Brevet FR2659789A1 — publié le 19910920

MANIPULATEUR A JAUGES DE CONTRAINTE La présente invention cxcrnoe, de fa Q O N générale, un manipulateur à jauges de contrainte produisant des signaux repré- sentatifs d'un effort de manipulation pouvant s'exeroer dans toute direction radiale par rapport au manipulateur et comprenant également un bouton de validation. Dans de multiples applications, par exemple dans oertains jeux électroniques interactifs, on est amerné à utiliser un levier de xommandre destiré à être cmmandax d'une seule main et pouvant être sollicité selon toute direction radiale Un tel manipulateur est cumunément appelé "manche à balai", à l'image du levier se déplaçant simultanément dans deux directions ortho- gonales, utilisé dans les avions pour contrôler simultanément les trajectoires horizontale et verticale Dans certaines applica- tions, il est en outre utile d'associer à un tel manipulateur un bouton poussoir pouvant être actionné à tout moment, de la même main, par exemple pour valider une action particulière de mani- pulation. Un tel manipulateur est généralement constitué d'une pièce support dans laquelle est ercastrée une tige flexible pleine comprenant à son extrémité libre une manette et portant quatre jauges de contrainte disposées sur sa périphérie en des points régulièrement espacés Les quatre jauges de contrainte sont habituellement montées en pont et fournissent des signaux électriques représentatifs du déplacement de la manette dans un plan perpendiculaire à l'axe lcngitudinal de la tige. La tige flexible est géneralement relativement rigide, de sorte que sa flèche reste faible sous l'action de manipula- tions de l'intensité maximum permise On utilise en grénéral une tige en acier de quelques millimètres de diamétre et de quelques oentimètres de long, onstituant ainsi un manipulateur se présen- tant sous la forme d'un levier de faible diamètre et de faible longueur, tenant dans la main. Il est connu d'associer à un tel manipulateur un ensem- ble constitué d'un bouton poussoir de validation et d'un inter- rupteur actionré par oe bouton poussoir Le bouton poussoir est alors disposé en bout de la tige et l'interrupteur est disposé à c Oté de oette tige Le manipulateur ne présente donc pas une forme symétrique par rapport à l'axe longitudinal de la tige flexible, du fait de la position latérale de l'interrupteur Une telle disposition présente des difficultés de construction parce que le bouton poussoir agit en porte à faux sur l'interrupteur et présente des difficultés de montage parce que l'interrupteur disposé latéralement crée un erncobrement important. Il est en genéral prévu de loger l'ensemble constitué de la tige flexible et de l'interrupteur dans une enveloppe cylindrique fixe, la tige flexible et l'enveloppe cylindrique étant disposées coaxialement Cette enveloppe cylindrique permet de donner au manipulateur une forme extérieure cylindrique qui assure une protection physique de l'interrupteur L'enveloppe cylindrique a un diamétre intérieur dont la dimension minimum est égale au double de la dimension de l'interrupteur dans le sens radial, à laquelle il faut ajouter le diamètre de la tige flexible Cette disposition implique, soit que 1 'enveloppe cylin- drique a un diamètre relativement grand qui gêne son montage soit que l'interrupteur, ainsi que d'éventuelles pièces intermianireq transrettant le moiuvement du bouton poussoir à l'interrupteur, doivent être réalisés de fagçx très miniaturisée, ce qui entraîne un surcoût ou une diminution de fiabilité du manipulateur. Par exemple, le manipulateur peut être utilisé dans une poignée de commande pour avion La poignée doit présenter une très grande fiabilité ainsi qu'un faible ernxobrement, ceci malgré un nombre important de oommandes installées sur la poignée. Un objet de la présente invention est de prévoir un manipulateur à jauges de ontrainte muni d'un bouton poussoir de validation, pouvant se présenter sous forme d'un levier cylin- drique de faible diantre et de faible lorgueur, présentant un enrombrement minimum. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un manipulateur de comtplexite minimum et de meilleur fiabilité. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le mani- pulateur à jauges de contrainte couprend une pièoe support; un tube cylindrique à paroi minice fixé rigidement, au niveau d'une première de ses extrémités, à la pièce support; au moins deux jauges de contraintes fixées sur le tube au voisinage de sa première extrémité; une manette reliée à l'autre extrémité du tube, oette manette transmettant au tube des efforts radiaux de marneuvre effectués par un utilisateur et constituant également un bouton poussoir pouvant se déplaoer selon un axe longitudinal du tube sous l'action de l'utilisateur; et un organe de ccmnande logé à l'intérieur du tube et actionné par le déplacement longi- tudinal de la manette. Selcn un mode de réalisation de l'invention, le mani- pulateur à jauges de contrainte couprend quatre jauges de contrainte fixées de façon ciroenférencielle et à équidistance sur la surface extérieure du tube. Selon un autre mode de réalisation de l' invention, le tube du manipulateur est réalisé par dépôt électrochimique d'un premier matériau métallique sur un mandrin cylindrique réalisé en un second matériau, puis par attaque chimique sélective du man- drin cylindrique, pour ne laisser finalement subsister que la pièce constituée par le premier matériau métallique qui constitue alors le tube. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le tube du manipulateur présente une épaisseur de paroi d'environ 20 micrométres. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la pièce support du manipulateur présente une partie cylindrique coiprenant un alésage longitudinal, cette partie cylindrique s'étendant longitudinalement à l'intérieur du tube, et en ce que l'organe de comindade est logé à l'intérieur de l'alésage. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la partie cylindrique de la pièce support s'étend à l'intérieur du tube jusqu'au voisinage de son autre extrémité et canprend une surface cylindrique extérieure ayant un diamntre léegèrement infé- rieur au diamètre de la surface intérieure du tube, de façon à limiter la flèche du tube lors de l'actionnement du manipulateur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la manette oomporte une pièce cylindrique traversant un embout fixé à l'extrémité du tube, la pièce cylindrique pouvant coulisser longitudinalement dans l'embout lorsque la manette est utilisée en tant que bouton poussoir, la pièce cylindrique venant actionner l'organe de oeommande sous l'effet de son déplaoement longitudinal, par l'intermédiaire d'un mécanisme d'actionnement disposé à l'intérieur de l'alésage de la partie cylindrique de la pièce support et pouvant coulisser longitudinalement à l'inté- rieur de cet alésage. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un manipulateur selon la présente invention; et la figure 2 est une coupe transversale de la figure 1 selon la ligne A-A. La figure 1 représente en coupe un manipulateur selon l'invention Ce manipulateur est constitué d'une pièce support 1 pouvant être fixée rigidement sur un bâti d'un appareil quel- conque 2 La pièce support 1 cxnmporte une surface cylindrique formant une emabase 3 sur laquelle vient s'emboîter l'extrémité inférieure 4 d'un tube cylindrique à paroi mince 5 Le tube 5 est ainsi fixé à demeure sur la pièce support 1, par exemple par collage ou soudage Une manette 6 est fixée au niveau de l'autre extrémité 7 du tube 5 Quatre jauges de ccntrainte 8 a à 8 d sont fixées sur la surface extérieure du tube 5, au voisinage de son extrémité inférieure 4, et sont régulièrement espacées cironférerniellement, comme cela est représenté en figure 2. Sous l'action d'une force radiale (illustrée par la flèche 9), c'est-à-dire une force perpendiculaire à l'axe longi- tudinal 10 du tube 5, ce tube fléchit et provoque une compression ou une extension des jauges de contrainte 8 a à 8 d Les jauges de contrainte 8 a à 8 d sont reliées à un dispositif de mesure classique non représenté permettant de déterminer l'intensité et la direction dans un plan radial de la flèche prise par le tube , cette flèche correspx 3 dant à la force radiale exercée sur la manette 6 par un utilisateur. La manette 6 constitue aussi un bouton poussoir pouvant se déplaoer longitudinalement, le long de l'axe 10, d'une façon indépendante de ses déplacemants radiaux L'utilisateur a donc la possibilité d'exercer sur la manette 6 simultanément une action de manxeuvre par des efforts radiaux d'intensité et de direction déterminées et une action ixtndépendante de validation en exerçant sur la manette 6 une pression dans le sens longitudinal. Selon l'invention, on loge à l'intérieur du tube à paroi mire 5 l'ensemble du mécanisme actionrn par le bouton poussoir de validation onxstitué par la manette 6 On peut ainsi loger à l'intérieur du tube 5 un interrupteur électrique 13, ou tout autre organe de oeommandae produisant un signal binaire en réponse à l'action du bouton poussoir ainsi que les pièces mca- niques de guidage et de rappel du bouton poussoir Le tube 5 ne doit pas être gêné dans ses déplaoements radiaux Pour cette raison, 1 'interrupteur 13 et les pièces nmécaniques évoquées précdnent sont en fait logés et maintenus à l'intérieur d'une partie cylindrique creuse 14 de la pièce support 1, cette partie cylindrique 14 étant logée à l'intérieur du tube 5. La manette 6 est liée à une pièce cylindrique dirigée vers le bas 15 traversant un embout 16 fixé rigidement