Brevet FR2672565A1 — publié le 19920814

EQUIPEMENT DE TETE A BRAS ARTICULE La présente invention concerne les équipements de tête du genre comprenant un composant, tel qu'un cas- que, solidarisable de la tête d'un porteur et déplaçable par le porteur dans un domaine limité avec au moins cinq degrés de liberté (parmi les trois directions de l'espa- ce ainsi qu'en élévation, en gisement et en roulis). Elle trouve une application particulièrement importante sur les avions de combat Sur ces avions, le pilote est soumis, lors des évolutions brutales et lors des éjections à des accélérations très élevées au cours desquelles il est souhaitable que la tête soit main- tenue Par ailleurs, la tendance actuelle est d'équiper le casque d'un viseur qui génère un réticule dans le champ de vision du pilote Des capteurs permettent à un calculateur de déterminer la position et l'orientation du casque A l'heure actuelle, les capteurs sont généralement électromagnétiques et comportent des bobines placées dans l'habitacle suivant trois direc- tions orthogonales et un jeu de trois bobines ortho- gonales sur le casque Ce mode de mesure est loin d'être satisfaisant car il exige de connaître la cartographie magnétique de l'habitacle, qui évolue dans le temps Au surplus, la précision des capteurs électromagnétiques est insuffisante. La présente invention vise à fournir un équipe- ment de tête du genre ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pra- tique, notamment en ce qu'elle permet de déterminer avec précision la position et l'orientation du composant solidarisable de la tête et/ou permet d'annuler ou du moins de réduire les efforts qui s'exercent sur la tête sous les facteurs de charges élevés, et cela en ne mettant en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but l'invention propose un équipement de tête du type ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comprend un bras constitué de segments articulés donnant au composant au moins cinq degrés de liberté par rapport à la structure fixe. Dans la définition qui précède, le terme "arti- culation" doit être interprété de façon large Il dési- gnera surtout une liaison entre deux segments permettant à ces segments de tourner l'un par rapport à l'autre au- tour d'un axe de raccordement Il pourra cependant éga- lement désigner une articulation en translation, se substituant à certaines seulement des articulations en rotation pour arriver aux cinq degrés de liberté au moins. Le bras et des moyens coopérant avec lui peuvent être prévus pour remplir l'une quelconque de plusieurs fonctions ou simultanément plusieurs d'entre elles. Parmi les fonctions on peut notamment citer la mesure de la position et de l'orientation de l'équipement de tête par rapport à la structure; le soutien de l'équipement de tête lorsqu'il tend à se déplacer sous l'effet d'accélérations jugées trop violentes, afin de soulager le porteur de l'équipe- ment; l'équilibrage des masses, au moins autour de certains axes; la compensation des effets des accélérations. Dans le premier cas chaque articulation entre segments est munie de moyens de mesure d'orientation relative ou de déplacement relatif en translation des deux segments successifs. Il existe à l'heure actuelle des résolveurs an- gulaires permettant de mesurer un angle avec une préci- sion allant de dix secondes à une minute: de tels ré- solveurs permettent de mesurer l'orientation du compo- sant, c'est-à-dire le paramètre essentiel pour un viseur de casque, avec une précision meilleure que le millira- dian, alors que les viseurs actuels n'assurent qu'une précision de l'ordre de dix milliradians. La compensation des masses et/ou des accéléra- tions présente un intérêt tout particulier lorsque le porteur est un pilote d'avion, d'hélicoptère, de char ou de véhicule tout terrain, le servant d'une tourelle ou plus généralement toute personne soumise à des accéléra- tions violentes et/ou munie d'un équipement de tête lourd ou avec un porte à faux important La structure fixe est généralement constituée par le siège du por- teur, qui peut être le siège éjectable d'un avion. La compensation des masses peut notamment être obtenue en munissant certains au moins des segments de contre-poids d'équilibrage Par exemple l'équilibrage par contre-poids du casque et d'organes qu'il porte (lunette de vision nocturne, amplificateur de lumière, viseur, etc) peut être réalisé par contre-poids et en conséquence réduire sensiblement la fatigue du porteur. La butée, avec éventuellement un jeu, de certains au moins des segments permet également de compenser le poids des masses solidaires du composant fixé à la tête. De tels moyens d'équilibrage et de compensation peuvent être considérés comme passifs Il est également possible d'effectuer une compensation active des effets des accélérations Pour cela, on peut munir certaines au moins des articulations de moyens moteur commandés en