Brevet FR2537301A1 — publié le 19840608

La présente invention concerne Le preblème technique d- l'orientation, du déplacement ou du réglage, sur au mains deux degrés de liberté, d'un corps mobile par rapport à une partie ou structure fixe. L'objet de l'invention vise, plus particulièrement, le problème du positionnement d'un corps quelconque par rapport à un référentiel immobile et elle vise, plus spécialement encore, le pro- blème du réglage de l'orientation d'un corps devant, en outre, pou- voir être mobile en rotation sur un axe susceptible d'adopter une orientation quelconque à l'intérieur d'un angle solide prédéterminé. L'invention peut faire l'objet de plusieurs applications différentes et être mise en oeuvre, notamment, pour les robots, les commandes de structures orientables, telles que les radars, les mani- pulateurs de l'industrie, les commandes de plateformes de guidage, etc Dans les différents domaines ci-dessus, le'problème du réglage, de l'orientation ou du déplacement d'un corps mobile, par rapport à une structure fixe sur plusieurs degres de Ilibertg, s'ef- fectue en mettant en oeuvre un actionneur propre à chaque axe ou degré de liberté concerné Ceci a pour effet de Cré r un ensemble lourd, encombrant, onéreux par suite de la mult prlcation des action- neurs et de leurs moyens de liaison et de commande. En outre, une telle conception mdxt à multiplier les inconvénients dûs aux différents actionneurs mis en oeuvre et, notamr- ment, aux problèmes de fiabilité qui leur sont attachés. L'objet de l'invention vise à remplacer les différents actionneurs de la technique antérieure par un moyen unique capable de répondre au problème posé, c'est-à-dire d'autoriser un réglage possi- ble d'un corps mobile par rapport à une référence fixe sur plusieurs degrés de liberté, l'un de ces degrés de liberté représentant un axe de rotation complète du corps mobile. Un autre objet de l'invention est de préconiser des moyens permettant de réaliser une commande simultanée ou indépendante sur chacun ou plusieurs des degrés de liberté, de façon à provoquer un mouvement résultant qui est directement en rapport avec les compo- santes individuelles relatives aux degrés de liberté concernés. Un objet supplémentaire de l'invention est de fournir, ea autre, des moyens pour apprécier le déplacement, le réglage ou I O L'arieetation du corps mobile par rapport à une référence fixe, de fa,çm, pouvoir déterminer, immédiatement, la position spatiale adop- tée à lt suite de la commande de déplacement exécutée. Pour atteindre les buts ci-dessus, l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend: un corps présentant une surface sphérique, une structure'indépendante du corps, mais asso- ciée à ce dernier par des moyens autorisant un déplacement relatif en rotation sur trois axes, des moyens électromagnétiques interposés entre le corps et la structure assumant une fonction de coupleurs électromagnétiques provoquant, sur au moins deux axes indépendants une rotation rela- tive, totale et réversible sur un axe et par- tielle et réversible sur l'autre, entre le corps sphérique et la structure. Diverses autres caractéristiques ressortent de la descrip- tion faite ci-dessous en référence aux dessins annexes qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig 1 est un schéma montrant l'application de l'in- vention. La fig 2 est une perspective schématique illustrant, à plus grande échelle, l'objet de l'invention. La fig 3 est une coupe prise, à plus grande échelle, selon le plan III-III de la fig 2. La fig 4 est une vue en plan schématique prise sensi- blement selon le plan IV-IV de la fig 2. La fig 5 est une vue schématique prise sensiblement selon la ligne V-V de la fig 4. La fig 6 montre, plus en détail, un élément constitutif de l'objet de l'invention, La fig 7 est une coupe prise selon la ligne VII-VII de la fig 5. La fig 8 est une vue schématique analogue à la fig 1 mais