Brevet FR2688607A1 — publié le 19930917

La présente invention concerne un appareil perfec- tionné à manette de commande, et plus précisément, elle concerne un appareil à manette de commande multiaxiale qui met en oeuvre un grand nombre d' axes de manoeuvre pour faciliter une commande élaborée d'un objet ayant de nom- breux axes de manoeuvre, par exemple un manipulateur. Un appareil classique à manette de commande comporte une manette de commande supportée par un roulement à billes ou analogue de manière que la manette puisse pivoter ou tourner Les composantes de la rotation ou du déplacement de la manette sont déterminées par rapport à deux axes de coordonnées rectangulaires Chacune des composantes d' un déplacement est détectée sous forme d'une amplitude de la rotation autour de l'axe correspondant par un potentiomètre ou analogue Les signaux de détection sont transmis propor- tionnellement à un appareil commandé Ainsi, l'appareil commandé est déplacé dans un plan dans une direction voulue par manoeuvre de la manette. Dans la plupart des appareils classiques à manette, comme un mouvement de la manette est détecté sous forme de l'amplitude de la rotation autour de chacun de deux axes de coordonnées rectangulaires, le mouvement de l'appareil commandé ne peut être commandé que dans un plan En consé- quence, la commande de l' appareil commandé dans un espace tridimensionnel nécessite un déplacement fréquent du plan de déplacement, par exemple par commande d' un interrupteur. Cette technique pose des problèmes car la manoeuvre de l'interrupteur permettant le déplacement du plan est peu commode et parce que les sens de manoeuvre de la manette ne correspondent pas au sens de déplacement de l'appareil commandé, si bien que les possibilités de commande sont notablement réduites Ces problèmes sont importants surtout lors de l'utilisation d'une manette classique de commande pour la commande manuelle d' une machine travaillant autour de nombreux axes, par exemple d'un manipulateur. La présente invention a pour objet la réalisation d'un appareil à manette de commande dans lequel le nombre d'axes peut être accru pour la détection de divers déplace- ments de l'appareil L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un appareil à manette à plusieurs axes dans lequel les directions de commande de la manette corres- pondent aux directions suivant trois axes de coordonnées rectangulaires si bien que des données relatives à la position et à l'inclinaison de l'appareil commandé peuvent être données dans un espace tridimensionnel. A cet effet, un appareil à manette de commande multiaxiale selon l'invention comprend un bras extensible sur lequel est appliqué le bras de l'opérateur et qui est monté sur une base par un support de base ayant deux arbres rotatifs perpendiculaires l'un à l'autre Une poignée est montée sur la partie d'extrémité avant du bras extensible par un support avant ayant deux arbres perpendiculaires l'un à l'autre L'appareil possède donc une structure à cinq degrés de liberté Chaque articulation a un dispositif lui permettant de reprendre une position neutre Les articulations et le raccord coulissant réalisés entre les différents organes ont des capteurs destinés à détecter les déplacements en rotation et en translation. Dans cette construction, lorsque l'opérateur place son bras sur le bras extensible et lorsque sa main serre la poignée, le mouvement de basculement de son bras autour de son coude et les mouvements de sa main sont transmis sous forme de signaux de commande à l'appareil commandé Comme la poignée est raccordée au bras par le support avant qui a deux axes perpendiculaires, l'opérateur peut tourner la poignée vers le haut, vers le bas, vers la gauche et vers la droite par déplacement de son poignet de manière corres- pondante Comme le bras est raccordé à la base par un support de base ayant deux axes perpendiculaires, l'opéra- teur peut faire pivoter le bras horizontalement et vertica- lement par basculement de son propre bras autour de son coude En outre, comme le bras est extensible, lorsque l'opérateur déplace son bras vers l'avant ou vers l'arrière, sa main serrant la poignée, le bras s'allonge ou se rétrécit, et transmet des données relatives à son déplacement et à sa vitesse En fonction de l'angle de rotation ou du déplacement de chaque organe, détecté par le capteur correspondant, un signal de