Brevet FR2312070A1 — publié le 19761217

La présente invention se rapporte au pilotage d'un engin dont les organes de direction sont manoeuvrés, par l'intermédiaire d'un organe de puissance, à partir d'un signal émis sous l'action qu'un opérateur exerce sur l'organe de pilotage dudit engin. Elle concerne aussi bien le pilotage d'un véhicule ou d'un engin aérien, maritime ou terrestre que la manipulation à distance d'un instrument à usage industriel, de levage ou de préhension par exemple. Généralement, les organes de pilotage ou de télémanipulation se présentent sous la forme de volants ou de leviers de manoeuvre auxquels l'opérateur imprime une rotation ou un déplacement, dans le sens de la manoeuvre à effectuer et d'autant plus grand que ladite manoeuvre doit être plus importante ou plus rapide. Ce déplacement engendre l'émission, par des moyens appropriés, d'un signal dont l'importance est liée audit déplacement et qui, transmis à l'organe de puissance permet à celui-ci d'actionner, en conséquence, les organes de direction de l'engin. Cette technique est directement issue du pilotage "à action directe" pour lequel le déplacement du volant (ou levier) est impératif par suite de la liaison purement mécanique existant entre les organes de pilotage et de direction. Dans ce cas, le déplacement et l'effort exercés par le pilote sur le volant (ou levier) sont d'autant plus grands que le changement de direction est plus rapide. Cet effort exercé sur I 'organe de pilotage est le paramètre le plus significatif. Pour la parfaite maftrise de la conduite des engins à direction assistée, la manipulation du volant (ou levier) ne demandant qu'une très faible dépense d'énergie, on a été conduit, afin de disposer d'un "retour d'informations" vers le pilote, à créer des efforts artificiels, simulant plus ou moins les réactions des organes de direction sur l'organe de pilotage, par des dispositifs annexes, tels que boîtes à ressorts ou vérins hydrauliques. De tels dispositifs de simulation peuvent présenter un inconvénient par leur encombrement ou leur poids, notamment dans l'industrie aéronautique; sur de gros avions, en effet, ce poids peut atteindre plusieurs centaines de kilogrammes. De plus les volants ou leviers de manoeuvre habituels ne permettent de controler les changementsde direction que suivant un ou deux degrés de liberté. Ainsi sur un avion, le "manche" assure le contrôle des mouvements de tangage (par un déplacement avont-arrière) et de roulis (par un déplacement droite-gau che) ; le mouvement de locet (rotation autour de l'axe vertical) est commandé à partir d'un palonnier actionné par les pieds du pilote. Enfin le maintien en position de la main, généralement en pronosupination (paume verticale et pouce dirigé vers le haut) sur l'organe de pilotage, nécessite un effort permanent de serrage non négligeable, compte tenu de la pesanteur et, sur les avions rapides, des accélérations importantes subies par le pilote, et cela, malgré un bossage périphérique prévu à la base de la poignée de certains "manches" récents, pour pallier partiellement cet inconvénient. La présente invention a pour objet de remédier à l'ensemble de ces inconvénients et de permettre le pilotage'd 'un engin à partir d'un levier de manoeuvre de faibles dimensions - sur lequel on exerce un effort de flexion ou de torsion sensiblement proportionnel à la manoeuvre à effectuer, comme dans le cas du pilotage à "action directe", - qui assure le contrôle de la direction dudit engin selon trois degrés de liberté et - dont la poignée, sur laquelle repose, en pronation, la main de l'opéra- teur, améliore le confort de ce dernier et accroit la précision du pilotage. Conformément à l'invention, le procédé, destiné à diriger un engin dont les organes de direction sont actionnés par un organe de puissance, consiste à déformer un levier de manoeuvre rigide, solidaire d'un bats, dans la limite d'élasticité du matériau constituant ledit levier. Ces déformations élastiques résultent d'efforts exercés, par la main du pilote, à l'extrémité libre du levier qui subit, de ce fait, des contraintes en flexion ou en torsion. Elles sont détectées et mesurées à l'aide de capteurs appropriés qui les traduisent en signaux de grandeur variable, tension électrique par exemple, dont la grandeur est directement liée auxdites déformations