Brevet FR2745518A1 — publié le 19970905

La présente invention concerne une structure articulée pour l'orientation dans l'espace d'un objet qu'elle supporte. L'invention trouve notamment à s'appliquer pour orienter une antenne ou un détecteur monté sur un véhicule, un engin spatial ou un satellite. Une structure articulée selon l'invention peut aussi équiper un robot en lieu et place ou en association avec un bras manipulateur articulé. L'invention concerne ainsi une structure articulée déformable à déplacements commandés à n degrés de liberté pour commander l'orientation dans l'espace d'un objet par rapport à une plate-forme ou embase de référence. Les structures ou mécanismes connus pour l'orientation et/ou la manipulation de charges, d'outils ou d'instruments sont constitués d'éléments rigides de formes et de dimensions diverses qui sont reliés entre eux par des dispositifs d'articulation qui, en combinaison, leur confèrent un ou plusieurs degrés de liberté. Les mécanismes d'articulation comportent des roulements, des rotules, des bagues, etc. qui constituent autant de sources de frottements parasites qui nuisent aux performances globales. Les performances et la fiabilité sont aussi affectées par les raideurs radiales des mécanismes d'articulation. Les structures articulées connues qui comportent plusieurs centres ou axes d'articulation éloignés les uns des autres ont pour inconvénient de présenter des capacités réduites de débattement dans un volume réduit et elles présentent en outre des points singuliers dans leur cinématique autour desquels se produisent notamment des phénomènes de retournements brusques ou qui constituent des points d'instabilité. Afin de remédier à ces inconvénients, I'invention propose une structure articulée déformable à déplacements commandés à n degrés de liberté pour commander l'orientation dans l'espace d'un objet par rapport à une plate-forme, caractérisée en ce que - la structure comporte au moins un module articulé comportant une série de n+l plaques superposées et articulées les unes par rapport aux autres parmi lesquelles un bord de chaque plaque est articulé par rapport au bord en vis à vis de la plaque suivante du module ou de la plaque adjacente du module suivant, et un autre bord de la dite plaque est articulé par rapport au bord en vis à vis de la plaque précédente du module ou de la plaque adjacente du module précédent - chaque plaque de même rang de chaque module est reliée à un même organe flexible de commande de forme générale allongée et de longueur constante qui est susceptible de se déplacer longitudinalement par rapport aux autres plaques selon une direction sensiblement perpendiculaire aux plans des plaques qu'il traverse dans leurs parties centrales - la première plaque du premier module est fixée sur la plate-forme et la dernière plaque du dernier module est fixée à l'objet à orienter - et la structure comporte des moyens d'actionnement linéaire des n organes flexibles de commande qui ne sont pas reliés à la première plaque de chaque module. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - une structure articulée à un degré de liberté, est caractérisée en ce que chaque plaque de chaque module est articulée, par deux de ses bords parallèles opposés, aux bords en vis à vis des plaques voisines; - une structure articulée à deux degrés de liberté pour l'orientation de l'objet dans l'espace par combinaison de déplacements autour de deux axes coplanaires d'orientation, est caractérisée en ce que le contour de chaque plaque est triangulaire, et en ce que le couple de bords consécutifs articulés de chaque plaque est différent des couples de bords consécutifs articulés de ses plaques voisines; - le contour de chaque plaque est triangulaire équilatéral, et les deux axes d'orientation sont sécants à 1200;; - chaque plaque de la structure est articulée à une plaque voisine par au moins une lame déformable élastiquement qui relie les bords en vis à vis de ces deux plaques voisines; - chaque plaque de la structure est articulée à une plaque voisine par au moins deux lames déformables élastiquement qui sont agencées à proximité des extrémités des bords qu'elles relient; - toutes les plaques et les lames d'articulation sont réalisées venues de matière en une seule pièce par découpe dans une feuille; - chaque organe de commande flexible est une tige flexible; - chaque plaque comporte, dans sa partie centrale, un trou pour le passage avec jeu de chaque organe flexible de commande auquel elle n'est pas reliée et un orifice permettant la traversée de la plaque par l'organe flexible de commande auquel elle est reliée;; - les trous et orifices des plaques sont réalisés par découpe en une seule opération avec la découpe des plaques et des lames d'articulation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en élévation d'un exemple de réalisation d'une structure articulée selon l'invention à un degré de liberté et qui est illustrée dans un