position ou de vitesse de l'appareil commandé est obtenu Ainsi, la position et l'angle de l'appareil commandé peuvent être commandés dans un espace tridimensionnel. Dans une variante, un axe supplémentaire peut être ajouté à la construction précédente afin qu'elle forme un appareil à six axes, comme indiqué dans la suite Le support avant est raccordé à un second support avant ayant un arbre dont l'axe passe par le point d'intersection des deux axes des arbres perpendiculaires du support avant En outre, les arbres perpendiculaires du support avant peuvent être réalisés afin que le point d'intersection des axes des arbres coïncide avec le centre du poignet d'un opérateur, placé sur l'appareil, si bien que les possibilités de fonctionnement sont encore plus étendues. Lorsque le nombre d'arbres de rotation est accru comme décrit précédemment, le nombre d' axes de détection peut être accru de manière correspondante pour la détection du mouvement du bras de l'opérateur et de sa main Si le point d'intersection des trois axes perpendiculaires coïncide avec le centre du poignet de l'opérateur, le mouvement de sa partie de poignet peut être détecté avec une grande précision, le mouvement de translation de sa partie de poignet est détecté par l'un des capteurs asso- ciés aux trois axes du côté de la base du bras, et le mouvement de rotation de sa partie de poignet (main) est détecté par les capteurs placés en coopération avec les trois axes du côté avant du bras Un inverseur peut être monté sur la poignée pour la commutation avantageuse entre les modes de fonctionnement des différents organes, par exemple vers l'avant et l'arrière, lors de la commande de l'appareil. L'appareil peut être installé sur un siège sous forme d'un appui-bras, si bien que l'opérateur est confortablement et fermement supporté par le siège pendant la commande Ainsi, le rendement de travail est accru. Comme décrit précédemment, selon la présente inven- tion, le nombre d'axes de détection utilisés dans un appareil à manette multiaxiale peut être être augmenté jusqu'à six, et le nombre de directions de commande de la poignée est pratiquement égal au nombre de directions des trois axes de coordonnées rectangulaires Ainsi, les données de commande de la position et de l'angle de l'appa- reil commandé peuvent être créées. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 ( 1)est une vue en perspective d'un appareil à manette de commande de type multiaxial dans un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 1 ( 2) est une vue en perspective d'un support de l'appareil de la figure 1 ( 1); la figure 2 représente le squelette de l'appareil à manette de commande multiaxiale représenté sur la figure 1 ( 1); la figure 3 est une vue en perspective d'un exemple dans lequel l'appareil à manette de commande multiaxiale est mis à l'emplacement d'un appui-bras d'un siège; la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un appareil à manette de commande multiaxiale dans un second mode de réalisation de l'invention; et les figures 5 ( 1) et 5 ( 2) sont respectivement une vue en plan et une vue en élévation latérale d'un appareil à manette de commande multiaxiale dans un troisième mode de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord aux figures 1 ( 1), 1 ( 2) et 2; un appareil 10 à manette de commande comporte un bras 12 qui a pratiquement la même longueur qu'un bras humain afin qu'il puisse supporter le bras d'un opérateur Le bras 12 comporte un bras principal 12 A et un bras auxiliaire 12 B qui sont raccordés l'un à l'autre afin qu'ils puissent coulisser Ainsi, le bras 12 est extensible Dans ce mode de réalisation, le bras 12 est extensible dans sa direction longitudinale sous l'action d'un dispositif coulissant, par exemple à rainure et gorge en queue d'aronde Le bras principal 12 A est placé sous le bras auxiliaire 12 B afin que le bras principal 12 A ne gêne pas la manoeuvre d'allon- gement et de raccourcissement commandée par le bras de l'opérateur placé sur le bras 12 A la place du dispositif coulissant précité, un vérin ou un autre type de dispositif de guidage peut être utilisé. Le bras extensible 12 est raccordé, au niveau d'une partie d'extrémité de base du bras principal 12 A, à une base fixe 14 par un support 16 de base Ce support 16 de base a deux axes de rotation qui sont perpendiculaires l'un à l'autre, et qui permettent la rotation