et, donc, à l'effort exercé sur le levier. Lesdits signaux sont alors transmis à l'organe de puissance qui actionne, de façon connue, les organes de direction de l'engin. Ainsi le pilotage selon l'invention est un pilotage "en effort pur" directement lié à la manoeuvre à effectuer. Les déplacements qu'il nécessite sont de très faible amplitude, puisque ceux-ci n'entrafnent que des déformations "élastiques" du levier, condition indispensable pour que ledit levier reprenne une position d'équilibre, toujours la même, dès qu'il n'est plus sollicité et dont dépend la reproductibilité des manoeuvrer On conçoit qu'un tel levier puisse autre de dimensions réduites tout en assurant une grande précision du pilotage. Il comporte une tige rigide, dite "corps d'épreuve", fixée à demeure par une de ses extrémités au poste de pilotage. Le matériau constituant ladite tige, acier à haute résistance notamment, et les dimensions de celle-ci sont choisis pour que les plus grands efforts de pilotage n'engendrent pas de contraintes qui, dépassant la limite d'élasficité du matériau, provoqueraient une déformation perwonente de la tige. Pour empêcher une telle déformation, sous l'effet d'un choc ou d'un effort accidentel violent par exemple, le corps d'épreuve peut être logé à l'intérieur d'un tube rigide coaxial, fixé sur le même bats, de longueur voisine à celle dudit corps d'épreuve et dont la section intérieure est légèrement supérieure à celle de ce dernier. On ménage ainsi, entre le corps d'épreuve et le tube, un espace annulaire réduit qui autorise seulement des déplacements ne pouvant entrainer que des déformations élastiques. Ces déformations sont mesurées par, au moins, un détecteur associé au corps d'épreuve. Dans une forme préférée de l'invention ledit détecteur est une jauge électrique de contrainte, notamment jauge métallique d'extensométrie. Cette dernière est constituée par un filament métallique très fin replié plusieurs fois à 180 degrés afin de présenter des brins parallèles entr'eux et de disposer d'une grande longueur de filament sous une faible surface. Elle est fixée, par collage par exemple, à la surface du corps d'épreuve, en un point déterminé et selon une orientation précise, en fonction de la déformation à mesurer, ainsi qu'il sera exposé ci-dessous. Toute déformation du corps d'épreuve entrntne une modification de longueur et une modification de section du filament, en raison inverse l'une de l'autre et, donc, une variation de la résistance électrique de la jauge. Cette variation, proportionnelle à la déformation est donc, aussi, proportionnelle à l'effort. Sous l'effet d'un effort de flexion, les déformations, en un point des génératrices de surface de la tige contenues dans un plan passant par l'axe de celle-ci et parallèle à la direction de l'effort, sont calculées à partir de la formule où # L 1 1 est l'allongement relatif de la tige, M = FL est le moment de flexion, à la distance L du point d'application de la force F, R, le rayon de la tige, ule de Young de l'acier utilisé et le moment d'inertie en flexion. L'allongement relatif #est diautant plus important que la distance L est plus grande. C'est donc à la base de la tige que seront fixés les capteurs de flexion, orientés selon le sens des génératrices. Deux détecteurs, fixés à 90 degrés l'un de l'autre, permettent d'assurer le pilotage selon deux axes perpendiculaires, l'axe longitudinal et l'axe transversal de l'engin, de préférence. Sous l'effet d'un effort de torsion, les déformations en un point de la surface externe de la tige sont données par la formule TR où , R et E ont meAme signification que ci-dessus, T est le moment de torsion appliqué à la tiae et est le moment d'inertie en torsion. Les directions des contraintes principales ainsi mesurées sont disposées à 45 degrés des génératrices de la tige. C'est donc selon cette direction que seront orientés les capteurs de torsion. Leur point d'implantation à la surface de la tige est indifférent, car il n'affecte pas la sensibilité de la mesure. Ils seront, toutefois, disposés au voisinage de son extrémité libre pour minimiser l'effet de la flexion. Il est possible de manipuler le levier de manoeuvre par l'intermédiaire d'une poignée de type classique, mais pour augmenter le couple de torsion on utilise, de préférence, une poignée à grand axe sensiblement