état de référence - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 sur laquelle la structure est représentée dans un état déformé par rapport à son état de référence - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un exemple de réalisation d'un tronçon d'une structure articulée selon l'invention à deux degrés de liberté qui est illustrée dans un état de référence - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3 sur laquelle on a représenté uniquement les plaques articulées et superposées - la figure 5 est un schéma qui illustre en vue de dessus l'une des plaques triangulaires articulées de la structure illustrée à la figure 3 - la figure 6 est une vue de dessus qui illustre l'ensemble des plaques constitutives de la structure articulée illustrée à la figure 3 réalisées en une seule pièce par découpe et estampage dans une feuille et avant la mise en forme définitive par pliage des lames flexibles d'articulation qui relient entre elles les plaques. Dans la description qui va suivre des éléments, composants, ensembles ou sous-ensembles identiques ou similaires seront désignés par les mêmes références. Les notions d'orientation verticale ou horizontale ne seront utilisées que pour simplifier la description et en faciliter la compréhension en référence aux différentes figures, les structures selon l'invention pouvant être utilisées et mises en oeuvre avec une orientation quelconque dans l'espace. On a représenté à la figure 2 une structure articulée 10 pour l'orientation dans l'espace d'un objet 12 qu'elle supporte par rapport à une plate-forme 14. Dans l'exemple illustré la structure 10 comporte cinq modules M comportant chacun deux plaques articulées et superposées P1 et P2. Les plaques P sont rigides c'est à dire qu'elles ne se déforment pas lors de leurs déplacements relatifs. Deux plaques P1 et P2 d'un même module M sont articulées l'une par rapport à l'autre, au voisinage de leurs bords opposés, autour d'un axe horizontal A12 parallèle au plan de l'embase 14 qui par convention constitue la première plaque du premier module tandis que la seconde plaque P2 du dernier module supporte l'objet 12. A l'état de référence illustré à la figure 1, toutes les plaques forment entre elles des angles égaux I2 et oC21. Toutes les plaques P1 des différents modules M sont reliées entre elles par une première tige flexible T1 qui est une tige de longueur constante et déformable élastiquement selon une direction transversale. La tige T1 est ainsi fixée en des points M1 aux plaques P1 avec possibilité d'articulation en ces points autour d'axes horizontaux de pivotement permettant à chaque plaque P1 de pivoter par rapport à la tige T1, la distance séparant deux plaques P1 consécutives étant contante tout le long de la tige T1. Toutes les plaques P2 des différents modules M sont reliées entre elles par une seconde tige flexible T2 qui est une tige de longueur constante et déformable élastiquement selon une direction transversale. La tige T2 est ainsi fixée en des points M2 aux plaques P2 avec possibilité d'articulation en ces points autour d'axes horizontaux de pivotement permettant à chaque plaque P2 de pivoter par rapport à la tige T2, la distance séparant deux plaques P2 consécutives étant contante tout le long de la tige T2. La tige T2 est une tige dite mobile et motorisée dans la mesure ou elle peut se déplacer longitudinalement par rapport à l'embase 14 et donc par rapport à la tige T1 sous l'action d'un actionneur 16 qui peut provoquer des déplacements longitudinaux L dans les deux sens de la tige T2. Les tiges T1 et T2 sont les plus proches possibles l'une de l'autre et agencées en "faisceau" le plus prés possible de l'axe central médian de la structure c'est à dire à mi-distance des bords articulés des plaques. La tige T1 traverse les plaques P2 à, travers de trous ou orifices non représentés sur les figures tandis que la tige T2 traverse sans interférence les plaques P1. Dans le cas d'une structure à un degré de liberté du type de celle illustrée aux figures 1 et 2 la notion de plaques peut être remplacée par celle de bielles rigides articulées si les déplacements de l'objet sont guidés ou soutenus selon les autres degrés de liberté. La structure 10 fonctionne de la manière suivante. En partant de la position de référence illustrée à la figure 1, I'actionneur 16 provoque un déplacement linéaire AL de la tige T2 par rapport à la tige T1 et par rapport à l'embase 14, verticalement vers le haut dans l'exemple illustré à la figure 2. Ce déplacement a pour effet de provoquer un pivotement de même valeur angulaire de toutes les plaques P2, dans le sens horaire, autour des axes A12. Ce pivotement provoque une réduction égale de la valeur des angles cl21, tandis que les angles oc12 augmentent chacun simultanément de la même valeur. Chaque module permet ainsi un pivotement global d'un angle AO , la superposition des modules M et leur couplage par les tiges Ti permettant d'obtenir un