au tube 5 au niveau de son extrémité supérieure 7 La pièce 15 peut coulis- ser libremnt longitudinaleent par rapport à l'embout 16. Lorsque l'utilisateur emploie la manette 6 en tant que bouton poussoir, il y exerce un effort dirigé vers le bas selon l'axe 10 L'extrnité inférieure de la pièce 15 pousse alors vers le bas une pièce cylindrique 17 logée et guidée longitudinalement à l'intérieur d'un alésage cylindrique 18 de la partie cylyn- drique 14 de la pièce support 1 Dans la partie inférieure de cet alésage 18, est logé de façon fixe l'interrupteur 13 A 1 'inté- rieur de l'alésage 18, dans l'espace situé entre l'interrupteur 13 et la pièce cylindrique 17, est logé un premier ressort de compression 19 qui rappelle vers le haut la pièce 17. La pièce cylindrique 17 exerce son action de coanarxde sur l'interrupteur 13 par l'intermédiaire d'une pièce de ommanale pouvant coulisser longitudinalement par rapport à la pièce 17 et rappelée vers le bas par l'intermnédiaire d'un second ressort de compression 21 Cette pièce de oeommande intermédiaire 20 permet de limiter l'effort exercé sur l'interrupteur 13 lorsque l'utilisateur appuie sur la manette 6, afin d'éviter une dété- rioration de l'interrupteur 13 sous l'effet d'une trop forte pression exercée par l'utilisateur. La pièoe cylindrxique 17 oomporte également une bille 22 logée dans un orifice disposé radialement 23, rappelée vers l'extérieur par un ressort 24, cette bille 22 s'appuyant ainsi sur une paroi cylindrique intérieure 25 ménagée dans la partie cylindrique 14, et présentant un plus grand diamétre que celui de l'alésage 18 La bille 22 oppose donc une résistance au dépla- cement vers le bas de la pièoe 17 et par oséquent de la manette 6, et l'utilisateur doit donc vaincre un certain effort de pres- sion vers le bas pour pouvoir actionner l'interrupteur 13, ce qui lui permet d'être certain d'avoir ou non effectué sa cxminadxe. L'ensemble du mécanisme logé à l'intérieur de la pièce 14 occupe occupe sensiblement tout le volume intérieur du tube à paroi minoe 5 L'ensemble de ce mécanisme est constitué essen- tiellement de pièces de révolution centrées sur l'axe longitu- dinal 10, dont les déplacements s'effectuent de façn coaxiale à la direction de l'effort de poussée exercé par l'utilisateur sur la manette 6 Ceci confère au dispositif une grande simplicité de construction, une bonne fiabilité et un caractère canpact On peut ainsi constituer un manipulateur dont les dimensions sont relativement faibles, sans recourir pour cela à une miniaturi- sation excessive des pièces qui le constituent, en particulier des pièces d'actionnement de l'interrupteur 13 et de l'interrup- teur 13 lui-même. Le fait d'utiliser un tube à paroi mince 5 présente encore l'avantage que, pour des conditions d'emploi équivalentes à celles d'une tige cylindrique pleine, le tube à paroi miince 5 présente un plus grand diamètre, oe qui permet de pouvoir fixer sur le tube les quatre jauges de cxntrainte 8 a à 8 d plus aisément et avec un positionnement plus précis En effet, il est difficile d'assurer un excellent collage et un excellent positionnemaent d'une jauge lorsque celle-ci est fixée sur une pièce de très petite dimension come cela est le cas des manipulateurs à tige flexible pleine. La partie cylindrique 14 de la pièce support 1 assure la fonction de positionnement et de guidage du mécanisme d'actionnement de l'interrupteur 13, comme cela a été exposé préiédament, mais assure également la fonction de limiteur du déplacemoent radial de l'extrémité supérieure 7 du tube 5 Pour cela, l'extrémité supérieure de la partie cylindrique 14 présente une surface cylindrique extérieure 27 dont le diamètre est légè- rement inférieur au diamntre de la paroi intérieure du tube 5, la demi différence de dianmtre entre ces deux pièces déterminant la flèche maximum que peut prendre l'extrémité supérieure 7 du tube lorsque l'utilisateur exeroe des efforts radiaux de manoeuvre. On peut prévoir également une enveloppe cylindrique extérieure 28 fixée rigidement sur la pièce support 1, pour protéger le tube 5 contre toute détérioration accidentelle. Le tube 5 doit présenter une relativement grande flexi- bilité, malgré son diamètre relativement important qui est par exemple d'environ 10 mm, tout en étant constitué d'un matériau présentant un module d'élasticité relativement faible En onsé- quence, la paroi du tube 5 doit être extrêmement mince et avoir par exemple une épaisseur d'environ 20 micromâtres. Le tube 5 peut être réalisé en utilisant un mandrin cylindrique en un premier matériau, par exemple en aluminium, en effectuant sur la paroi extérieure de ce mandrin un dépôt élec- trochimique d'un autre matériau, par exemple du nickel, puis en effectuant une attaque chimique du mandrin afin d'éliminer tota- lement la