montrant un autre exemple d'application. Les fig 9 et 10 sont des vues schématiques correspon- dant à ces coupes diamétrales illustrant deux variantes de réalisa- tion de l'objet de l'invention. La fig I montre, schématiquement, que l'objet de l'in- vention, désigné dans'son ensemble par la référence 1, est destiné à être mis en oeuvre pour assurer le déplacement, le réglage ou l'orien- tation d'un corps mobile 2 quelconque par rapport à un support fixe 3. Le dispositif I est constitué par un convertisseur élec- tromécanique à plusieurs degrés de liberté representé, dans sa réa- lisation selon la fig 2, comme susceptible d'autoriser un déplace ment, une orientation ou un réglage selon trois degrés de liberté correspondant à trois axes de rotation Ces axes ou degrés de liberté sont référencés A 1, A 2 et A 3, s'intersectant en un point commun O. Le convertisseur électro-mécanique I comprend un corps 4 susceptible d'être relié physiquement à l'appareil 2 par tout moyen convenable tel qu'un prolongement radial 4 a matérialisant, de pré- férence, l'axe A 1. Le corps 4 est monté sur le support 3 par des moyens 5 lui procurant une liberté de déplacement relatif en rotation, au moins partielle, sur trois axes Dans l'exemple illustré par la fig. 3, les moyens 5 sont constitués sous la forme d'un joint universel centré sur le centre O en étant disposé à l'intérieur du corps 4 constitué par un corps creux Le joint universel comprend une rotule constituée par une pièce sphérique 5 a solidaire du corps 4 par une tige radiale 5 b La pièce 5 a coopère avec un logement 5 c, en deux parties assemblables, prévu à l'extrémité d'un montant 5 c s'élevant depuis le support 3 et traversant le corps creux 4 par une ouverture 4 b. La tige 5 b et le montant 5 d coiïncident avec l'axe A 1 et coefèrent ainsi une possibilité de rotation totale et réversible du eorps 4 sur cet axe. Les moyens 5 pourraient être réalisés différemment et, par exemple, le joint universel pourrait être formé directement par un logement interne au corps 4 réalisé en deux parties assemblables pour permettre le montage et le démontage d'une piece sphérique por- tee par le montant. Une autre façon de réaliser les moyens 5 serait de les constituer par quatre galets portés par une cage solidaire du sup- port 3 et coopérant avec une surface extérieure sphérique du corps 4. Le convertisseur électromécanique comprend, par ailleurs, des moyens électromagnétiques M destinés à coopérer avec le corps 4. Ces moyens M sont portés par une structure 6 s'élevant à partir du support 2. La structure 6 peut effectuer toute forme particulière correspondant à l'application retenue et n'est représentée, à la fig 2, qu'à titre d'exemple non limitatif sous la forme d'un cadre plan. Les moyens M sont affectés chacun à un degré de liberté ou à un axe de rotation et portent, pour cette raison les indices 1, 2 et 3 leur correspondant Les moyens électromagnétiques M 1 à If 3 sont, de preférence, portés par la structure 6, de manière que leur plan de symétrle corresponde avec le plan diamétral P du corps 4, perpendiculaire à l'axe Al et passant par le point ou centre O A titre d'exemple, la liaison peut être établie par des membrures conve- nables 7 tenant compte des possibilités de montage et démontage des moyen; M à M 3, ainsi que des obligations spécifiques inhérentes à leur fonctionnement électromagnétique. Dans l'exemple de réalisation selon les fig 1 à 3, les moyens M sont disposes à l'extérieur du corps 4 qui présente, obli- gaeoirement, une surface extérieure sphérique centrée sur le centre 0. Le moyen électromagnétique M 1 est disposé de manière que 253730 1 son plan d'influence corresponde au plan diamétral P alors que les moyens M 2 et M 3 sont disposés pour que le plan de chacun d'eux soit perpendiculaire au plan P. Les moyens électromagnétiques Ml à M 3, destinés à créer des champs magnétiques radi aux à déplacement tangentiel, de