du bras principal 12 A horizontalement et verticalement Plus précisément, le support 16 de base est réalisé afin qu'il soit solidaire d'un arbre vertical 16 A et d'une partie de support 16 B pratiquement en U dépassant à l'extrémité supérieure de l'arbre vertical 16 A Le support 16 de base est monté sur la base 14 par introduction de l'arbre vertical 16 A dans un moyen cylindrique 18 dont l'axe est perpendiculaire à la surface de la base 14, si bien que le support 16 de base (en particulier la partie de support U 16 B) peut tourner horizontalement autour de l'axe de l'arbre vertical 16 A La partie d'extrémité de base du bras principal 12 A est montée entre deux saillies en forme de bras de la partie 16 B de support en U Un arbre horizontal 20 est introduit dans la partie 16 B de support en U et dans la partie d'extrémité de base du bras principal 12 A L'arbre horizontal 20 ainsi introduit est perpendiculaire à la direction longitudinale du bras 12 Ainsi, le bras principal 12 A peut tourner verticalement autour de l'arbre horizontal 20 Grâce à cette construction, le bras 12 peut tourner horizontalement et verticalement autour du raccord du bras 12 et de la base 14. Une poignée 22 est raccordée à la partie d'extrémité avant du bras auxiliaire coulissant 12 A par un support avant 24 dont la construction est pratiquement analogue à celle du support de base 16 Le support 24 est formé en une seule pièce avec un arbre vertical 24 A et une partie de support 24 B pratiquement en U dépassant de la partie supérieure de l'arbre vertical 24 A Une partie cylindrique 26 de moyeu est formée à la partie d'extrémité avant du bras auxiliaire 12 B, son axe étant perpendiculaire à l'axe du bras auxiliaire 12 B L'arbre vertical 24 A du support avant 24 est introduit dans la partie cylindrique 26 de moyeu si bien que le support avant 24 peut tourner autour de l'axe vertical 24 A, qui est perpendiculaire à l'axe du bras La partie 24 B de support en U loge la poignée 22, ce support se montant sur les deux surfaces latérales de la poignée 22 Un arbre horizontal est introduit à la fois dans la partie 24 B de support en U et dans la poignée 22 si bien que la poignée 22 peut pivoter verticalement De cette manière, la poignée 22 peut tourner horizontalement et verticalement autour de l'extrémité avant du bras 12. La poignée 22 est sous forme d'une plaque plate ayant une certaine épaisseur Lorsqu'il tient la poignée 22, un opérateur place sa paume sur la surface supérieure horizontale et accroche le bout de ses doigts à la surface d'extrémité avant Un organe 30 en forme d'arceau qui supporte le dos de la main est fermement monté sur la poignée 22 afin que la tenue de la poignée 22 pendant le fonctionnement soit robuste Des commutateurs 32 sont placés sur la partie d'extrémité avant de la poignée 22 afin que l'opérateur puisse commuter entre l'avant et l'arrière ou d'une autre manière par rotation, à chaque mode pendant le fonctionnement. L'appareil à manette 10 ayant les articulations rotatives et l'articulation coulissante comporte un dispo- sitif destiné à ramener automatiquement chaque organe mobile en position neutre qui est déterminée sur chaque trajet de déplacement Un tel dispositif comporte un ressort hélicoïdal ou analogue placé sur chacun des axes de rotation 16 A, 20, 24 A et 28 et destiné à limiter sa rota- tion, et un ressort hélicoïdal comprimé ou allongé ou analogue placé au niveau de la partie de coulissement du bras 12 Un contrepoids peut être disposé dans une partie de support de poids, par exemple une partie d'extrémité de base du bras 12 Ainsi, lorsqu'un organe mobile ne reçoit pas de force appliquée par le bras ou la main de l'opéra- teur, l'organe mobile revient automatiquement dans la position neutre spécifiée Chaque partie mobile a un capteur destiné à détecter le déplacement de l'organe mobile correspondant par rapport à la position neutre Des articulations rotatives ont des capteurs de rotation tels que des potentiomètres ou des codeurs rotatifs, et la partie coulissante est munie d'un capteur linéaire, par exemple un potentiomètre linéaire ou un capteur de mesure de distance par ultrasons. Lors de la commande de l'appareil 10 à manette multiaxiale, un opérateur pose son bras sur le bras 12 et introduit la main entre la poignée 22 et l'organe 30 en forme d'arceau afin qu'il tienne la poignée 22 L'opérateur fait alors pivoter