pivotement global de l'objet 12 par rapport à la plate-forme 14 d'un angle 0 autour d'un axe d'orientation situé à l'intersection des plans dans lesquels s'étendent la plate-forme 14 et la dernière plaque P2. Le déplacement angulaire ainsi obtenu est directement proportionnel au nombre de modules M. Si le nombre de modules est important, il est particulièrement aisé d'obtenir des amplitudes d'orientation angulaire supérieures à 90" sans dépasser les limites de contraintes acceptables au niveau de chacune des articulations. On décrira maintenant l'exemple de structure à deux degrés de liberté illustré à la figure 3. Chaque module M comporte ici trois plaques successives P1, P2 et P3 dont chacune est une plaque rigide de forme triangulaire équilatérale délimitée par trois bords ou côtés consécutifs CA, CB et CC. Les plaques d'un module sont articulées entre elles de la manière suivante - les bords en vis-à-vis CIA et C2A des plaques P1 et P2 sont articulés entre eux autour d'un axe horizontal A12 situé verticalement sensiblement à mi-distance des plaques P1 et P2 - les bords en vis-à-vis C2B et C3B des plaques P2 et P3 sont articulés autour d'un axe horizontal A23 qui est décalé de 1200 par rapport à l'axe A12. La première plaque P1 d'un module M est articulée par rapport à la dernière plaque du module précédent du fait de l'articulation des bords en vis-à-vis C3C et CIC des plaques P3 et P1 autour d'un axe horizontal A31 décalé à 1200 par rapport aux axes A12 et A23. Les plaques sont articulées entre elles par des lames ou bandes d'articulation. Ainsi deux bords en vis-à-vis de deux plaques voisines sont reliées entre elles par deux bandes B agencées au voisinage des extrémités opposées de ces bords. Par exemple, les bords CIA et C2A sont reliés par deux bandes d'articulation B12 conformées à cet effet. Les plaques P et les bandes B sont avantageusement réalisées en une seule pièce par découpe et estampage d'une feuille, par exemple métallique de faible épaisseur comme on peut l'extrémité longitudinale voir à la figure 6. La tige "fixe" T1 relient entre elles toutes les plaques P1 et traverse sans interférence les plaques P2 et P3 par des trous en forme de lunules, une deuxième tige mobile T2 reliée à l'actionneur 16 relie entre elles les plaques P2 et traverse sans interférence les plaques P1 et P3, tandis qu'une troisième tige mobile T3 reliée à l'actionneur 16 relie entre elles les plaques P3 et traverse sans interférence les plaques P1 et P2. L'actionneur 16 est ici conçu pour permettre de déplacer linéairement les tiges mobiles T2 et T3 par rapport à la tige T1 et l'une par rapport à l'autre. La structure 10 fonctionne de la manière suivante. Un déplacement AL de la tige T2 provoque un pivotement de chaque plaque P2 autour de l'axe A12. En I'absence de déplacement de la tige T3, on observe un pivotement de la plaque P3 par rapport à la plaque P2. On obtient ainsi pour chaque module un pivotement global de la plaque P3 par rapport à la plaque P1 autour d'un axe qui, en projection verticale est la bissectrice DAB de l'angle formé par les côtés consécutifs C2A et C2B. Un même raisonnement s'applique dans la cas d'un déplacement linéaire de la tige T3 qui provoque un pivotement résultant autour d'un axe qui est la bissectrice DBC de l'angle formé par les côtés consécutifs C2B et C2C. Les mouvements des tiges T2 et T3 peuvent être combinés et il est ainsi possible d'orienter un objet porté par la plaque P3 du dernier module dans au moins un demi-espace. Le principe de conception des structures articulées selon l'invention permet d'obtenir de grandes capacités de débattement et une très grande précision de positionnement dans l'espace. L'invention permet de supprimer les points singuliers connus dans les structures selon l'état de la technique dans la mesure où, du point de vue cinématique, on travaille à chaque niveau d'articulation de plaques successives dans des conditions idéales. Chaque actionneur illustré de manière schématique sur les figures peuvent être du type piézo-électrique, électrostrictif, magnétostrictif, à mémoire de forme, hydraulique, électrodynamique, etc. Les actionneurs peuvent agir directement sur les tiges ou par l'intermédiaire de mécanismes de renvoi de mouvement avec amplification de mouvement et/ou d'effort. II est ainsi possible d'appliquer des efforts de commande importants et d'obtenir une relation directe entre la tension de commande et les déplacements obtenus. La conception selon l'invention permet de commander des déplacements avec une grande précision absolue. L'erreur due au décalage latéral des tiges par rapport à l'axe central de la structure est une erreur connue et constante qui peut donc être éliminée après calibrage de la commande. La conception selon l'invention permet aussi, pour certaines applications d'effectuer du pointage dynamique dans l'espace avec un asservissement en effort des actionneurs. II est possible, en agençant un capteur