Brevet FR2745656A1 — publié le 19970905

La présente invention se rapporte à un dispositif compact de mise en mouvement de charge selon au moins quatre degrés de liberté. On connaît d'après le brevet français 2 639 746 un dispositif compact de mise en mouvement de charge, telle qu'une cabine de simulateur de véhicule, selon trois degrés de liberté. Ce dispositif est mû par trois moteurs électriques, et permet de déplacer la charge selon les axes de tangage, de roulis et verticalement, ce qui peut suffire pour certaines applications simplifiées. Toutefois, pour des applications pour lesquelles on requiert un plus grand degré de réalisme des mouvements de la charge, deux degrés de liberté supplémentaires sont nécessaires, indépendamment des trois précités.Les solutions connues pour les grands systèmes (à six vérins et six degrés de liberté) ne permettent pas d'obtenir des mouvements totalement indépendants entre eux et ne peuvent être transposées au dispositif du brevet français précité, et l'ajout de plates-formes mobiles selon d'autres degrés de liberté à ce dispositif connu en augmenterait prohibitivement l'encombrement et le coût et nécessiterait des plates-formes d'accès. La présente invention a pour objet un dispositif de mise en mouvement de charge selon au moins quatre degrés de liberté dont deux sont indépendants entre eux et des trois premiers, qui soit compact, simple à réaliser et à commander et qui permette d'imposer à la charge des mouvements le plus réalistes possible. Le dispositif conforme à l'invention comporte: - une embase mobile de forme sensiblement triangulaire, disposée parallèlement au sol, au-dessus de celui-ci, dont un des sommets tourne autour d'un pivot fixé au sol, et dont les deux autres sommets portent des roues se déplaçant sur le sol, un arceau en forme d'arc de cercle étant fixé à l'embase à l'opposé du sommet pivotant, parallèlement au sol, - un bâti fixé au sol, devant l'arceau, et supportant des moyens d'entraînement de l'arceau en rotation par rapport audit pivot, - trois bras articulés reliés chacun, d'un côté, par un joint de cardan, à la charge, et de l'autre côté, par un joint de cardan et un dispositif d'articulation du type "pantin" à bras oscillant, came et excentrique entraîné par un moteur, à un sommet correspondant de l'embase, - un dispositif de blocage de composante de translation latérale. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, ce dispositif de blocage de composante de translation latérale est une béquille centrale, dont une extrémité est mobile en rotation autour d'un axe horizontal fixé à 'embase, près du sommet tournant autour dudit pivot, et dont l'autre extrémité est reliée à la charge par un système à vis et écrou dont la vis est entraînée par un moteur. De façon avantageuse, la béquille est reliée à peu près au milieu de sa longueur à un coulisseau par une rotule, une deuxième béquille passant dans ce coulisseau et étant articulée sur l'embase, près de ses roues. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de blocage de composante de translation latérale est un dispositif à double parallélogramme articulé formant un pantographe. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, dont la figure unique est une vue en perspective d'un dispositif conforme à l'invention. Le dispositif 1 représenté sur la figure unique du dessin est destiné à mettre en mouvement selon cinq degrés de liberté une cabine de simulateur, par exemple de simulateur d'avion. II est toutefois bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cette application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour d'autres systèmes nécessitant la mise en mouvement d'une charge selon cinq degrés de liberté au plus. Le dispositif 1 comprend une embase 2 ayant la forme générale d'un triangle équilatéral. Ce triangle monobloc sert de lest et de masse de réaction aux mouvements de la charge, et ses sommets sont tronqués. L'un des sommets de ce triangle, référencé 3, peut tourner autour d'un pivot vertical 4 fixé au sol de façon que l'embase reste parallèle au sol. Les deux autres sommets 5, 6 du triangle portent des roues pouvant rouler librement sur le sol. Seule la roue 7 du sommet 5 est visible sur la figure. Ces deux roues se déplacent sur une bande de roulement 8 en forme de segment de couronne lorsque l'embase 2 tourne autour du pivot 4, avec un débattement qui est par exemple limité à 1800 environ. Sur chacun des sommets 3, 5 et 6 de l'embase 2 on fixe un dispositif d'articulation 