Brevet FR2786894A1 — publié le 20000609

DISPOSITIF DE MISE EN MOUVEMENT A DEBATTEMENT LIMITE DE CHARGE SELON UN A SIX DEGRES DE LIBERTE La présente invention se rapporte à un dispositif de mise en mouvement à débattement limité de charge selon un à six degrés de liberté. Les simulateurs de conduite de véhicule terrestre, aérien ou maritime comportent une maquette de poste de pilotage de ce véhicule. Pour obtenir une simulation réaliste, on met en mouvement cette maquette. Les dispositifs de mise en mouvement de maquette actuels sont en général du type à plate-forme supportée par un ensemble de six vérins hydrauliques, ce qui permet d'animer la maquette supportée par cette plate-forme selon six degrés de liberté. Une telle solution est satisfaisante du point de vue du réalisme des mouvements communiqués à la maquette, mais est très onéreuse car les vérins, déjà onéreux en euxmêmes, nécessitent une centrale hydraulique et un système de commande également onéreux. On connaît d'après le brevet français 2 757 925 un dispositif de mise en mouvement de charge à trois moteurs électriques à trois degrés de liberté dans sa version de base, ce qui suffit pour certaines applications, mais si l'on veut ajouter d'autres degrés de liberté il faut prévoir des plates- formes et des moteurs supplémentaires, ce qui en augmente le prix de revient. La présente invention a pour objet un dispositif de mise en mouvement de charge selon un à six degrés de liberté, qui soit simple à réaliser et de faible prix de revient, le choix des degrés de liberté, en nombre compris dans l'intervalle précité, pouvant être facilement modifiable. Le dispositif conforme à l'invention, pour la mise en mouvement d'une charge, est caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois dispositifs élastiques passifs reliés d'un côté à la charge en des points positionnés autour de son centre de gravité, et reliés de l'autre côté à une base de référence. Ces dispositifs passifs sollicitent la charge dans une direction donnée avec au plus six dispositifs d'actionnement reliés, d'un côté à une base de référence, et de l'autre côté reliés par paires à trois points de la charge, positionnés autour du centre de gravité de cette charge, de préférence coïncidant avec les points auxquels sont reliés les dispositifs passifs. Ces dispositifs d'actionnement sollicitent la charge de façon antagoniste par rapport aux dispositifs passifs. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1, est une vue schématisée en perspective d'un dispositif conforme à l'invention; - la figure 2, est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation d'un actionneur du dispositif de la figure 1, à coupleurs électromagnétiques; - la figure 3, est une représentation schématique simplifiée de 1O variantes du dispositif de la figure 1, et la figure 4, est un bloc-diagramme fonctionnel de la partie de commande du dispositif de la figure 1. L'invention est décrite ci-dessous en référence à un simulateur de conduite de véhicule ou d'aéronef, par exemple un avion, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans d'autres domaines o l'on a à déplacer selon un à six degrés de liberté, avec un débattement limité, une charge quelconque, que cette charge soit légère (par exemple des instruments de chirurgie pour un télémanipulateur) ou plus lourde (par exemple une plate-forme de positionnement). Le dispositif 1 représenté en figure 1 comporte une plate-forme 2 mobile par rapport à une embase de référence 3. Cette embase 3 peut être fixe, par exemple une plaque de béton fixée au sol ou en l'air, à des poutres, ou bien déplaçable (par exemple le " bras " ou " l'épaule " d'un télémanipulateur), et elle n'est pas nécessairement horizontale. La plate- forme 2 supporte une maquette de cabine de pilotage (non représentée). On trace sur les faces en vis-à-vis de la plate-forme 2 et de l'embase 3 des cercles 4 et 5 de rayons non nécessairement identiques. Le centre du cercle 4 coïncide sensiblement avec le centre de gravité de la plateforme, et celui du cercle 5 est à peu près au centre de la surface utile de l'embase. Les cercles servent à déterminer les emplacements des fixations des dispositifs élastiques de poussée reliant la plate-forme à l'embase. Ces dispositifs de poussée, référencés 6 à 8 respectivement, servent à fournir les efforts d'accélération de l'ensemble (plate-forme + maquette) en statique et en dynamique. Les dispositifs 6 à 8 sont fixés par des rotules 9 (ou dispositifs équivalents) à la plate-forme et à l'embase. Les dispositifs 6 à 8 sont, par exemple, des ressorts ou des vérins à gaz non freinés ou tout dispositif élastique équivalent, de préférence un dispositif dont la force est la plus indépendante possible de son élongation Selon une