inertiel sur l'objet 12 de faire du pointage absolu. La flexibilité de la structure constitue alors un avantage supplémentaire car elle agit alors comme une suspension et filtre les vibrations linéaires. Dans sa réalisation en feuille la structure présente une inertie très faible et une masse réduite qui permet d'envisager de nombreuses applications dans les domaines de l'aéronautique et des satellites. A titre d'exemple, une structure d'environ 1 kg Permet de porter et d'orienter un objet de 30kg. II est aussi possible de faire passer de manière très aisée des câblages électriques et optiques qui ne sont que faiblement déformés localement à chacun des niveaux successifs de la structure. On peut aussi envisager d'utiliser la structure pour effectuer du balayage spatial en continu. Une structure selon l'invention peut aussi trouver à s'appliquer pour l'inspection de canalisations agencée à l'extrémité d'un organe souple de parcours de la canalisation pour assurer par exemple des missions du type "endoscopique". REVENDICATIONS 1. Structure articulée déformable (10) à déplacements commandés à n degrés de liberté pour commander l'orientation dans l'espace d'un objet (12) par rapport à une plate-forme (14), caractérisée en ce que - la structure comporte au moins un module articulé (M) comportant une série de n+l plaques (P1, P2, P3) superposées et articulées les unes par rapport aux autres parmi lesquelles un bord (C1A, ...C3C) de chaque plaque (P1, P2, P3) est articulé par rapport au bord en vis à vis (C2A,...C1C) de la plaque suivante (P2, P3) du module (M) ou de la plaque adjacente (P1) du module suivant, et un autre bord de ladite plaque (P1, P2, P3) est articulé par rapport au bord en vis à vis de la plaque précédente (P1, P2) du module (M) ou de la plaque adjacente ( P3) du module précédent - chaque plaque de même rang (P1, P2, P3) de chaque module est reliée à un même organe flexible de commande (T1, T2, T3) de forme générale allongée et de longueur constante qui est susceptible de se déplacer longitudinalement par rapport aux autres plaques selon une direction sensiblement perpendiculaire aux plans des plaques qu'il traverse dans leurs parties centrales - la première plaque (P1) du premier module est fixée sur la plate-forme (14) et la dernière plaque (P3) du dernier module est fixée à l'objet à orienter (12);; - et la structure comporte des moyens (16) d'actionnement linéaire des n organes flexibles de commande (T2,T3) qui ne sont pas reliés à la première plaque (psi) de chaque module (M). 2. Structure articulée selon la revendication 1 à un degré de liberté, caractérisée en ce que chaque plaque (P1, P2) de chaque module (M) est articulée, par deux de ses bords parallèles opposés, aux bords en vis à vis des plaques voisines. 3. Structure articulée selon la revendication 1 à deux degrés de liberté pour l'orientation de l'objet (12) dans l'espace par combinaison de déplacements autour de deux axes coplanaires d'orientation (DAB, DBC), caractérisée en ce que le contour de chaque plaque est triangulaire, et en ce que le couple de bords consécutifs articulés de chaque plaque est différent des couples de bords consécutifs articulés de ses plaques voisines. 4. Structure articulée selon la revendication 3 caractérisée en ce que le contour de chaque plaque est triangulaire équilatéral, et en ce que les deux axes d'orientation (DAB, DBC) sont sécants à 1200. 5. Structure articulée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque plaque de la structure est articulée à une plaque voisine par au moins une lame (B12, B23, B31) déformable élastiquement qui relie les bords en vis à vis de ces deux plaques voisines. 6. Structure articulée selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque plaque de la structure est articulée à une plaque voisine par au moins deux lames déformables élastiquement qui sont agencées à proximité des extrémités des bords qu'elles relient. 7. Structure articulée selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que toutes les plaques (P1, P2, P3) et les lames d'articulation (B12, B23, B31) sont réalisées venues de matière en une seule pièce par découpe dans une feuille. 8. Structure articulée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque organe de commande flexible est une tige flexible (T1, T2, T3). 9. Structure articulée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque plaque (P1, P2, P3) comporte, dans sa partie centrale, un trou pour le passage avec jeu de chaque organe flexible de commande (T2-T3, T1-T3, T1-T2) auquel elle n'est pas reliée et un orifice permettant la traversée de la plaque par l'organe flexible de commande (T1, T2, T3) auquel elle est reliée. 10. Structure articulée selon la revendications précédente prise en combinaison avec la revendication 7, caractérisée en ce que les trous et orifices des plaques sont réalisées par découpe en une seule opération avec la découpe des plaques et des lames d'articulation.