façon à provoquer,chacun dans son plan d'influence, une rotation du corp$ 4 sur l'axe perpendiculaire à un tel plan Les moyens M sont coÈnstitu 6 s de masses feuilletées 8 (fig 4 et 5) usinées de manière à délimiter, sur leur surface en regard de celle sphérique du corps 4, des dents 10 entre lesquelles sont placés des bobinages. La construction de ces moyens M 1 à M 3 doit être considé- rée comme du domaine de l'homme de métier pour ce qui concerne le choix des épaisseurs et de l'alliage des différentes plaques entrant dans la constitution des masses feuilletées, le choix des isolants les séparant et le choix des caractéristiques des bobinages qui leur sont associés La seule exigence devant être maintenue est la réali- sation de moyens M 1 à M 3 présentant une surface en portion de sur- face sphérique qui est, dans le cas présent, concave, de manière à pouvoir délimiteravec la surface sphérique convexe du corps 4, un entrefer de valeur constante. De manière à pouvoir établir un couplage électromagné- tique entre les moyens M 1 à M et le corps sphérique 4, il peut être prévu de réaliser ce dernier de plusieurs façons différentes. Le corps 4 peut présenter une surface extérieure lisse et être réalisé en une matière ferromagnétique massive, en partie au moins en matière ferromagnétique recouverte d'une couche de matière conductrice telle que cuivre ou aluminium ou encore, en une matière amagnétique associée à unrevêtement de matière conductrice comme le cuivre ou l'aluminium. Le convertisseur électromagnétique représente alors un dispositif moteur asynchrone à réluctance constante. Le corps 4 peut aussi présenter des plots prévus de ma- nière à réaliser dans chacune des directions, avec les dents magn E- tiques 10 des moyens inducteurs M, un effet de Vernier électro- magnétique Le corps 4 peut alors être réalisé en un matériau 25373 1 ferromagnétique non conducteur, en un matériau ferromagnétique conducteur ou, encore, en un matériau ferromagnétique non conducteur revêtu d'une couche de matière conductrice Les intervalles entre les plots peuvent être occupés par des aimants ou par des bobines de polarisation. Le convertisseur électromagnétique représente alors un dispositif moteur synchrone à réluctance variable. Une combinaison de ces deux techniques permet de disposer d'un convertisseur asynchrone synchronisé. L'alimentation des inducteurs M est associée avec des courants d'intensité variable en fonction du déplacement à détenir. Une commande pas à pas peut ainsi être obtenue dans le cas de cons- truction en dispositif moteur synchrone. Ainsi, en référence de la fig 2, on conçoit que l'ali- mentation du moyen électromagnétique M 1 permet de faire tourner le corps sphérique 4 par les moyens 5 sur l'axe ou le degré de liberté A 1, dans un sens ou dans l'autre, et sur une rotation inférieure, égale ou supérieure à 3600. L'alimentation du moyen M 2 permet de commander la rota- tion du corps sphérique par les moyens 5 sur l'axe A 2 avec une am- plitude angulaire correspondant à la liberté de déplacement autorisée, soit par les moyens 5, soit par l'encombrement général que présentent les moyens M 1 à M 3 Il est certain que l'alimentation du moyen M 2 peut être aétablie indépendamment ou successivement à celle du moyen M 1 Lorsqu'il est souhaité entraîner le corps 4 en un déplacement intîe Fmaet sur chacun des axes ou degrés de liberté ou, encore, en un mouvement résultant correspondant aux actions combinées d'au mains deux déplacements sur deux degrés de liberté. L'alimentation du moyen M 3 permet de faire tourner le corps sphérique 4 par les moyens 5 sur l'axe ou le degré de liberté A 3 avec les mêmes conditions que celles correspondant au moteur M 2. Ainsi, le convertisseur électromagnétique, objet de l'invention, constitué comme décrit ci-dessus, permet, en étant inter- posé entre un support 3 et un produit, objet du dispositif 2 mobile, de commander le déplacement, l'orientation