son bras avec le bras 12 autour de son coude, en d'autres termes autour du support de base 16, vers une position voulue S'il déplace son bras vers l'avant ou vers l'arrière, le bras auxiliaire 12 B coulisse vers l'avant ou vers l'arrière, c'est-à- dire que le bras 12 s'allonge ou se contracte L'ajustement de la position de l'extrémité avant du bras 12 au cours de cette opération est réalisé lorsque l'opérateur utilise son poignet pour faire tourner horizontalement ou verticalement la poignée 22 Ainsi, la poignée 22 peut être commandée pratiquement de la même manière qu'un appareil à manette classique Un mouvement de chaque organe mobile est détecté par le capteur correspondant, et par exemple un ordinateur (non représenté) peut recevoir les signaux de mouvement prove- nant des capteurs et commander le mouvement de l'appareil commandé Pendant le fonctionnement de l'appareil 19 à manette multiaxiale, l'ordinateur transmet à l'appareil commandé une commande concernant la vitesse d'après la proportion de déplacement par rapport à chaque position neutre, la vitesse étant exprimée dans le système de coordonnées de commande de l'appareil commandé La position et l'angle du point de commande de l'appareil sont ainsi commandés. La figure 3 représente l'état de fonctionnement de l'appareil précité à manette multiaxiale placé sur un siège, dans la position d'un appui-bras La base 14 est fixée à une surface latérale d'un siège 34 à une hauteur convenable afin que le bras 12 constitue suffisamment un appui-bras Dans cette construction, l'opérateur peut rester assis dans le siège 34 pendant l'opération. La figure 4 représente la partie principale d'un appareil à manette multiaxiale dans un second mode de réalisation de l'invention Sur la figure 4, une poignée 36 est formée d'une tige et non d'une plaque Deux supports 38, 40 sont placés à l'extrémité avant du bras 12 afin qu'ils permettent des rotations autour de trois axes perpendiculaires les uns aux autres Plus précisément, un arbre vertical 42 d'un premier support 38 ayant pratique- ment une forme en L est introduit dans un moyeu cylindrique 26 formé à une partie avant du bras auxiliaire 12 B si bien que le premier support 38 peut tourner horizontalement autour de l'axe de l'arbre vertical 42 Un premier arbre horizontal 44, perpendiculaire à l'arbre vertical 42, est raccordé à une partie de plaque verticale du premier support 38 Un second support 40, ayant pratiquement une forme en L, est raccordé à une première partie d'extrémité sur le premier arbre horizontal 44 afin que le second support en L 40 se trouve dans un plan horizontal, son autre partie d'extrémité dépassant en avant du bras 12, transversalement à l'axe du bras 12 Ainsi, le second support 40 peut pivoter verticalement en avant du bras 12. Un second arbre horizontal 46 est raccordé à l'autre partie d'extrémité du second support 40 afin qu'il soit disposé suivant l'axe du bras 12 La poignée 36 en forme de tige est raccordée au second arbre horizontal 46 afin qu'elle puisse tourner sur un plan perpendiculaire à l'axe du bras 12. Ainsi, dans le second mode de réalisation, la poignée 36 peut tourner en avant du bras 12, autour de trois axes perpendiculaires et non autour de deux axes perpendiculaires dans le premier mode de réalisation. L'appareil à manette du second mode de réalisation crée six types de données (six dimensions) relatives à la position et à l'angle du point de commande de l'appareil dans l'espace tridimensionnel. Dans le troisième mode de réalisation de l'inven- tion, le second mode de réalisation est modifié de la manière suivante Les arbres de rotation de la poignée sont disposés afin que le point d'intersection de ces trois axes perpendiculaires de rotation coïncide avec le centre du poignet de l'opérateur, placé sur l'appareil à manette. Comme l'indiquent les figures 5 ( 1) et 5 ( 2), le bras 12, sur lequel est posé le bras 50 de l'opérateur, est extensible grâce à un guide linéaire 52 La totalité du bras 12 est mobile tridimensionnellement grâce aux trois arbres 54, 56, 58 qui sont perpendiculaires les uns aux autres et placés sur la partie d'extrémité de base du bras 12 La poignée 36 est elle aussi mobile tridimensionnellement en avant du bras 12, autour des trois arbres 42, 44 et 46 qui sont perpendiculaires les uns aux autres Les arbres de rotation 42, 44, 46 de la poignée 36 sont disposés afin que le point d'intersection des axes de rotation des arbres 42, 44, 46 coïncide avec le poignet 60 de l'opérateur Une sangle 60 est destinée à fixer fermement le bras 60 de l'opérateur sur le bras 12 de l'appareil. Dans cette construction, les mouvements linéaires et de rotation de la partie de poignet de l'opérateur peuvent être transmis avec précision à l'appareil à manette. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils à manette qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Appareil à manette de commande multiaxiale, destiné à commander à distance un appareil à commande multiaxiale, caractérisé en ce qu'il comprend: un bras extensible ( 12) sur lequel est placé le bras d'un opérateur, un support de base ( 16) qui raccorde une première partie d'extrémité du bras extensible à une base ( 14) et qui a deux arbres de rotation perpendiculaires l'un à l'autre, une poignée ( 22) placée sur une partie d'extrémité avant du bras extensible, un support avant ( 26) qui raccorde la poignée au bras et qui donne deux axes de rotation perpendiculaires l'un à l'autre, un dispositif de rappel en position neutre placé au niveau des articulations rotatives et d'un raccord coulissant, et des capteurs placés au niveau des articulations rotatives et du raccord coulissant entre les organes mobiles et qui détectent des déplacements des organes mobiles. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second support avant ( 40) qui est raccordé au support avant ( 26) afin que l'axe de l'arbre de rotation du second support passe par le point d'intersec- tion des axes des deux arbres perpendiculaires du support avant, et la poignée ( 36) est raccordée sous forme articu- lée au second support avant ( 40). 3 Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les arbres de rotation du support avant ( 26) sont disposés de manière que le point d'inter- section des axes des arbres de rotation coïncide avec le centre du poignet d'un opérateur, placé sur l'appareil. 4 Appareil à manette à commande multiaxiale destiné à la commande à distance d'un dispositif à commande multi- axiale, caractérisé en ce qu'il comprend: un bras principal ( 12 A) sur lequel est placé le bras d'un opérateur, un bras auxiliaire ( 12 B) raccordé au bras principal de manière qu'il puisse coulisser, un support de base ( 16) qui possède deux arbres de rotation perpendiculaires l'un à l'autre et qui raccorde une première partie d'extrémité du bras principal à une base ( 14) afin que le bras principal puisse pivoter hori- zontalement et verticalement, une poignée ( 26) qui a deux arbres de rotation perpendiculaires l'un à l'autre et qui est raccordée à une partie d'extrémité avant du bras auxiliaire afin que la poignée puisse pivoter horizontalement et verticalement, un ressort qui ramène un organe mobile en position neutre et qui est placé au niveau des articulations et du raccord coulissant, et des capteurs qui détectent les angles de rotation et les déplacements par coulissement et qui sont placés aux articulations et au raccord coulissant entre les organes mobiles. Appareil à manette de commande multiaxiale destiné à commander à distance un appareil à commande multiaxiale, caractérisé en ce qu'il comprend: un bras principal ( 12 A) sur lequel repose le bras d'un opérateur, un bras auxiliaire ( 12 B) raccordé au bras principal de manière qu'il puisse coulisser, un support de base ( 16) qui a deux arbres de rota- tion perpendiculaires l'un à l'autre et qui raccorde une première partie d'extrémité du bras principal à une base ( 14) afin que le bras principal puisse pivoter horizonta- lement et verticalement, une poignée ( 36) qui possède trois arbres de rota- tion perpendiculaires mutuellement et qui est raccordée à la partie d'extrémité avant du bras auxiliaire ( 12 B) afin que la poignée ( 36) puisse pivoter horizontalement, verti- calement et par roulement, un ressort qui ramène un organe mobile en position neutre et qui est placé aux articulations et au niveau du raccord coulissant, et des capteurs qui détectent les angles de rotation et les déplacements par coulissement et qui sont placés au niveau des articulations et du raccord coulissant entre les organes mobiles. 6 Appareil selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la base est formée d'un organe appartenant à un siège ( 34), et la manette occupe la position d'un appui-bras du siège.