour les deux directions fondamentales de pivotement de la poignée, et même différentes selon le sens d'aetionnement de la poignée. Outre ces avantages, le manipulat)aur selon l'invention présente une très grande fiabilité grâce à 11 absence de frottements au niveau des contacts électriques et une forte réduction des colts par rapport zux manipulateurs antérieurs grâce à lté- limination des potentiomètres de haute qualité. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention apparaitront dans la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en-peXpective du manipulateur selon 1 t invention, - la figure 2 représente une vue de dessus de l'intérieur du boîtier du manipulateur, - la figure- 3 est une vue en perspective du système de contact de la lame conductrice avec les conducteurs espacés, - la figure 4 est une vue de dessus du circuit imprimé montrant les déformations de la lame conductrice élastique, et - la figure 5 est un schéma électrique montrant comment on peut obtenir une résistance variable selon la position de la poignée da manipulateur. Sur la figure 1 on voit une vue dlensemble du manipulateur,qui se présente de façon classique avec un shAssis 10, formant bottier, destiné à etre fixé par exemple sur un tableau de commande d'un engin tel qu'une grue-, et une poignée d'actionnement 12 à l'extrémité d'un levier 14 qui est articulé à sa partie inférieure (non visible) de manière à permettre son pivotement autour d'un point 15. Blarticulation est par exemple une rotule (non représentée) et elle est protégée de maniere classique par un soufflet élastique 16. la poignée 12 étant susceptible de pivoter autour d'un point 15, on peut décomposer son mouvement en deux mouvements de pivotement autour d'axes fictifs perpendiculaires 17 et 19 passant par ce point, de façon à définir deux coordonnées, indépendantes, du mouvement -de la poignée La poignée 12 peut donc se déplacer autour de l'axe 17 dans les directions des flèches + e et - e, ou autour de l'axe 19 dans les directions des flèches ±4 > et - , ou dans n'importe quelle direction qui peut toujours se décomposer en un pivotement autour de l'axe 17 (angle #) et un pivotement autour de l'axe 19 (angle ). Le manipulateur est apte à fournir deux signaux électriques de commande, par exemple pour commander respectivement le levage et la rotation d'une flèche de grue. la composante dans la direction e du mouvement de la poignée engendre un premier signal électrique fonction de l'amplitude de cette composante. la composante dans la direction # fournit l'autre signal électrique.Le système de décomposition du mouvement de la poignée en deux composantes sera décrit plus lOins Au-dessous du chassies 10 sont encore fixées des plaques de circuits imprimés 24 et 26 qui portent sur leurs faces internes des conducteurs électriques imprimés et, sur leurs faces internes ou sur leurs faces externes, des éléments de circuits tels que des résistances, des amplificateurs etc., nécessaires au fonctionnement du manipulateur. Ges plaques de circuits im- primé s 24 et 26 seront considérées dans la description et les revendications comme faisant partie du châssis 10 sur lequel elles sont rigidement fixées. A la figure 2,on voit l'intérieur du bottier 10 dont on a enlevé la partie supérieure pour faciliter la représentation. le mouvement du levier 14 (vu iGi en coupe) est transmis à deux étriers 28 et 30. L'étrier 28 est aussi visible à la figure 3. Il est monté pivotant autour d'un axe 20 parallèle à l'axe 17 de la figure 1. L'étrier 30 est monté pivotant autour d'un axe 22 parallèle à l'axe 19 de la figure i.De cette manière, -un mouvement de la poignée 12 du manipulateur dans la direction des flèches + # et - e entratne un pivotement de l'étrier 28 autour de l'axe 20, sans effet sur l'étrier 30 ; un actionnement de la poignée 12 dans la direction des flèches + t et - en trame une rotation de l'étrier 30 autour de l'axe 22, sans effet sur l'étrier 28 ; et enfin, un actionnement quelconque de la poignée 12 produit simultanément une rotation de l'étrier 28 et de l'étrier 30 proportionnellement aux composantes de mouvement de la poignée dans les directions 8 et ç respectivement. Cette décompostion du mouvement du levier 14 en un mouvement de-pivotement de l'étrier 28 et un