ou le réglage de position de ce produit en ne faisant intervenir qu'une structure motrice dont l'encombrement est limité par rapport aux solutions traditionnelles comportant autant d'actionneurs qu'il existe de degrés de liberté. Par le moyen de l'invention, il devient ainsi possible de faire tourner le produit-ou objet 2 sur l'axe A 1, en rotation continue ou non, dans un sens ou dans l'autre, et de régler la posi- tion de cet axe à l'intérieur d'un cône défini par un angle solide déterminé par l'amplitude de déplacement susceptible d'être confée-e en rotation sur les axes A 2 et A 3. Selon un développement de l'invention, il est prévu de faire comporter au convertisseur électro-mécanique un détecteur Il de position propre à chacun des degrés de libertéo Les détecteurs de position 112-113 correspondant aux axes A 2 et A 3 peuvent être, par exemple, de type de celui représenté schématiquement aux fig 6 et 7 Selon ces dernières, chaque détec- teur Il comprend un bras 12 qui est monté sur le prolongement 4 a par l'intermédiaire d'une bague de rotation 13 Le bras 12 comporte, à son extrémité opposée, une réglette 14 qui est susceptible de cou- lisser dans une glissière 15 occupant sur la structure 6 une position fixe correspondant au plan d'influence du moyen M auquel le détec- teur correspond La réglette 14 est associée au bras 12 par un pivot 16 dont l'axe est dirigé vers le centre 0 La réglette 14 comporte, sur l'une de ses parties constitutives, des fentes de longueur dé- terminée qui sont destinées à coopérer avec des moyens de lecture, tels que des phototransistors adaptés sur la glissière 15 Les fentes sont échelonnées de manière à pouvoir déterminer, à la fois, l'am- plitude et le sens du déplacement à partir d'une position neutre correspondant, par exemple, à un alignement du prolongement 4 a avec la verticale. En référence à la fig 6, on constate que le corps sphe- rique 4 est libre de rotation sur l'axe A 1 mais que tout déplacement angulaire de cet axe peut ainsi être détecté au moyen des capteurs 112-113 En effet, si par exemple l'alimentation du moyen électro- mécanique M 2 est assurée pour entraîner la rotation du corps sphéri- que 4 sur l'axe A 2 dans l'un ou l'autre sens de la flèche f Is la- réglette 14 se déplace à l'intérieur de la glissière 15 et fournit, par la coopération des fentes et des moyens de lecture, l'informa- tion correspondante à distance permettant de détecter l'amplitude ou la nouvelle position atteinte par le corps sphérique 4. Les informations délivrées par les détecteurs correspon- dant aux axes A 2 et A 3 permettent donc de posséder une connaissance exacte de la position spatiale du prolongement 4 aet, par conséquent, du produit ou objet 3. La connaissance de l'orientation sur l'axe A 1 -est four- nie par un détecteur de position 113 correspondant à l'axe AI, cons- titué par un détecteur de conception classique, tel qu'une roue codée, fixée sur le prolongement 4 aet associée à un lecteur optique ou magnétique par exemple fixé sur l'une des bagues 13. Dans ce qui précède, il est indiqué que, selon la fig 1, le convertisseur électromécanique 1 est interposé entre un support 3 fixe et un produit ou objet 2 mobile Il doit être considéré que l'objet de l'invention peut également être mis en oeuvre pour une disposition inversée consistant à rendre le corps 4 fixe et la structure 6 mobile lorsqu'elle est conçue en tant que plateforme de montage ou d'adaptation d'ensembles ou de produits divers, comme cela apparaît à la fig 8. *Le fonctionnement décrit ci-dessus intervient, alors de même façon pour produire une rotation relative entre le corps sphé- rique 4 et la structure 6, dès que l'un quelconque des moyens M est alimenté. Dans certaines applications, il peut être envisagé de mettre en oeuvre le convertisseur électromécanique de l'invention pour des dispositifs pour lesquels l'encombrement, représenté par la. structure 