matière constituant oe mandrin, pour ne conserver fina- lement que la pièce en nickel qui constitue alors le tube 5. En utilisant ainsi un tube en nickel présentant un dia- métre de 10 mm, une lrongueur de 30 mm et une épaisseur de paroi de 20 micromètres, on a pu employer les jauges de contrainte dans des conditions semblables à celles obtenues en utilisant, de façon classique, une tige flexible pleine en acier présentant un diasmtre de 3 mm et une longueur de 30 mm. Un tube à paroi minoe diffère d'une tige flexible pleine par le fait que, avec un moment quadratique équivalent, la masse du tube est inférieure à celle de la tige pleine Il résulte de cette caractéristique physique que la fréquenoe propre d'un manipulateur utilisant un tube à paroi mince est nettement supérieure à oelle d'un manipulateur utilisant une tige flexible pleine On a constaté en effet qu'un manipulateur selon l'inven- tion présentait une fréquence propre d'environ 10 k Hz alors qu'un manipulateur similaire mais à tige pleine présentait une fré- queni propre d'environ 1 k Hz Or, de nombreux appareils ou équi- pements provoquent des vibrations dans une garmme de fréquence plus proche de 1 k Hz que de 10 k Hz Il en résulte que le manipu- lateur selon la présente invention est moins sensible aux vibra- tions de l'équipement sur lequel il est installé En outre, il est d'autant plus facile d'amortir des vibrations pouvant apparaître dans un manipulateur que oes vibrations ont une fré- quence plus élevée. REVENDICATIONS 1 Manipulateur à jauges de contrainte caractérisé en oe qu'il comprend: une pièce support ( 1); un tube cylindrique à paroi minie ( 5) fixé rigide- ment, au niveau d'une premnière de ses extrémités ( 4), à la pièec support ( 1); au moins deux jauges de contraintes ( 8 a, 8 d) fixées sur le tube au voisinage de sa première extrémité ( 4); une manette ( 6) reliée à l'autre extréité ( 7) du tube, oette manette transmettant au tube des efforts radiaux ( 9) de manoeuvre effectués par un utilisateur et constituant égale- ment un bouton poussoir pouvant se déplacer selon un axe longitu- dinal ( 10) du tube sous l'action de l'utilisateur; et un organe de commande ( 13) logé à l'intérieur du tube et actionné par le déplacement lcngitudinal de la manette. 2 Manipulateur à jauges de cxntrainte selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre jauges de contrainte ( 8 a-8 d) fixées de façcon cir distanoe sur la surface extérieure du tube ( 5). 3 Manipulateur à jauges de contrainte selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube ( 5) est réalisé par dépôt électrochiminque d'un premier matériau métallique sur un mandrin cylindrique réalisé en un second matériau, puis par atta- que chimique sélective du mandrin cylindrique, pour ne laisser finalement subsister que la piece constituée par le premier maté- riau métallique qui constitue alors le tube. 4 Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en oe que le tube présente une épaisseur de paroi d'environ 20 micram Otres. il Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce support ( 1) présente une partie cylindrique ( 14) comprenant un alésage lcrngitudinal ( 18), cette partie cylindrique s'étendant longitudinalement à l'intérieur du tube, et en ce que l'organe de comnxxde ( 13) est logé à l'intérieur de l'alésage ( 18). 6 Manipulateur à jauges de contrainte selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la partie cylindrique ( 14) de la pièce support ( 1) s'étend à l'intérieur du tube jusqu'au voisinage de son autre extrémité ( 7) et comprend une surface cylindrique extérieure ( 27) ayant un diamètre légèreent infé- rieur au diamètre de la surface intérieure du tube, de façon à limiter la flèche du tube lors de l'actionnerment du manipulateur. 7 Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des reverndications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe cylindrique extérieure de protection ( 28) entourant le tube, sans entrer en contact avec lui lors de son fléchissement, cette enveloppe cylindrique de protection étant fixée par l'une de ces extrémités sur la pièce support ( 1). 8 Manipulateur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la manette ( 6) ciomporte une pièce cylindrique ( 15) traversant un embout ( 16) fixé à l'extrémité ( 7) du tube ( 5), la pièce cylin- drique ( 15) pouvant coulisser longitudinalement dans l'embout ( 16) lorsque la manette ( 6) est utilisée en tant que bouton poussoir, la pièce cylindrique ( 15) venant actionner l'organe de oemtende ( 13) sous l'effet de son déplaceent longitudinal, par l'intermédiaire d'un mécanisme d'actionnement ( 17, 20) disposé à l'intérieur de l'alésage ( 18) de la partie cylindrique ( 14) de la pièce support ( 1) et pouvant coulisser longitudinalement à l'intérieur de cet alésage ( 18).