mouvement de pivotement de l'étrier 30 est obtenue de la manière suivante l'étrier 28 est muni à sa partie supérieure (éloignée de son axe de pivotement 20) d'une fente de guidage allongée 32 dont la direction d'allongement s'étend essentiellement dans un plan contenant l'axe 20 ; l'étrier 30 est muni à sa partie supérieure (éloignée de son axe de pivotement 22) d'une fente de guidage 34 dont la direction d'allongement s'étend essentiellement dans un plan contenant l'axe 22 ; le levier 14 passe au travers des deux fentes de guidages 32 et 34 et son diamètre est es;entiel- lement égal à la largeur commune de ces fentes.De la sorte, le levier 14 peut coulisser dans la fente 32 en entraînant l'étrier 30 ou dans la fente 34 en entrainant l'étrier 28, ou à la fois dans les deux fentes en entraînant les deux étriers respectivement proportionnellement à l'angle Q et à l'angle z de déplacement de la poignée 12. Dans la suite on appellera e et ç les angles de pivotement respectifs des étriers 28 et 30 autour des axes 20 et 22 bien qu'il y ait en fait un coefficient de proportionnalité entre les angles de pivotement du levier 14 et les angles de pivotement des étriers : légalité n'est réalisée que si les sommets des étriers 28 et 30 (à leurs points de contact avec le levier 14) sont situés à égale distance du point de rencontre de leurs axes 20 et 22 et du point de rencontre des axes 17 et 19, c'est-à-dire soit Si les axes 17, 19 et 20, 22 sont confondus soit Si les sommets des étriers sont à égale distance de ces deux'groupes d'axes. Chaque étrier 28, 30 est maintenu normalement dans une position neutre centrale, où le levier 14 est situé au centre de chacune des fentes de guidage 32, 34,par un ou plusieurs ressorts de rappel 36. Ces ressorts de rappel ne sont pas obligatoires car il peut être nécessaire d'avoir des manipulateurs dans lesquels toute position de la poignée est stable. A la figure 3 on voit mieux, en perspective, l'étrier de guidage 28 avec .sa fente 32 dans laquelle passe le levier 14. L'étrier 30 a été supprimé de la figure pour la commodité de la réprésèntation-mais on comprendra qu'in est perpendiculaire à l'étrier 28 comme on le- voit sur la figure 2, et qu 'il lui est en tous points semblable. À l'étrier 28 est fixé un bras 38 perpendiculaire à l'axe 20 de l'étrier 28, et ce bras 38 porte à son extrémité un galet 42 monté à rotation libré sur cette extrémité De façon symétri- que, à l'étrier 30 est fixé un bras 40, perpendiculaire à l'axe 22 et portant un galet.44 monté à rotation libre. On se limitera dans la suite à la description de l'étrier 28 et des parties électriques et mécaniques correspondant. à étrier 28 ; le lecteur aura compris que les partiescorrespondantes pour 1' étrier 30 sont analogues. Lors du pivotement de l'étrier 28, le trajet du galet 42 est un arc de cercle décrit sur la plaque de circuit imprimé 24.-Celle-ci est fixée au châssis 10 perpendiculairement à l'axe 20 et à une distance du bras 38 tel que le galet de- ce bras vienne juste toucher cette plaque (le galet déborde légèrement du bras pour assurer le roulement de ce bras contre la plaque de circuit imprimé). En fait, le galet-42 ne roule pas sur la plaque de circuit imprimée elle-mme, car une lame conductrice 46 est interposée entre le galet et laplaque. Cette lame conductrice 46 est recourbée et fixée par sa partie centrale, contre la plaque de circuit imprimé 24, par des rivets ou soudures 48. Par conséquent, le centre de la lame-- conductrice 46 est appliqué contre la plaque de circuit imprimé 24 tandis que les extrémités de la lame 46 sont écartées de la plaque. La lame 46 est positionnée sur la plaque 24de sorte que d'une part,lors que- 1 'étrier 28 est en portion neutre (où il est rappelé par les ressorts 26)+ le galet 42 appuie sur la part-ie-centrale de la lame, et que d'autre part, lorsque l'étrier 28 pivote autour de 1 'axe 20 le galet 42 décrive un arc de cercle, désigné par la ligne tiretée 50, sur la lame conductrice 46. En outre, cette lame 46 possède la propriété entre élastique, sa position normale étant recourbée, comme on l'a dit donc fartée de la plaque 24 sauf à sa partie centrale par où eLle est fixée. Le roulement du valet 42 le long de l'arc de cercle 50 a pour effet d'appliquer la lame 46, à l'encontre