réponse à l'amplitude et à l'orientation des accéléra- tions appliquées au porteur pour compenser les forces provoquées par ces accélérations. Les moyens moteur seront généralement des mo- teurs couples commandés par un calculateur recevant des signaux d'entrée représentatifs des accélérations, four- nis par des capteurs et éventuellement des signaux re- présentatifs de la position de la tête. Dans un mode particulier de réalisation, appli- cable notamment sur un avion, le bras peut être regardé comme constitué de deux joints placés en série et four- nissant chacun trois degrés de liberté en rotation sui- vant trois axes orthogonaux Une autre solution consiste à réduire le nombre de degrés de liberté en rotation et à ajouter un degré de liberté en translation Un capteur de déplacement angulaire ou linéaire est prévu pour cha- que degré de liberté. Certains segments du bras peuvent être munis d'éléments élastiques ou de contre-poids permettant de compenser la masse du composant fixé rigidement à la tête, de la tête elle-même et/ou des segments, alors que d'autres sont compressés de façon active par des moteurs couples commandés en réponse aux accélérations, mesurées par des capteurs, et aux indicaions de position obtenues à partir des capteurs de déplacement. Dans le cas d'un montage sur siège éjectable, le bras est complété par une sangle souple de rappel de la tête contre le siège avant éjection. L'une des articulations du bras peut comporter une liaison aisément montable et démontable, par exemple par encliquetage du casque d'un pilote, pour permettre à ce dernier de s'installer Cette liaison ou une autre doit être détachable à une altitude déterminée pour li- bérer le pilote du siège lorsque ce dernier est placé sur un siège éjectable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réali- sation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe en élé- vation montrant un équipement comportant un bras autori- sant six degrés de liberté; les figures 2 et 3 sont respectivement une vue d'arrière de l'équipement et une vue en perspective du bras; la figure 4, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation du bras; la figure 5 est une vue de dessus montrant la cinématique du bras de la figure 4 lorsque le composant a tourné de quatre vingt dix degrés par rapport à sa position médiane; la figure 6, similaire à la figure 1, montre une autre variante encore de réalisation, à contre-poids d'équilibrages vertical et transversal; la figure 7 est une vue de dessus montrant un équipement similaire à celui de la figure 6, en traits pleins, en position médiane et en traits mixtes lorsque le composant de tête a tourné de 90 ; la figure 8, montre un bras permettant d'équi- librer les accélérations autour de deux axes (axe verti- cal, les figures 9 et 10 sont des vues de détail montrent un moteur couple équipant l'une des articula- tions d'un bras similaire à celui de la figure 7; la figure 11 est un schéma en élévation mon- trant un équipement comportant un bras autorisant six degrés de liberté et muni d'une butée ajustable de li- mitation des efforts et des déplacements dans le sens de la verticale avion (axe z); la figure 12, similaire à la figure 11, montre un équipement comportant des rampes de guidage absor- bant, au moins partiellement, les efforts dirigés dans le sens de la verticale avion. On décrira tout d'abord un équipement de tête permettant de déterminer l'orientation du casque d'un pilote et également la position de ce casque par rapport à une structure fixe. Dans ce cas le bras reliant le casque à la structure ne supporte pas d'efforts importants et peut donc être constitué d'éléments de section réduite. Le composant de i 'équipement de tête montré en figures 1 et 2 est constitué par un casque 10 destiné à être fixé sur la tête 12 d'un pilote et pouvant être équipé d'un viseur de casque non représenté Le bras 14 montré à titre d'exemple sur les figures 1 à 3 a six de- grés de liberté en rotation et permet en conséquence au porteur du casque de donner à ce dernier une position et une orientation quelconque dans un domaine de débatte- ment limité Ces six degrés de liberté sont désignés par les références A, B,,F. Le bras peut être regardé comme constitué de cinq segments successifs Le premier segment est consti- tué par un arceau 16 articulé sur le casque 10 par deux pivots matérialisant l'axe A Le second segment 18 est constitué par un croisillon 18 qui peut être regardé comme un croisillon classique de joint de Cardan Il tourne sur l'arceau 16 par l'intermédiaire d'un roule- ment non représenté matérialisant l'axe B Il comporte deux tourillons sur lesquels tourne la fourche terminale d'une bielle 18 Les axes B et C restent ainsi en perma- nence orthogonaux. La bielle 18 est rattachée à la structure fixe par une liaison comprenant le quatrième segment 22 et un autre joint de Cardan formé par un croisillon 24 et une