Brevet FR2817806A1 — publié le 20020614

La présente invention concerne un véhicule, tel qu'un fauteuil roulant selon l'application principalement envisagée, doté de moyens de stabilisation et de roulement lui permettant d'évoluer en tout-terrain et dans un escalier avec de bonnes conditions de confort et de sécurité. Le sous-ensemble composé des éléments en contact avec l'utilisateur (siège, dossier, accoudoirs, repose-pieds) est dissocié mécaniquement du sous-ensemble composé du châssis et des organes de roulement. La liaison entre ces deux sousensemble possède au moins un degré de liberté.. Le plan du siège de l'utilisateur est maintenu horizontal ou proche de l'horizontale grâce à un volant d'inertie et un montage électro-mécanique adéquat. La liaison fauteuilchâssis est réduite à un appui au niveau du châssis et la verticale du centre de gravité de l'ensemble composé du fauteuil et de l'utilisateur est contrainte de passer à l'intérieur du polygone de sustentation assurant ainsi l'équilibre statique. Ce montage rend possible l'évolution sans risque sur un terrain très pentu et dans un escalier. Les fauteuils roulants motorisés actuellement commercialisés ne permettent pas du tout une évolution sur un terrain très pentu ou dans un escalier. Dans leur quasi totalité, ils ne permettent même pas de monter sur une bordure de trottoir. Les fauteuils roulants motorisés actuels possèdent des roues d'assez faible diamètre qui ne permettent pas d'amortir les chocs lors du passage d'une marche à l'autre. Par ailleurs dans un escalier, où la pente peut atteindre et dépasser 450, le siège des fauteuils roulants actuels possède une liaison fixe avec le châssis et se trouve donc incliné d'un angle identique à celui de la pente ce qui entraîne le glissement et la chute de l'utilisateur. De plus, même si l'utilisateur évite de glisser en se maintenant fermement dans son fauteuil, l'ensemble risque de basculer. De nombreuses solutions ont été proposées pour tenter de remédier à ce problème de stabilité. Certains fabricants ont augmenté la longueur et la largeur du véhicule pour satisfaire aux lois de l'équilibre. Ceci n'est pas satisfaisant car on assure la stabilité mais pas la manoeuvrabilité qui est un critère important pour un véhicule qui doit évoluer dans une maison et passer des portes. D'autres solutions ont été envisagées pour tenter d'assurer le maintien du siège en position horizontale en utilisant un ou plusieurs vérins assurant la liaison entre le siège et le châssis. Bien que cette solution soit théoriquement acceptable, elle ne semble pas praticable avec des vérins électriques dont le temps de réponse est trop long. On pourrait sans doute utiliser des vérins hydrauliques ou à air comprimé, mais cela nécessiterait une installation complexe à contrôler et à maintenir. D'autres solutions ont été proposées dont certaines issues des recherches sur le déplacement des engins robotisés et comprenant de multiples pattes ou barres d'appui. A ce jour aucune de ces applications n'a abouti sur le plan commercial, sans doute à cause de problème d'encombrement, de sécurité, d'autonomie, de complexité de construction ou de coût de mise en oeuvre. L'objet de l'invention est d'apporter au problème de stabilité une solution très efficace, peu consommatrice d'énergie et d'un fonctionnement sûr. Contrairement à d'autres dispositifs, on ne cherche pas à stabiliser l'ensemble du véhicule, mais seulement la partie utile c'est à dire celle qui supporte l'utilisateur. Le dispositif met en oeuvre un volant d'inertie, des éléments mécaniques et électro-mécaniques de liaison et des moyens électroniques de contrôle. Le volant en rotation rapide produit un couple de redressement s'opposant à toute tentative de déplacement de son plan de rotation. Si on assimile le volant à un cylindre de masse m, la résolution des équations d'Euler donne en première approximation un couple de redressement selon la formule : Où co est la vitesse de rotation propre du volant, cop la vitesse de précession, r est le rayon intérieur du cylindre et R est le rayon extérieur du cylindre. Dans notre application une volant de 10 kg, de 15 cm de rayon de gyration et tournant à 6000 tours/min produit un couple de redressement d'environ 900Nm pour un mouvement de précession de 1 tours/sec. Ceci est plus que suffisant pour stabiliser l'ensemble composé du siège et de l'utilisateur. Les schémas annexés illustrent l'invention. Dans une forme de réalisation simple représentée dans la figure 1, le dispositif de stabilisation est composé essentiellement : d'un carter (1) contenant un volant dont la masse est concentrée à la périphérie (puisque le moment d'inertie est proportionnel au carré de la distance à l'axe de rotation) d'un moteur électrique (2) assurant la rotation du volant. Ces éléments sont placés sous le siège de l'utilisateur (7). L'ensemble composé du carter (1), du moteur d'entraînement (2), du volant, du siège (7), du repose-pieds (8), et du dossier (9) est fixé à l'extrémité d'un pied (3). L'autre extrémité du pied (3) prend appui sur le châssis (5) en un point (4). Le dispositif est complété de moyens mécaniques ou électro-mécaniques