de son élasticité propre, contre la plaque de circuit imprimée 24 (en effet, on a dit que le bras 38 qui porte le galet 42 est perpendiculaire- à l'axe 20 et il en est de même de la plaque 24, donc le galet 42 se déplace effectivement en appliquant la lame 46 contre la plaque 24) La lame 46est réalisée en bronze au béryllium pour présenter de bonnes caractéristiques d'élasticité. la face interne, visible sur la figure 3, de la plaque 24 porte des conducteurs imprimés de part et d1 autre de la plage de fixation de la lame 46 (rivets 48). Ces conducteurs, 52 d'un ctté ae centre plage centrale et 54 de l1autre,sont disposés sensiblement transversalement à la lame 46 donc pratiquement transversalement au trajet du galet 42. lors du pivotement de l'étrier 28 sous l'action du levier 14 le galet 42 se déplace à'un arc e le long du trajet 50 et vient établir un contact entre la lame conductrice 46 et l'un des conducteurs 52 ou 54 lorsqu'il passe au-dessus de ce conducteur. On utilise ces contacts successifs pour modifier un circuit électrique comprenant ces conducteurs et ainsi délivrer un signal électrique variable selon l'angle a de pivotement de 11 étrier 28. On comprendra que les conducteurs espacés 52, 54 peuvent titre parallèles ou non : par exemple ils pourraient s1 étendre radialement vers l'axe de rotation 20 de manière -à hêtre rigoureusement tous perpendiculaire-s au trajet du galet 42 ; ainsi les modifications successives du circuit électrique auraient lieu à intervalles égaux lors du déplacement de la poignée 12. Dans le mode de réalisation preférentiel de l'invention des résistances sont connectées entre les conducteurs espacés 52, 54 et les modifications successives du circuit électrique consistent à établir une résistance variable entre deux bornes électriques. Les résistances sont représentées en pointillé sur la figure 3. Elles sont mieux visibles sur la figure 4 où elles sont désignées par la référence 56 ; elles sont situées sur la face externe de la plaque imprimée 24. On était une résistance variable en fonction au déplacement de la poignée 12 du m2nipulatùr dans la direction e de la manière suivante : des conducteurs extrtmes 58 et 60 de la pluralité de conducteurs espacés 52 et 54 et un conducteur central 62 connecté à la lame conductrice 46 par l'intermédIaire du rivet ou des points de soudure 48 constituent des bornes entre lesquelles une résistance variable est établie selon la position du galet 42.Ceci est visible particulièrement sur les figures 4 et 5 où l'on voit qu'entre le conducteur extrême 58 et le conducteur central 62 connecté à la lame 46 la résistance totale est la somme des résistances entre le dernier conducteur touché par la lame 46 (donc le conducteur sensiblement au-dessus duquel se trouve le galet 42) et le conducteur 58. Toutes les autres résistances sont court-circuitées. Le conducteur 62 peut servir de sortie de signal électrique d-u manipulateur, le conducteur 58 étant alors alimenté par exemple aveb une tension positive et le conducteur 60 avec une tension négative pour distinguer entre le mouvement de la poignée dans le sens + e et le mouvement dans le sens - Q. Dans la position neutre de la poignée 12 (galet 42 au centre de la lame 46), aucun conducteur nrest en contact avec la lame et le circuit est ouvert entre les conducteurs 58, 60 et 62 : le signal électrique de sortie du manipulateur est nul.Quand la poignée est actionnée dans un sens ou dans l'autre,uhe tension positive ou négative est amenée au conducteur 60 par l'intermédiaire d'une résistance d'autant-plus faible que le déplacement de la poignée est plu8 grand0 Cette résistance variable peut servir de résistance d'entrée d'un amplificateur bouclé par une résistance constante, pour réaliser un gain en tension variable, Inversement proportionnel à la résistance variable donc fonction croissante (par échelons du déplacement de la poignée. Si on se réfère à la figure 5, l'un des signaux électriques de sortie du manipulateur est dans ce cas la borne de sortie de l'amplificateur, qui délivre une tension V = + Vo r si Vo est la tension appliquée à la borne 58 (et -Vo à la otrne 60), r la résistance de contre réaction de l'amplificateur et Rt la résistance présente en série entre l'une des bornes 58 ou 60 et la borne 