9, 10, 11 respectivement, du type "pantin", par exemple tel que décrit dans ledit brevet français 2 639 746. Ce dispositif d'articulation se termine par un bras oscillant, respectivement 12, 13 et 14. Ces bras oscillants, en forme de "Y", sont entraînés par des moteurs électriques à réducteurs par l'intermédiaire d'un excentrique. Chacun de-ces bras oscillants supporte à son extrémité libre, par l'intermédiaire d'un joint de cardan (15 à 17 respectivement), un bras de liaison, respectivement 18 à 20. Ces bras de liaison sont reliés par des joints, respectivement 21 à 23, à la charge (non représentée), qui est par exemple une plate-forme supportant une reproduction de cabine de pilotage d'avion. On remarquera que le joint 21 (par exemple) est à un seul degré de liberté (en rotation}, ators que tes deux autres joints (22, 23) sont des joints de cardan (à deux degrés de liberté). L'embase 2 supporte un arceau 24, entourant les sommets 5 et 6 et le côté opposé au sommet 3, au-delà des dispositifs 10 et 11. Cet arceau 24 a la forme d'une bande incurvée circulairement et centrée par rapport au pivot 4. Cet arceau est entraîné par un moteur 25, fixé au sol. Pour faciliter cet entraînement, on peut par exemple cranter l'arceau 24, les crans ainsi formés coopérant avec une roue dentée montée sur l'arbre du moteur 25, qui est également muni d'un réducteur. Une courroie crantée peut être avantageusement utilisée pour assurer la transmission du mouvement entre la roue dentée et l'arceau 24. On fixe sur l'embase 2, près du sommet 3, des cornières 26, 27 supportant un axe 28, parallèlement au côté 2A de l'embase se trouvant entre les sommets 5 et 6. Une béquille 29 en forme de triangle isocèle est articulée par son petit côté autour de l'axe 28. La longueur de cette béquille (c'est-à-dire la grande hauteur du triangle qu'elle forme) est sensiblement égale ou inférieure à la distance entre l'axe 28 et le côté 2A de l'embase 2. Sur l'extrémité de la béquille 29, on fixe un module à moteur 30. Ce module 30 comporte un bâti 31 ayant une forme générale de parallélépipède rectangle dont l'axe est parallèle à la grande hauteur de la béquille 29. Ce bâti 31 renferme une vis à billes, à rouleaux ou un système équivalent, parallèle à l'axe du bâti ou confondue avec celui-ci, et supportée par des paliers (seul un de ces paliers, référencé 32 est visible sur le dessin). L'écrou de la vis est enfermé dans une noix articulée à laquelle est reliée une platine 33 recouvrant le bâti 31, cette platine étant fixée à la charge. La vis est entraînée en rotation par un moteur 35. L'ensemble noix-écrou-vis constitue l'équivalent d'un joint de cardan pour ce qui est de ses degrés de liberté. Les trois bras 12, 13 et 14 sont reliés entre eux par des dispositifs équilibreurs de charge, de façon similaire à celle décrite dans ledit brevet français 2 639 746. De façon avantageuse, ces dispositifs équilibreurs sont des câbles élastiques ou des dispositifs équivalents tels que des ressorts. Pour ne pas surcharger le dessin, on n'a représenté que les extrémités 13A, 136 de tels câbles reliés au bras 13. Le nombre de ces câbles dans chaque liaison entre deux bras est variable, ce qui permet d'ajuster la compensation du poids de la charge pour chacun des trois axes (tangage, roulis et vertical). Ces dispositifs équilibreurs permettent également de diminuer la puissance des moteurs entraînant les bras oscillants. On notera que ces dispositifs équilibreurs n'ont pas d'action pour les deux autres axes (longitudinal et lacet) selon lesquels la charge peut être mise en mouvement. Les différentes composantes des mouvements appliqués à la charge par le dispositif décrit ci-dessus sont les suivantes - en tangage, roulis et en translation verticale. Ces mouvements sont générés par les bras oscillants 12, 13 et 14, de la façon décrite dans ledit brevet français. - en lacet, autour du pivot 4. Le mouvement de lacets est généré, indépendamment de tous les autres mouvements, par le moteur 25 entraînant l'arceau 24, et faisant ainsi tourner l'embase 2, avec tous les éléments fixés sur elle, autour du pivot 4. Les roues 7 roulent alors sur le chemin de roulement 8. - en translation longitudinale indépendamment de tous les autres mouvements, grâce au moteur 35 (entraînant une vis dont l'écrou entraîne à son tour la platine 33 liée à la charge). La béquille 29 ne pouvant se déplacer qu'en rotation autour de l'axe 28, on bloque ainsi la composante de translation latérale (c'est-à-dire la composante