variante, non représentée, la plate-forme 2 peut être suspendue à un support se trouvant au-dessus d'elle. Dans ce cas, les points d'attache des dispositifs 6 à 8 sont disposés sur ce support de la même façon qu'ils le sont sur le cercle 5. Les mouvements désirés sont appliqués à la plate-forme 2 à l'aide de six câbles (ou dispositifs similaires déformables tels que des chaînes, des bielles,..) groupés par deux, chaque paire aboutissant respectivement près d'une rotule 9 de la plate-forme 2, ces câbles étant respectivement référencés 10 à 15 pour les rotules des dispositifs 6 à 8. Les câbles de chacune des paires doivent concourir en un point, réel ou virtuel, qui est, de préférence proche de la rotule 9 correspondante de la plate- forme 2. Tous les dispositifs 10 à 15 doivent passer, au niveau de l'embase 3, par des points fixes, ou pratiquement fixes. Ces points sont soit des renvois d'angle (poulies de renvoi pour des câbles ou articulations pour des biellettes, par exemple) si les dispositifs 10 à 15 se prolongent au-delà des points fixes de l'embase, soit des actionneurs (moteurs électriques munis de poulies d'enroulement dans le cas de câbles, par exemple) si les dispositifs 10 à 15 ne continuent pas au-delà des points fixes. Dans le cas représenté sur le dessin, pour lequel les dispositifs 10 à 15 sont des câbles qui se prolongent au- delà des points fixes, ces derniers sont des poulies de renvoi, respectivement référencées 16 à 21. Ces poulies sont fixées à l'embase 3, symétriquement par rapport à la rotule 9 (de l'embase 3) de la paire de câbles correspondante. La distance entre les poulies de l'embase 3 de chaque paire de câbles est telle que le triangle formé par la paire de câbles et la ligne joignant les deux poulies soit sensiblement équilatéral en position intermédiaire de la plate-forme 2 (plate-forme parallèle à l'embase, et câbles tendus pour contraindre les dispositifs 6 à 8). Au-delà des poulies 16 à 21, les câbles 10 à 15 aboutissent à un dispositif DA d'actionnement de ces câbles. Ce dispositif DA peut soit être un dispositif central, comme représenté plus en détail en figure 2, soit comporter des moteurs indépendants, comme représenté plus en détail en figure 3. Le fait de solliciter la plate-forme 2 dans un sens opposé à celui dans lequel tendent à la pousser les dispositifs 6 à 8 à l'aide des câbles 10 à 15 passant sur les poulies 16 à 21 et formant lesdits triangles, permet de " haubaner" ces dispositifs 6 à 8 en contrôlant les cinq degrés de liberté déterminant l'attitude de la plate- forme. Dans tous les cas, les câbles 10 à 15 doivent, bien entendu, être tendus. Le mode de réalisation du dispositif DA représenté en figure 2 comporte un moteur unique 22 sur l'arbre 23 duquel sont disposés côte-à- côte six coupleurs, par exemple des noyaux magnétiques 24.1 à 24.6. Dans le cas de noyaux magnétiques chacun de ceux-ci coopère avec un électroaimant annulaire concentrique, ces électroaimants étant référencés 25.1 à 25.6 respectivement. Chaque noyau comporte de la poudre ou des grains de matériau ferromagnétique et forme avec son électroaimant associé un coupleur électromagnétique classique à friction variable en fonction du courant alimentant l'électroaimant. Chaque électroaimant 25.1 à 25.6 porte une poulie concentrique, respectivement 26.1 à 26.6. Les extrémités des câbles 10 à 15 sont enroulées sur les poulies 26.1 à 26.6. En position statique du dispositif 1, le moteur 22 tourne, et les courants envoyés aux électroaimants 25.1 à 25.6 sont régulés pour tendre les câbles 10 à 15 et contraindre l'attitude de la plate-forme. Afin de minimiser les pertes d'énergie par frottement dans les coupleurs, le moteur est régulé en vitesse en fonction des paramètres du mouvement de la cabine. Bien entendu, lorsque le dispositif 1 n'est pas utilisé, pour éviter d'avoir à faire tourner le moteur 22 afin de tendre les câbles 10 à 15, tout en maintenant la plate-forme 2 en une position correspondant à sa position de maintenance ou de transport, on peut maintenir la plate-forme à l'aide de tout dispositif mécanique approprié (béquilles, câble de suspension accroché à une poutre,...). On a représenté en figure 3 un autre mode de réalisation du dispositif d'actionnement de câbles DA. Ce dispositif comporte trois moteurs à poulie d'enroulement, respectivement 27 à 29, à raison d'un moteur par paire de câbles, respectivement les paires 10-11, 12-13 et 14-15. Pour chaque paire de câbles, les extrémités de ceux-ci peuvent être enroulées sur les poulies 27 à 29 de deux façons différentes: soit dans le même sens, pour obtenir une configuration " symétrique " S telle que représentée sur la partie principale du dessin, soit en sens contraires, pour obtenir une configuration " dissymétrique " D, telle que représentée à part pour l'une des poulies (référencée 28A dans ce cas). La configuration S permet de tirer ou de relâcher simultanément les deux câbles de la paire en question, suivant le sens de rotation du moteur correspondant. La configuration D permet de tirer l'un des câbles de la paire, tandis que l'autre câble est relâché en même temps. Comme on le verra ci-dessous, selon les différentes combinaisons de configuration S et D, on peut obtenir différentes combinaisons de mouvements de la plate-forme 2. Bien entendu, les poulies 27 à 29 peuvent être celles d'un dispositif de commande DA à trois coupleurs électromagnétique similaire à celui de la figure 3. Le dispositif de commande DA, comme d'ailleurs ses autres modes de réalisation, peut être éloigné de la plate-forme, des poulies de renvoi appropriées étant disposées à cet effet sur le trajet des câbles 1 5 entre les poulies 16 à 21 et le dispositif DA utilisé. Selon une autre possibilité, dite configuration indépendante I (non représentée), les câbles de l'un ou de deux des trois paires peuvent être actionnés chacun par son propre moteur à poulie d'enroulement. Pour expliquer le fonctionnement des différentes combinaisons de configurations de poulies du mode de réalisation de la figure 3, on suppose que la maquette de cabine de pilotage est disposée sur la plateforme 2 de façon que son avant soit dirigé vers le couple de câbles 10, 11 (flèche 30 représentant le sens de déplacement du véhicule ou de l'aéronef simulé). Selon une première combinaison à trois configurations " S ", d'abord on immobilise la poulie 27, les câbles 10 et 11 étant tendus de façon que le dispositif 6 soit, par exemple, à mi-course. Si l'on actionne les poulies 28 et 29 dans le même sens, on obtient un mouvement de tangage par rapport à l'articulation supérieure 9 du dispositif 6, et si ces poulies sont actionnées en sens contraires, on obtient un mouvement de roulis par rapport à cette même articulation 9. On obtient un mouvement vertical de la plate-forme 2 si les trois poulies 27 à 29 sont actionnées simultanément, à la même vitesse angulaire, dans le même sens. Bien entendu, pour cette combinaison, comme pour les autres combinaisons à au moins deux degrés de liberté, on peut actionner la plate- forme selon deux ou plusieurs degrés de liberté simultanément (par exemple, simultanément roulis et tangage ou bien roulis + tangage + mouvement vertical). Selon une deuxième combinaison à trois configurations "D", on obtient les degrés de liberté suivants: - en lacets si les trois poulies sont actionnées simultanément dans le même sens de rotation et de la même façon toutes les trois, - en déplacement latéral si la poulie 27 est bloquée (câbles 10 et 11 tendus et de même longueur) et les poulies 28,29 actionnées dans le même sens de rotation - en déplacement longitudinal si la poulie 27 est bloquée (les câbles 10 et 11 étant tendus et de même longueur), et les poulies 28,29 actionnées dans des sens de rotation différents. Selon une troisième combinaison à deux configurations "S" (relatives aux poulies 28 et 29) et une configuration "D" (poulie 27), on obtient les trois degrés de liberté suivants: - en roulis: poulie 27 bloquée et poulies 28,29 actionnées en sens contraires. - en tangage: poulie 27 bloquée et poulies 28,29 actionnées dans le même sens - en déplacement latéral: poulies 28,29 bloquées et poulie 27 actionnée dans un sens et dans l'autre. Selon une quatrième combinaison à une configuration "S" (poulie 27) et à deux configurations "D" (poulies 28 et 29), on obtient les trois degrés de liberté suivants: - en tangage: poulies 28,29 bloquées, et poulie 27 actionnée dans un sens et dans l'autre, - en déplacement latéral: poulie 27 bloquée et poulies 28,29 actionnées dans le même sens, - en déplacement longitudinal: poulie 27 bloquée et poulies 28,29 actionnées en sens contraires. Selon une cinquième combinaison, la poulie 27 est bloquée (ou bien, en variante, les câbles 10 et 11 sont remplacés par des bielles articulées à leurs extrémités), tandis que les câbles 12 à 15 sont actionnés indépendamment les uns des autres, chacun par son propre moteur (poulies 8 et 29 supprimées). On obtient alors les quatre degrés de liberté suivants: - roulis: câbles 12,13 actionnées simultanément dans un sens (tirés ou relâchés, mais en étant toujours tendus) et câbles 14,15 actionnés simultanément dans l'autre sens, - tangage: tous les câbles 12 à 15 sont actionnés simultanément dans un sens et dans l'autre sens, de la même valeur - déplacement longitudinal: câbles 12 et 15 actionnés simultanément dans un sens, et câbles 13,14 actionnés simultanément dans l'autre sens, déplacement latéral: câbles 12,13 actionnés simultanément O dans un sens, et câbles 14,15 