62. Si les résistances individuelles entre les conducteurs espacés sont R1, R2 ... RnX et &commat;i, n les angles de pivotement de la poignée 12 lorsque le galet 42 passe au dessus des conducteurs espacés successifs, on voit que la courbe de variation de la tension V en fonction de l'angle de déplacement de la poignée 12 peut se représenter comme ci-dessous : &commat; =.:0 Rt= oO V=0 affectés d'un signe négatif Si les angles O sont négatifs. D'autres dispositifs peuvent entre imaginés pour réaliser un gain à courant au lieu d'up gain en tension à partir de cette résistance variable. Ces dispositifs peuvent bien entendu être montés sur la même plaque de circuit imprimé 24. Un gain en courant est facilement obtenu également à partir du gain en tension décrit ci-dessus, par exemple avec un transistor commandé en tension par la base, avec une résistance d'émetteur fixe et une charge dans le collecteur. Il est très important de constater que le manipulateur selon l'invention permet de réaliser une commande en courant ou en tension, selon une fonction que l'on peut choisir à volonté de la position de la poignée du manipulateur. En effet, les résistances 56 (R1 à Rn) ne sont pas forcément toutes identiques et leur choix affecte directement la forme de cette fonction, comme on le voit sur le tableau qui précède.En outre l'espacement des conducte6rs 52 et 54 n'est pas forcément constant et par conséquent on peut aussi jouer sur une résolution de la fonction, variable selon la position de la poignée (par exemple si la courbe de variation doit présenter une saturation progressive rapide vers la fin de la course de la poignée, il peut être préférable d'avoir des conducteurs plus rapprochés vers l'extrémité du trajet 50 du galet 42 que vers le centre). Les résistances et espacements des conducteurs ne sont d'ailleurs pasforcément les-m8mes pour les deux sens de pivotement d'un étrier et les fonctions de commande peuvent être différentes pour e positif et Négatif : on pourrait avoir quatre signaux de sortie du manipulateur avec quatre -fonctions de transfert (courant en fonction-de l'angle de pivotement de la poignée) différentes. On a montré comment on peut réaliser une résistance variable progressivement décroissante, on pourrait dans certaines applications court-circuiter d'autres éléments que des résistances, ou réaliser une résistance croissante en courtcircuitant des éléments de résistance en parallèle plutôt qu'en série, On peut aussi disposer, sur la face externe des plaques de circuit imprimé 24 et 26,des résistances ajustables au lieu de résistances fixes, pour régler à volonté la courbe de variation désirée une fois le manipulateur construit. Dans la partieélectronique d'amplification en courant ou en tension montée sur la plaque de circuit imprimée 24, ou en dehors de celle-ci, on peut prévoir de manière classique des circuits-de contre-réaction appropriés pour obtenir des asservissements en puissance, en vitesse ou autres (par exemple en débit ou en pression pour des engins hydrauliques). Il est à noter que la manipulateur décrit ci-dessus est du type dans lequel le mouvement de la poignée est transformé en deux mouvements de pivotement perpendiculaires d'étriers. On peut appliquer l'invention aussi à un manipulateur dans lequel le mouvement de la poignée est transformé en deux mouvements de translation perpendiculaires. Dans ce cas, les étriers munis de fente de guidages ne sont pas montés sur des axes de pivotement mais sur des glissières qui permettent leur déplacement en translation parallèlement aux plaques de circuit imprimé 24 et 26. La forme de la lame élastique recourbée n'a pas une importance essentielle, pourvu que le trajet du galet 42, lors du pivotement ou de la translation de 11 étrier, se situe sur cette lame. Il est possible d'envisager, sans sortir du cadre de l'invention une lame conductrice en matériau non élastique mais comportant des moyens de rappel en position éeartée de la plaque. Le manipulateur selon l'invention s'applique principalement à la commande à vue des engins mobiles (travaux publics ou ponts roulants etc0). Il peut commander notamment des servo valves hydrauliques, des embrayages à commande en courant, des variateurs électroniques de vitesse de moteurs électriques, avec