horizontal, telle que décrite ci-aprbs. Cette poignée, sensiblement perpendiculaire à l'axe du corps d'épreuve est conformée,à sa partie supérieure,à la paune de la main de l'opérateur. Pour en améliorer encore l'efficacité, on peut - prolonger ladite poignée par une gouttière, orientée vers le poignet et dans laquelle repose ce dernier, qui renforce ainsi l'action de la main - et ménager, sur sa face antérieure des empreintes pour le logement des doigts, ce qui assure une meilleure préhension, lors de la production des efforts. La main repose ainsi sur la poignée et reste disponible, en permanence, pour une intervention immédiate, dès qu'une manoeuvre est nécessaire. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit et des dessins annexés qui illustrent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention ; sur ces dessins, - la figure 1 est une vue en perspective d'un levier de manoeuvre, - la figure 2 montre séparément certains éléments dudit levier une tige rigide vue en coupe sur la figure 2a et de dessus sur la fi gure 2b, un socle, vu en coupe sur la figure 2c et de dessus sur la figure 2d, . un raccord vu en coupe sur la figure 2e et . un tube vu en coupe sur la figure 2f, - les figures 3, 4 et 5 représentent une poignée équipant ledit levier, respectivement en vue frontale, supérieure et latérale côté pouce et - les figures 6, 7 et 8 schématisent la disposition et le montage de jauges de contrainte sur la tige rigide. Un levier de manoeuvre, tel que représenté à la figure 1, est constitué par une tige rigide cylindrique 1, dont l'embase 2 est montée à force, par pincement, à l'intérieur d'un logement prévu dans un socle de forme parallélépipédi- que 3. Deux flasques 4, dont l'un est fixé sur un cote latéral du socle 3, ménagent entr'eux un évidement cylindrique 5, susceptible de recevoir une tige (non représentée), solidaire du poste de pilotage et sur laquelle le levier de manoeuvre est assujetti par serrage des flasques l'un contre l'autre. Une poignée 6, décrite ci-dessous, est emmanchée à l'extrémité supérieure libre de la tige rigide 1, par l'intermédiaire d'un raccord 7 solidaire de ladite poignée; des vis 8 assurent l'assujettissement du raccord sur la tige. La tige 1 est logée à l'intérieur d'un tube cylindrique 9, vissé par son embase 10 à la partie supérieure filetée 11 du socle 3. La section intérieure dudit tube est légèrement supérieure à la section exterieuredu raccord 7 qui pénètre, par son extrémité inférieure,à l'intérieur du tube. On ménage ainsi entre ces deux éléments un espace annulaire 12 de faible largeur (deux à trois millimètres) qui limite les déplacements de la tige 1 dont les déformations restent ainsi dans la zone d'élasticité du matériau la constituant. Ce matériau peut être, notamment, un acier à haute résistance, nuance V300 des Etablissements Aubert et Duvol par exemple, qui, trempé à l'huile à 890 degrés et revenu à 425 degrés présente une limite d'élasticité de 150 kilogrammes par millimètre carré. Le socle 3, les flasques 4 et le tube 9 sont en métal léger, duralumin par exemple, pour réduire le poids du levier de manoeuvre. Les figures 2a à 2f représentent, sensiblement en grandeur nature, la tige 1, le socle 3, le raccord 7 et le tube 9, tels que décrits ci-dessus. Sur la tige 1 représentée à la figure 2a sont schématisées des jauges de contrainte qui seront décrites ci-après, en référence aux figures 6 à 8. Des fils électriques sont prévus pour relier les bornes desdites jauges à une boite de connexion (non représentée) fixée à la base du socle 3. Ils sont acheminés à ladite boite à travers des orifices 13 et un évidement 14 percés dans l'embase 2 de la tige 1. Les figures 3, 4 et 5 représentent, respectivement en vue frontale, supé- rieure et latérale côté pouce, la poignée de commande 6. Cette poignée, en matière plastique moulée, présente - à sa partie supérieure, une surface conformée, vers l'avant 15, à la paume de la main d'un opérateur et, vers l'arrière 16, au poignet dudit opérateur, - sur sa face frontale, des empreintes 17 pour le logement des deuxième, troisième et quatrième doigts, - sur sa face latérale, coté cinquième doigt, une demi empreinte 19 permettant le déplacement dudit doigt et - sur sa face latérale, catie pouce, un méplat 18 laissant le libre débattement dudit pouce. Un bossage 20 est disposé à