paralléle à l'axe 28). Grâce au fait que la platine 33 est solidaire de l'écrou de la vis (tournant dans le bâti 31), que cette platine peut tourner autour de l'axe de la vis (débattement en roulis dépendant des pantins 10 et 11), et que la béquille 29, supportant le bâti 31, peut tourner autour de l'axe 28, la plate-forme, avec sa charge, peut effectivement être mue en tangage, roulis et translation verticale. Les mouvements imprimés à la charge sont contrôlés par un calculateur qui reçoit, d'une part, des commandes de déplacement de la charge depuis un programme et/ou depuis un pupitre de commande (actionné par exemple par un instructeur) et, d'autre part, des informations concernant la position courante de la charge, ce qui permet d'asservir cette position aux commandes reçues par le calculateur. Ces informations de position sont fournies par des capteurs de position angulaire des bras 12 à 14, de l'embase 2 et de la vis à bille. La réalisation de ces capteurs et la façon de les disposer sont évidentes pour l'homme de l'art à la lecture de la présente description, de même que la réalisation du programme de commande des déplacements de la charge. Par le réglage de la traction exercée par les câbles du dispositif d'équilibrage, on peut ajuster le point d'application du vecteur poussée d'équilibrage au plus près du centre de gravité de la charge. Dans le dispositif décrit ci-dessus, la béquille 29 a pour fonction de guider la charge dans une direction perpendiculaire à l'axe 28, en bloquant tous les autres degrés de liberté. En particulier, la charge ne peut pas effectuer de mouvements latéraux. Ce dispositif présente, selon une direction transversale (parallèle à l'axe 28) une fréquence de résonance Fr déduite de la formule dans laquelle Fir est la fréquence de résonance de l'une des différentes masses mobiles, de rang i (charge utile, plate-forme, béquille 29, axe 28, embase 2, ou roue 7), Ki la rigidité de chacun des éléments intermédiaires de rang i depuis l'élément considéré jusqu'à l'élément précédant le point fixe (ici :: le sol sur lequel roule la roue 7), et Mi la masse des différents éléments intermédiaires. II est évident pour l'homme de l'art qu'un tel système très simple nécessite une structure très rigide, donc complexe et coûteuse si la masse de la charge utile est élevée. Typiquement, un tel système est avantageux pour une charge utile de masse inférieure à environ 1500 kg. On notera que, pour que la simulation de mouvements réels d'un mobile ne soit pas perturbée par des phénomènes oscillatoires gênants, qui dénatureraient l'entraînement du pilote ou du conducteur du véhicule simulé, la fréquence de résonance ou fréquence libre devrait être supérieure ou égale à environ 8 Hz. Une valeur de 12 Hz serait optimale, et une fréquence de 16 Hz serait appropriée pour des systèmes à hautes performances dynamiques. Cependant, pour un système à architecture donnée, le prix augmente de la même manière qu'augmente la rigidité des éléments supportant la charge utile, c'est-à-dire très fortement. L'homme de l'art peut facilement déduire de la formule ci-dessus que la fréquence de résonance FRT de l'ensemble mobile est de la forme: (en considérant les masses Mi des éléments intermédiaires négligeables par rapport à la masse de la charge utile). En supposant que les masses de chacun des éléments i autres que la masse M de la charge utile soient négligeables par rapport à cette masse M, on peut déduire de la deuxième formule ci-dessus que la fréquence de résonance totale FRT est inférieure à la fréquence de résonance la plus faible des éléments i. Par conséquent, un système réticulé (c'est-à-dire à structure composée d'éléments parallèles, telle que décrite cidessous) a une fréquence de résonance très supérieure à celle d'une structure lourde, telle que décrite ci-dessus, à éléments en série. On décrit ci-dessous des dispositifs de mise en mouvement de charges conformes à l'invention, à dispositifs de béquilles à structure parallèle, permettant de manoeuvrer des charges élevées avec des bras mobiles le plus légers possible, tout en présentant une fréquence de résonance totale suffisamment élevée (par exemple supérieure à 12 Hz). On ne décrira ici que les éléments associés à la béquille, les autres éléments étant les mêmes que ceux représentés en figure 1. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, on ajoute à la béquille 29, articulé autour de l'axe 28, une rotule 34 et un coulisseau 35 qui sont fixés aux deux branches de la béquille à peu près à la moitié de leur longueur, symétriquement par rapport à l'axe de symétrie de ces branches. On fixe sur l'embase 2, parallèlement à l'axe 28, un axe 36, le plus près possible des points de fixation des roues 7. Une deuxième béquille 37 est articulée sur cet axe 36, près des roues 7. En variante, au lieu d'articuler la béquille 37 sur l'axe 36, on l'articule sur des paliers fixés près des points de fixation des roues 7, les axes de ces paliers étant confondus et parallèles à l'axe 28. La béquille 37 a une forme générale de "Y", dont la branche "verticale" 38 est nettement plus courte que les deux autres branches 39,40. Les branches 39, 40 sont articulés sur l'axe 36, tandis que la branche 38 glisse librement dans le coulisseau 35. Bien entendu, les dimensions respectives des branches de la béquille 37 sont telles que pour les positions extrêmes de la béquille 29 (horizontale et relevée au maximum), la branche 38 ne sorte pas du coulisseau 35, et que le point de jonction de ces trois branches de la béquille 37 soit le plus proche possible du coulisseau lorsque la béquille 29 est à l'horizontale. Ainsi, grâce à l'adjonction de la béquille 37, le chemin entre la charge utile et les roues 7 est environ deux fois plus court que dans le mode de réalisation de la figure 1. II est aisé de vérifier qu'à éléments communs identiques (structure, matériaux...), la raideur du dispositif des figures 2 et 3 est environ neuf fois plus grande que celle du dispositif de la figure 1. A partir de la formule ci-dessus donnant Fir, on détermine que la fréquence de résonance FR du dispositif des figures 2 et 3 est environ trois fois plus élevée que dans le dispositif de la figure 1. Dans un exemple de réalisation, un dispositif tel que celui de la figure 1 pour une charge de 1600 kg avait une fréquence de résonance latérale (selon la direction Y sur le dessin) de 4 Hz. Après lui avoir adjoint une béquille supplémentaire, comme indiqué en figures 2 et 3, on obtenait une fréquence de 15 Hz.En général, on peut considérer que le dispositif à deux béquilles devient avantageux pour des charges utiles supérieures à environ 1500 kg. On notera que des dispositifs de mise en mouvement de charges connus à trois ou quatre degrés de liberté comportent un dispositif à "ciseaux" présentant une bonne rigidité transversale. Cependant, dans ces dispositifs, le coulisseau supporte directement une partie de la charge, ce qui entraîne un frottement important et un effet de "stick-slip" (collage/glissement) dû à ce phénomène non linéaire. L'asservissement des mouvements de la charge ne peut pas compenser cet effet, et lors des inversions de sens des mouvements, des accélérations ou vibrations parasites sont ressenties par l'utilisateur (si la charge est une cabine de pilotage simulée). Par contre, dans le dispositif de l'invention tel que celui des figures 2 e 3, aucune charge permanente n'est appliquée au coulisseau, mais uniquement lorsque le dispositif est sollicité selon une direction transversale, et de manière discontinue. On peut estimer qu'une telle sollicitation est présente pendant environ 1 % du temps moyen de simulation. Selon une autre variante de l'invention, représentée en figures 4 et 5, au lieu d'utiliser une béquille telle que la béquille 29, on utilise un double parallélogramme formant un pantographe. Cette solution, plus coûteuse que celle des figures 2 et 3, présente une rigidité longitudinale (selon la direction X sur le dessin) et une rigidité transversale plus élevées que dans la solution des figures 2 et 3. Sur les figures 4 et 5, on n'a représenté que l'embase 2 et les éléments nouveaux par rapport à ceux de la figure 1, les autres éléments de la figure 1 restant inchangés. Sur l'embase 2, on fixe près des sommets supportés par les roues 7, deux paires de paliers 41, 42 et 43, 44, les paliers 41 et 43 étant près d'un de ces sommets, et les paliers 42 et 44 près de l'autre sommet. Les axes des paliers 41 et 42 d'une part, et des paliers 43 et 44 d'autre part, sont confondus, et parallèles au côté joignant ces deux sommets, les paliers 41, 42 étant plus proches de ce côté que les paliers 43, 44. Les paliers 41, 42 supportent une barre 45 et les paliers 43, 44 supportent une barre 46. Sur la barre 45, on fixe, près de chacun des paliers 41, 42, un bras 47, 48 respectivement, et sur la barre 46, près des paliers 43, 44, un bras 49, 50 respectivement. Les bras 47 à 50 sont de longueurs égales et articulés sur les barres 45, 46. Les