éventuellement des asservissements appropriés. REVENDICATIONS 1. Manipulateur électromécanique apte à fournir un signal électrique variable -en fonction de la position d'une poignée d'actionnement de ce manipulateur, caractérisé par le fait qu'il comporte - un chtssis- - un levier pivotant autour d'un axe, et déplaçable par la poignée, - un circuit- électrique fixé sur-le châssis, et comportant une pluralité de conducteurs espacés reliés à des composantes électriques, - une lame conductrice normalement écartée des conducteurs 7 - un bras entratné par le leviers et apte à appliquer ~élastiquement et sans frottement la lame conductrice contre les conducteurs électriques successifs lors au déplacement du levier et-ainsi modifier les connexions électriques- entre les composants électriquement connectés entre ces conducteurs électriques, cette modification étant fonction des points de contact de la lame conductrice avec les conducteurs donc de la position du levier du man-ipulateur. 2. Manipulateur électromécanique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lame conductrice est élastique, qu'elle est f-ixée-en un point d'une plaque portant les--conduc- -teur-s- espacés, de manière qu'elle ne touche pas les conducteurs espacés lorsque le bras est dans une position zéro et qu'elle touche successivement les conducteurs lorsque le bras entraîné par le levier l'applique contre ceux-ci. 3. Manipulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les:conducteurs -espacés sont situés dans un plant que le bras est lui-même pivotant autour d'un axe perpendiculaire à c-e plan et qu'il porte à-une extrémité-élo-ignée de son axe de pivotement un galet susceptible de rouler sur la lame élastique conductrice, un contact électrique sans frottement ayant lieu entre la lame et un des conducteurs espacés lorsque le galet passe au-dessus de ce dernier. 4. ï'4anipulateur électromécanique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les conducteurs espacés sont imprimés sur une plaque isolante, que la lame élastique disposée au-dessus de l'ensemble de ces conducteurs est sensiblement transversale à ceux-ci et que le galet est apte à se déplacer également suivant une direction sensiblement transversale aux conducteurs lors de l'actionnement du manipulateur. 5. Manipulateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'entre les conducteurs adjacents sont connectées des résistances électriques et que les conducteurs extrêmes susceptibles d'être mis en contact avec la lame conductrice élastique reçoivent une tension électrique. 6. Manipulateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'à la lame élastique elle-meme est connecté un conducteur de sortie de signal électrique, la résistance électrique existant entre une borne d'entrée et ce conducteur de sortie étant une fonction directe de la position du galet donc de la position angulaire du levier pivotant. 7. Manipulateur selon 11 une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le levier est mobile avec deux degrés de liberté, qulil est prévu un deuxième bras identique au premier et apte à être entratné par le levier dans une direction indépendante du premier bras, une deuxième lame conductrice et un deuxième circuit électrique comportant une deuxième pluralité de conducteurs espacés, de sorte que le mouvement du levier soit transformé en deux mouvements indépendants des bras, et qu'il en résulte des modifications respectives indépendantes entre elles des deux circuits électriques en fonction des composantes du mouvement du levier selon deux directions indépendantes. 8. Manipulateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le levier est monté sur une articulation, et que les deux bras sont pivotants respectivement autour de deux directions perpendiculaires. 9. Manipulateur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend deux étriers perpendiculaires portant chacun un bras et pivotant à l'extrémité de leurs branches autour de l'axe du bras qu'ils portent, les étriers étant munis à leur partie centrale de fentes de guidage dans lesquelles passe le levier pour décomposer le mouvement de ce dernier en deux mouvements de pivotement des étriers respectivement proportiot- nels aux composantes du mouvement du levier dans deux directions indépendantese