6 décrite à la fig 2, peut être rédhibitoire. Dans un tel cas, comme illustré par la fig g, les moyens électromagnétiques M 1 à M 3 peuvent être conçus pour que la surface sphérique qu'ils délimitent soit extérieure et non plus intérieure, de manière à pouvoir coopérer avec une surface sphérique interne du corps creux 4 La structure porteuse des moyens électromagnétiques se présente alors comme une armature, par exemple, à bras 17 2537230 1 rayonnants s'étendant à partir du montant 5 d Les bras rayonnants 17 et le montant 5 d sont, de préférence, tubulaires pour assurer l'acheminement et la protection des conducteurs d'alimentation des moyens électromagnétiques M. Dans cet exemple de réalisation, le corps 4 peut être mobile par rapport à l'armature 6 fixe ou inversement. La fig 10 montre qu'une disposition mixte peut également être retenue en faisant comporter certains des moyens M à l'int 6- rieur du corps 4 et d'autres moyens à l'extérieur de ce dernier. Ceci peut être le cas, notamment, lorsque chacun des moyens M 1 à M 3 est formé de deux éléments constitutifs travaillant en couple pour produire le déplacement du corps 4 ou de la structure 6 sur un axe ou un degré de liberté. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 Convertisseur électro-mécanique à plusieursdegrés de liberté, caractérisé en ce qu'il comprend: un corps ( 4) présentant une surface sphérique, une structure ( 6) indépendante du corps mais associée à ce dernier par des moyens ( 5) auto- risant un déplacement relatif en rotation sur trois axes, des moyens électromagnétiques (M) interposés IO entre le corps et la structure assumant une fonc- tion de coupleurs électromagnétiques provoquant, sur au moins deux axes(A)indépendants une rota- tion relative, totale et réversible sur un axe et partielle et réversible sur l'autre, entre le corps sphérique et la structure. 2 Convertisseur électro-mécanique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend un corps mobile ( 4) et une structure ( 6) immobile. 3 Convertisseur électro-mécanique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend un corps ( 4) immobile et une structure ( 6) mobile. 4 Convertisseur électro-mêcanique selon l'une des re- vendlcations I à 3, caractérisé en ce que les moyens glectromagné- tiques (M) sont placés à l'extérieur du corps ( 4) pour coopérer avec une surface sphérique extérieure de ce dernier et sont portés par la structure ( 6) réalisée en forme de cage au moins partielle entou- rant le corps. Convertisseur électro-mécanique selon l'une des reven- dications I à 3, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques (M) sont placés à l'intérieur du corps ( 4) pour coopérer avec une surface sphérique interne de ce dernier et sont portés par la struc- ture ( 6) pénétrant dans ledit corps par l'axe de rotation totale et réversible. 6 Convertisseur électro-mécanique selon l'une des re- vendications 1 a 3, caractérisé en ce que les moyens électromagnéti- ques (M) sont disposés à la fois à l'extérieur et à l'intérieur du corps ( 4). 7 Convertisseur électromécanique-selon l'une des reven- dications I à 6, caractérisé en ce que les moyens électromagnetiques (M) assument une fonction de couplage électromagnétique synchrone. 8 Convertisseur électro-mécanique selon l'une des re- vendications I à 6, caractérisé en ce que les moyens électromagne- tiques (M) assument une fonction de couplage électromagnétique asynchrone. 9 Convertisseur électro-mécanique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que chaque axe de rotation (A) est associé- à un capteur de position ( 11). Convertisseur électro-mécanique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens ( 5) comprennent une rotule centrée sur le centre du corps ( 4) et constituée par une partie sphé- rique ( 5 a) solidaire du corps et par un logement ( 5 c) ménagé dans un montant ( 5 d) relié à la structure et pénétrant axialement dans Ie corps.