chape 26 fixée à la structure Un roulement interposé entre le segment 22 et le croisillon 24 maté- rialise l'axe E Le croisillon 24 et la chape 26 tour- nent l'un autour de l'autre suivant l'axe F. Une attache rapide est prévue sur le bras pour permettre de séparer le casque de la structure fixe Par exemple cette attache rapide peut être placée au niveau de l'articulation constituant l'axe B Elle peut égale- ment relier l'arceau 16 au casque et comporter deux en- cliquetages 15. L'angle, autour de chacun des axes, des deux segments reliés suivant l'axe peut être mesuré par un capteur, tel qu'un résolveur angulaire, et le signal représentatif peut être fourni à un calculateur 28 four- nissant en sortie des indications représentatives de la position et de l'orientation du casque, et éventuelle- ment d'un viseur qui y est fixé, dans un système de coordonnées lié à la structure fixe, et donc à l'habi- tacle dans le cas d'un avion La figure 3 montre, à titre d'exemple, un seul capteur 30, fournissant un signal d'orientation autour de l'axe F au calculateur 28. La variante de réalisation montrée en figures 4 et 5 se différencie de la précédente essentiellement en ce que les axes B, D et E sont parallèles lorsque le casque est en position médiane et en ce que l'articula- tion D est placée à mi distance des articulations B et E, de façon à constituer un ciseau autorisant la rota- tion de la tête 12 et du casque 10 autour de l'axe de lacet du véhicule. Là encore, chacune des articulations peut être munie d'un capteur d'angle, tel qu'un résolveur fournis- sant un signal électrique représentatif de l'angle des deux segments successifs à un calculateur non représen- té. Le mode de réalisation montré en figure 6 com- porte des moyens d'équilibrage passifs Il présente de l'intérêt chaque fois que les masses fixées à la tête du porteur sont élevées et constituent une source de fati- gue, même en l'absence d'accélération élevée Ce cas peut se rencontrer sur tous les véhicules militaires. L'équilibrage permet en particulier de fixer directement un composant lourd, tel que des lunettes de vision de nuit, sur le casque au lieu de les placer à poste fixe dans un habitacle La figure 6 montre, à titre d'exem- ple, un équipement utilisable, dans un aéronef pour un pilote placé sur un siège 32 constituant la structure -8 fixe et sous une verrière 34 On donne à l'angle a entre l'arceau 16 et la direction du buste une valeur qui est le minimum compatible avec une vision correcte vers le haut et avec l'encombrement de la verrière L'axe B est, au repos, pratiquement parallèle à la direction du bus- te Le troisième degré de liberté est, dans le cas de la figure 6, constitué par une possibilité de coulissement suivant une direction x orthogonale à l'axe B Pour cela la biellette 18 constitue un plongeur pouvant cou- lisser et tourner dans un cylindre 36 Ce cylindre est à son tour monté sur le dossier du siège, formant la structure fixe 32, par un joint à Cardan ayant une chape 26 dans laquelle sont montés des tourillons fixés au cy- lindre Un capteur linéaire peut dans ce cas être prévu pour indiquer la position du plongeur dans le cylindre 36. Cette solution présente l'avantage de permettre un équilibrage purement ou partiellement passif, par ad- jonction du contre-poids 38 à l'extrémité du cylindre 36; si l'angle a est faible, la compensation des masses et des forces dues aux accélérations subsiste partielle- ment en dépit des mouvements de la tête. Comme dans le cas précédent, chacune des articu- lations peut être munie d'un capteur de position Ces capteurs sont des résolveurs angulaires pour les articu- lations à pivot Le capteur est linéaire pour le troi- sième degré de liberté. La figure 7 montre une variante simplifiée du mode de réalisation de la figure 6, dépourvu de cylin- dre La biellette 18 coulisse alors simplement dans un alésage d'un manchon 40. Dans le cas de la figure 8, o certains axes ne sont pas représentés pour plus de clarté, l'équilibrage partiel est réalisé à l'aide d'un contrepoids 42 porté par une tige fixée à l'arceau 16, de longueur telle que l'équilibrage soit à peu près réalisé par rapport à l'emplacement des axes D et F qui se déplacent peu On arrive ainsi à équilibrer les composantes des poids dans le sens vertical. Le mode de réalisation montré en figure 9 et 10 se différencie de celui de la figure 7 essentiellement en ce qu'il comporte des moyens actifs de compensation de l'effet des accélérations Pour cela, certaines au moins des articulations sont équipées de moteurs-couples alimentés sous la commande d'un calculateur 44 dont les entrées reçoivent des signaux représentatifs des accélé- rations suivant au moins la verticale avion et avanta- geusement dans le sens transversal, c'est-à-dire suivant la direction de l'axe de tangage et par des signaux de sortie des capteurs de position Ce calculateur 44 dé- termine, à partir des signaux