l'avant du pouce pour le logement d'une commande auxiliaire 21, notamment commande du "trim", dans le cas de pilotage d'un avion. D'autres commandes annexes peuvent etre prévues, au voisinage des zones d'activité des extrémités des doigts, comme celles représentées par un bouton à bascule 22, actionné par les troisième et quatrième doigts et un bouton poussoir 23,actionné par le pouce. La figure 6 est un schéma d'implantation de jauges électriques d'exten isométrie à la surface, montrée ici développée, de la tige 1. Les génératrices 0 et w sont contenues dans un plan, passant par l'axe de la tige et parallèle à l'axe longitudinal de l'engin à piloter les génératrices T et 2 sont contenues dans un plan perpendiculaire au précédent. Les jauges sont réparties en trois groupes pour former trois détecteurs cons titués respectivement par - les jauges 31 et 32, implantées sur la génératrice 0 et dans le sens de celle-ci et les jauges 33 et 34 implantées de même façon sur la génératrice s . Ce détecteur mesure les déformations issues d'un effort de flexion exercé selon le sens longitudinal de l'engin; il contre le mouvement de tangage - les jauges 41 et 42 sur la génératrice # et 43 et 44 sur la généra31v 3# également implantées comme ci-dessus. 2 trice - les jauges 51 et 52, implantées à 90 degrés l'une de l'autre, au voisinage de la génératrice 2 et à 45 degrés par rapport à celle-ci et les jauges 53 et 54, implantées de la même façon au voisinage de la génératrice 2 Ce dernier détecteur mesure les déformations issues d'un effort de torsion ; il con trole le mouvement de lacet, perpendiculaire aux deux autres. Les deux détecteurs de flexion sont collés sur la tige 1, au voisinage de son embase et le détecteur de torsion, au voisinage du raccord 7. Comme le représente le schéma de la figure 7 les jauges des détecteurs de flexion sont montées en pont de Wheatstone, alimenté en courant électrique selon la diagonale(±),dw Cette différence de potentiel est proportionnelle à la déformation et donc aussi à l'effort exercé sur le levier, Il convient de noter - d'une part, qu'on obtiendrait un résultat semblable en n'utilisant que deux jauges disposées chacune sur l'une des génératrices 0 et 1Y, 31 et 33 par exemple, les jauges 32 et 34 étant remplacées par deux résistances fixes de mAe me valeur que celle des jauges de contraintes au repos. Dans ce cas, la tension en B serait constante en toute circonstance, seule la tension en A varierait. L'utilisation de quatre jauges, on le conçoit, permet de doubler la sensibilité du dispositif. - d'autre part, que la disposition de deux ou quatre jauges, comme indique ci-dessus, n'est pas sensible aux effets produits par un effort de traction ou de compression exercé sur la tige, car, dans ce cas, la variation de résistance étant égale et de même sens dans les jauges, la différence de potentiel aux bornes A et B reste nulle. La figure 8 schématise un montage analogue, en pont de Wheatstone,des jauges du détecteur de torsion. Contrairement au montage précédent, deux jauges voisines sont couplées sur la mene borne de sortie du pont C ou D. Comme ci-dessus, deux jauges, 51 et 52, par exemple, seraient wffisantes pour déceler les déformations de torsion, mais alors, le montage serait sensible aux efforts de flexion, traction et compression. Le montage de quatre jauges, par contre, permet d'obtenir un détecteur sensible aux seuls efforts de torsion et de doubler Sa sensibilité. Tous les ponts sont alimentés par un courant électrique continu de l'ordre de trois volts, ce qui donne, pour des efforts de l'ordre de 2,5 Newtons appli quels sur la poignée, des signaux de l'ordre du millivolt sur la diagonale A B des détecteurs de flexion. Le détecteur de torsion, moins sensible, délivre des signaux de l'ordre de quelques centaines de microvolts sur la diagonale C D. La technologie des jauges électriques d'extensométrie montre que, pour travailler dans de bonnes conditions de fiabilité, il ne faut pas dépasser un al longement relatif 8 (=) de 1,50/ce, soit 1500 micromètres par métré. Pour cette valeur, le constructeur garantit 106 cycles de fonctionnement sans risque de rupture. Cette valeur tombe à 104 cycles dès que atteint 2000 micromètres par mètre; la durée de vie de la jauge est, par contre, pratiquement illimitée lors que test inférieur à 1500. Les