autres extrémités des bras 47 à 50 sont fixées à des paliers, respectivement 51 à 54.Les paliers 51 et 52 d'une part, et les paliers 53, 54 d'autre part sont alignés et reliés par des axes, respectivement 55, 56. Sur chacun de ces paliers 51 à 54, on fixe un bras, respectivement 57 à 60, ces quatre bras étant de longueurs égales et égales à celles des bras 47 à 50. Les paliers 51 et 53 sont reliés entre eux par une tige 61, et les paliers 52 et 54 sont reliés entre eux par une tige 62. Les bras 57 et 58 sont reliés entre eux à leur extrémité par un bras 63 supportant la plate-forme 64 par un palier 65. De même, les bras 59 et 60 sont reliés entre eux à leur autre extrémité par un bras 66 supportant la plate-forme 64 par un palier 67. Les bras 47 à 50 et 57 à 60 sont disposés symétriquement par rapport à un plan vertical passant par la médiatrice du triangle isocèle formé par l'embase 2 et issue du pivot 4.Ces bras sont, de plus, disposés de façon à former, de part et d'autre de ce plan vertical deux doubles parallélogrammes articulés. Ainsi, par exemple, comme on le voit sur la figure 5, I'un des doubles parallélogrammes est formé par les bras 48, 50, 58, 60 et 62,1'embase 2 et la plate-forme 64 fermant ces parallélogrammes (figure 4). L'avantage principal du dispositif des figures 4 et 5 est de permettre un débattement de la charge (disposée sur la plate-forme 64) suivant un axe parfaitement vertical, alors que les dispositifs des autres figures induisent un léger déplacement suivant l'axe X (axe de symétrie de l'embase 2) plus ou moins sensible selon la longueur de la béquille 29. La fréquence de résonance transversale du dispositif des figures 4 et 5 peut par exemple atteindre 15 Hz pour une charge de 2 000 kg. Ce dispositif est complètement articulé (articulations aux deux extrémités de chacun des bras 47 à 50 et 57 à 60) avec seulement des articulations à rotation autour d'un axe, dont on peut facilement contrôler les jeux et les frottements, donc la durée de vie est plus élevée, contrairement au dispositif à coulissement linéaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif compact de mise en mouvement de charge selon au moins quatre degrés de liberté, caractérisé en ce qu'il comporte: - une embase mobile (2) de forme sensiblement triangulaire, disposée parallèlement au sol, au-dessus de celui-ci, dont un des sommets (3) tourne autour d'un pivot (4) fixé au sol, et dont les deux autres sommets (5, 6) portent des roues (7) se déplaçant sur le sol, un arceau (24) en forme d'arc de cercle étant fixé à l'embase à l'opposé du sommet pivotant, parallèlement au sol, - un bâti (25) fixé au sol, devant l'arceau, et supportant des moyens d'entraînement de l'arceau en rotation par rapport audit pivot, - trois bras articulés (18 à 20) reliés chacun, d'un côté, par un joint de cardan (21 à 23), à la charge, et de l'autre côté, par un joint de cardan (15 à 17) et un dispositif d'articulation du type "pantin" à bras oscillant , came et excentrique (9 à 11) entraîné par un moteur, à un sommet correspondant de l'embase, - un dispositif de blocage de composante de translation latérale, 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bras oscillants sont reliés entre eux par un dispositif d'équilibrage (1 3A, 1 3B) du poids de la charge. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'équilibrage est constitué par des câbles élastiques, ou ressorts équivalents. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système à vis et écrou permet une rotation limitée de la charge par rapport à l'axe de la vis. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moteurs sont des moteurs électriques. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de blocage de composante de translation latérale est une béquille centrale (29), dont une extrémité est mobile en rotation autour d'un axe horizontal (28) fixé à l'embase, près du sommet tournant autour dudit pivot, et dont l'autre extrémité est reliée à la charge par un système à vis et écrou (31) dont la vis est entraînée par un moteur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la béquille (29) est reliée à peu près au milieu de sa longueur à un coulisseau (35) par une rotule (34), une deuxième béquille (37) passant dans ce coulisseau et étant articulée sur l'embase (36), près de ses roues (7). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de blocage de composante de translation latérale est un dispositif à double parallélogramme articulé formant un pantographe (fig. 4 et 5).