actionnés simultanément dans l'autre sens; Bien entendu, si l'on veut obtenir, pour une configuration unique, six degrés de liberté, il faut actionner séparément chacun des câbles 10 à , soit à l'aide d'un dispositif actionneur tel que celui de la figure 2, soit à l'aide de six moteurs indépendants. Il est également bien entendu que si l'on n'a besoin que de 1 ou 2 degrés de liberté, on remplace chacune des deux paires de câbles, par une bielle articulée à ses extrémités. On a représenté en figure 4 le bloc-diagramme fonctionnel du dispositif de régulation de position de la plate-forme 2, cas o le dispositif DA comporte six coupleurs (figure 2). Le calculateur 31 du simulateur élabore sous la commande d'un programme et/ou sous la commande d'un instructeur les paramètres X,Y et Z de positions de la plate-forme et ses angles d'attitude Y,O et qp dans un repère spatial cartésien O,X,Y,Z, dans lequel X,Y et Z sont les coordonnées du centre de gravité de la plate-forme par exemple, et Y,O et q( les angles du vecteur 30, par exemple, (figure 3), par rapport aux trois axes OX,OY, et OZ. Ces six paramètres sont envoyés à un dispositif 32 transcodeur les transformant en signaux de commande pour les différents moteurs du dispositif DA. Ce dispositif 32 comporte un modèle du comportement du dispositif mécanique et électrique 1 en fonction des signaux de commande envoyés au dispositif DA. Le dispositif 32 commande via un variateur 34 la vitesse de rotation N du moteur 22 (voir figure 2). D'autre part, le dispositif 32 est associé à un circuit d'asservissement 33 fournissant les valeurs de consigne nlc à n6c des vitesses de rotation des six coupleurs électromagnétiques disposés sur l'arbre 23. Ces six valeurs de consigne sont envoyées à six variateurs, respectivement 35.1 à 35.6 commandant les courants envoyés aux électroaimants 25.1 à 25.6 respectivement. Chacune des poulies 26.1 à 26. 6 est associée à un capteur de sa position angulaire, et le signal de sortie de chacun de ces capteurs, respectivement pl à p6 est envoyé au circuit 33 pour asservir les valeurs de nlc à n6c, respectivement. Il en résulte les vitesses de rotation réalisées effectivement nlr à n6r par les poulies 26.1 à 26.6, déterminant les positions instantanées successives de la plate-forme 2. Bien entendu pour d'autres configurations, telles que celles décrites en référence à la figure 2, et/ou pour d'autres modes de réalisation du dispositif de commande DA, le dispositif de régulation est modifié de façon correspondante, évidente pour l'homme du métier à la lecture de la présente description. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mise en mouvement à débattement limité de charge selon un à six degrés de liberté, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois dispositifs élastiques passifs (6,7,8) reliés d'un côté à la charge (2) en des points (9) positionnes autour de son centre de gravité, et reliés de l'autre côté à une base de référence (3), ces dispositifs passifs sollicitant la charge dans une direction donnée, et au plus six dispositifs d'actionnement (10-15) reliés, d'un côté à une base de référence, et de l'autre côté reliés par paires à trois points de la charge (9), points également positionnes autour du centre de gravité de la charge, ces dispositifs d'actionnement sollicitant la charge de façon antagoniste par rapport aux dispositifs passifs. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs élastiques passifs sont l'un au moins des dispositifs suivants: ressorts, vérins à gaz, dispositifs élastiques en traction, dispositifs élastiques en compression. 3 - Dispositif selon la revendication ou 2, caractérisé en ce que les dispositifs d'actionnement sont l'un au moins des dispositifs suivants: câbles tendus, chaînes, biellettes. 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dispositifs d'actionnement sont commandés par un dispositif de commande (DA) à moteur commun (22). - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moteur commun est régulé en vitesse. 6 - Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte des coupleurs. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les coupleurs sont des coupleurs électromagnétiques (24.1 à 24.6 et 25.1 à 25.6) disposés sur un arbre commun (23) entraîné par le moteur commun. Il1 j 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque paire de dispositifs d'actionnement est reliée à un dispositif de commande commun (27 à 29). 9 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'une des paires de dispositifs d'actionnement est remplacée par une bielle articulée à ses deux extrémités. 10 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque dispositif d'actionnement est commandé individuellement ou de façon combinatoire par un moteur.