dimensions du levier décrit ci-dessus (de l'ordre de 180 mm de longueur utile et de 10 mm de diamètre) sont telles que, pour une utilisation normale dudit levier, la valeur de 1 est de tordre de 1000 micromètres par mètre. Pour de tels efforts, on se trouve très largement en dessous de la limite d'élasticité de l'acier car la contrainte, égale au produit du module de Young (E = 20.000 kg/mm2) par l'allongement relatif ( mm > est est de 1000 mm) est de l'ordre de 20 kg/mm2 seulement. Ainsi lorsque la force appliquée au levier disparaît, la tige qui était légèrement fléchie ou tordue reprend sa position initiale d'équilibre, ce qui se traduit électriquement par un excellent "retour au zéro". Pour la sécurité du pilotage, notamment en aéronautique, plusieurs détecteurs peuvent êire montés en parallèle pour la mesure d'un même paramètre afin de pallier la mise hors service de l'un d'entr'eux. Il est enfin possible, pour cette industrie, de combiner les asservissements pour que le détecteur de torsion, qui contrôle, en vol, le mouvement de lacet, assure, au sol, la manoeuvre des roues directrices et pour que le détecteur de flexion dans le sens longitudinal de l'avion, qui contrôle, en vol, le mouvement de tangage, assure, au sol, le freinage de l'appareil. L'invention ayant maintenant été exposée et son intérêt justifie sur un exemple détaillé, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité pendant toute la durée du brevet sans limitation autre que celle des termes des revendications ciaprès. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour diriger un engin par l'intermédiaire d'un organe de puissance caractérisé en ce qu'il consiste - à déformer un levier de manoeuvre rigide, solidaire d'un b8ti, dans la limite d'élasticité du matériau constituant ledit levier, - à détecter et à mesurer ladite déformation élastique et - à transmettre à l'organe de puissance un signal dont la grandeur est fonction de ladite mesure. 2 - Levier de manoeuvre pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte - une tige rigide, notamment en acier à haute résistance, fixée à demeu re par une de ses extrémités au poste de pilotage, - au moins un détecteur pour la mesure des déformations élastiques que subit ladite tige sous l'effet d'un effort de flexion ou de torsion exer cée à son extrémité libre et - un dispositif pour la transmission, à l'organe de puissance, des signaux émis par ledit détecteur. 3 - Levier de manoeuvre selon la revendication 2 caractérisé en ce que le détecteur est un capteur électrique de contrainte, notamment constitué par un ensemble de quatre jauges métalliques d'extensométrie montées en pont de Wheatstone et fixées à la surface de la tige rigide. 4 - Levier de manoeuvre selon la revendication 3 caractérisé en ce que trois capteurs de contrainte sont prévus pour mesurer les déformations élastiques selon trois axes perpendiculaires entr'eux - l'un sous l'action d'un effort de torsion exercé autour de l'axe de la tige rigide et - les deux autres sous l'action d'un effort de flexion exercé respective ment selon le sens longitudinal et selon le sens transversal de l'engin. 5 - Levier de manoeuvre selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 carac terse en ce que la tige rigide est logée à l'intérieur d'un tube fixe et rigide, de section légèrement supérieure à celle de ladite tige. 6 - Levier de manoeuvre selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 carac térisé en ce qu'il comporte à l'extrémité libre de la tige rigide une poignée sensiblement horizontale et dont la face supérieure est conformée à la paume de la main d'un opérateur. 7 - Levier de manoeuvre selon la revendication 6 caractérisé en ce que la poignée comporte à sa partie postérieure un prolongement en forme de gouttière destiné à supporter le poignet de l'opérateur. 8 - Levier de commande selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la poignée présente - sur ses parties latérales, des méplats correspondant aux zones d'activité des premier et cinquième doigts et - sur sa partie antérieure, des empreintes destinées au logement des deu xième, troisième et quatrième doigts. 9 - Levier de commande selon la revendication 8 caractérisé en ce que la poignée est équipée de boutons de commandes auxiliaires disposés au voisinage des zones d'action de l'extrémité des doigts.