fournis par les capteurs d'accélération 46 et 48, en tenant compte des signaux 50 représentatifs de la position du casque, les couples que doivent exercer les moteurs. L'équipement montré schématiquement sur les figures 9 et 10 comporte uniquement un moteur 52 destiné à compenser les forces d'inertie s'exerçant sur la tête et le casque lors d'une resource, d'un virage serré, ou encore d'une accélération négative. L'équipement peut être complété par des moyens ramenant le casque contre le dossier du siège et mainte- nant fermement en place le casque en cas de commande d'éjection et par des moyens pour séparer automatique- ment la tringlerie en deux tronçons à l'altitude de séparation du siège et de l'occupant, dans le cas d'une éjection. Comme on l'a indiqué plus haut, des équipements simplifiés n'offrant que cinq degrés de liberté sont dans certains cas suffisants Par exemple, le mode de réalisation montré en figure 6 peut être démuni de pos- sibilités de rotation autour de l'axe F, ce qui signifie que la tringle 18 reste toujours sensiblement horizonta- le L'équipement peut comporter uniquement des moyens de mesure, uniquement des moyens d'équilibrage, uniquement des moyens de compensation active ou toute combinaison. Dans le mode de réalisation montré en figure 11, les efforts s'exerçant sur la tête en cas d'accélération verticale descendante sont absorbés par une butée mobile 54 dont la position est réglée par un calculateur 40. Cette butée limite les déplacements verticaux de la tête à partir de la position qu'elle occupe lors de l'appli- cation de l'accélération Dans le cas de la figure 12, les efforts dus au poids propre de l'équipement de tête, y compris éven- tuellement le bras, et aux accélérations sont absorbés dans le sens vertical par l'appui de patins fixes à la tringle 18 sur des rampes 56 constituées de surfaces gauches suffisamment étendues pour permettre le débatte- ment normal de la tête dans l'espace jugé nécessaire. Le bras de l'équipement peut, dans tous les cas, servir de support ou de conduit de passage de liaison de toute nature, notamment par fils électriques, fibres op- tiques ou conduits pneumatiques L'équipement de tête peut être complété par des organes tels qu'afficheur tête haute, lunette de vision de nuit, etc Il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1 Equipement de tête comprenant un composant ( 10) solidarisable de la tête d'un porteur et déplaçable par le porteur par rapport à une structure fixe dans un domaine limité, avec au moins cinq degrés de liberté, caractérisé en ce qu'il comprend un bras ( 14) constitué de segments articulés donnant au composant au moins cinq degrés de liberté par rapport à la structure fixe et reliant le composant à la structure. 2 Equipement selon la revendication 1, caracté- risé par des moyens ( 30) de mesure pour chaque degré de liberté, raccordés à un calculateur de détermination de l'orientation et de la position du composant ( 10) par rapport à la structure. 3 Equipement selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les moyens de mesure comprennent un ré- solveur angulaire ( 30) indiquant l'angle entre les seg- ments et un capteur linéaire sur chaque articulation de translation. 4 Equipement selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que certaines au moins des articula- tions entre segments sont munies de moyens moteurs ( 32) commandés en réponse à l'amplitude et à l'orientation d'accélérations appliquées au porteur pour compenser les forces provoquées par ces accélérations. Equipement selon la revendication 4, caracté- risé en ce que par les moyens moteurs sont commandés par le calculateur en tenant compte de la position et de l'orientation de la tête. 6 Equipement selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que certains au moins des segments sont munis de contrepoids ( 38) de compensation des forces provoquées par les masses et les accélérations suivant au moins certains des degrés de liberté. 7 Equipement selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par des butées fixes ou réglables de guidage ou de limitation du mouvement selon certains au moins des degrés de liberté. 8 Equipement selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le bras porte un équipement complémentaire, tel qu'un viseur, un visuel de casque, une lunette de vision de nuit, raccor- dable en composant en même temps que le bras. 9 Equipement selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, pour pilote, la structure fixe étant constituée par un siège éjectable, caractérisé en ce qu'il comprend également une sangle de rappel du-cas- que contre le siège en cas d'éjection. Equipement selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le bras est muni de moyens de liaison avec le casque à encliquetage et dégagement rapide et en ce que qu'il comporte des moyens de séparation à une attitude prédéterminée en cas d'éjection.