permettant de maintenir le siège en position convenable, lorsque le véhicule est à l'arrêt et que l'alimentation électrique est coupée. Le moyen le plus simple consiste à utiliser 3 ressorts dont l'une des extrémités est liée au pied du siège (3) et l'autre en 3 points différents du châssis. La réalisation décrite ci-dessus suppose que l'on néglige certains mouvements indésirables tels les mouvements de précession induits par le volant. Ces mouvements sont de faible amplitude lorsque le volant a atteint sa vitesse nominale. Pour éliminer ces mouvements et les réactions non contrôlées aux mouvements de l'utilisateur on peut être conduit à devoir augmenter la masse du volant ou sa vitesse de rotation. Selon une autre forme de réalisation plus complexe mais plus efficace, il est possible d'éliminer ces mouvements incontrôlés en montant le volant comme un gyroscope standard à cardans. c'est à dire en utilisant deux cadres concentriques mobiles autour d'axes perpendiculaires entre eux, le volant et son moteur d'entraînement étant fixés sur le cadre intérieur. Chacun de ces cadres est actionné par un motoréducteur électrique dont la vitesse de rotation est commandée par un système électronique de contrôle qui fonctionne en boucle fermée à partir d'informations angulaires fournies par des capteurs solidaires du pied du siège. Le couple appliqué par le motoréducteur des cadres contrebalance le couple de gravité et autres couples perturbateurs. La liaison entre le fauteuil et le châssis est dans ce cas une liaison rotule. Une solution intermédiaire privilègiée, car plus simple et plus économique à réaliser, consiste à n'autoriser le mouvement de rotation de l'ensemble siège, gyroscope et pied que dans un plan vertical passant par l'axe longitudinal du véhicule. La liaison au point 4 étant une liaison pivot et non plus par une liaison à rotule comme indiquée précédemment. Le cadre supportant le volant d'inertie et son moteur d'entraînement sera mobile autour d'un axe situé dans le même plan que celui du volant et perpendiculaire. Cet axe de précession est situé dans le plan de symétrie du véhicule et est maintenu approximativement horizontal. Il est entraîné par un motoréducteur qui est commandé par un système électronique de contrôle utilisant l'information de mesure angulaire fournie par un capteur solidaire du pied du fauteuil. Dans les trois cas de figure, le dispositif de stabilisation par volant a un fonctionnement particulièrement sûr car le volant possède une inertie suffisante pour continuer à tourner sans diminution significative de la vitesse de rotation et donc d'assurer sa fonction de stabilisation pendant plusieurs dizaines de secondes après une coupure d'alimentation électrique volontaire ou accidentelle. De plus, le moteur d'entraînement du volant d'inertie est doté d'un capteur de vitesse de rotation, telle une génératrice tachymétrique, qui est relié à un système électronique de contrôle, lequel système actionne une alarme lorsque la vitesse de rotation prévue est inférieure à un seuil de sécurité. Cette alarme indique qu'il ne faut pas utiliser alors le véhicule dans un escalier ou sur un terrain trop pentu. Bien que cela ne soit pas indispensable, le carter contenant le volant d'inertie pourra être réalisé de manière hermétique. On fera le vide à l'intérieur du carter pour éviter les pertes d'énergie par frottement Les fauteuils roulants actuels, dans leur quasi totalité, utilisent des roues. Un véhicule à roues ne peut évoluer dans un escalier en offrant à un utilisateur un niveau de confort acceptable à moins d'avoir des roues de diamètre très important avec des pneus larges et sous-gonflés ; mais ceci n'est pas compatible avec les dimensions d'un fauteuil roulant dont la largeur ne doit pas dépasser la largeur d'une porte. Un système à roues subit un choc à chaque passage de marche d'escalier. Pour remédier à cet inconvénient majeur notre véhicule aura un organe de roulement basé sur au moins une chenille (10) et typiquement deux chenilles. L'utilisation d'une chenille permet au véhicule de prendre appui sur l'arête des marches et donc d'éviter les à-coups au passage d'une marche à l'autre. Pratiquement les chenilles pourront être constituées d'un courroie crantée sur sa face interne pour une bonne transmission de l'énergie et sur sa face externe pour une meilleure adhérence. Selon des modes particuliers de réalisation l'axe d'au moins une poulie (6) est solidaire d'un bras mobile (12) qui autorise une configuration de chenille offrant un encombrement minimum (figure 2) pour le transport et l'évolution en espace exigu, ou une configuration allongée (figure 3) offrant une meilleure stabilité et une plus grande surface de roulement pour une évolution sur le sable ou la neige par exemple. Ceci permet d'avoir un véhicule de même longueur qu'un fauteuil roulant standard actuel tout en assurant une bonne stabilité. Chacune des chenilles comportera un galet tendeur (11). Dans un mode de réalisation ce galet sera assujetti à un simple ressort. Selon un autre mode de réalisation, le galet pourra être commandé par un vérin. Un capteur de traction du type jauge de contrainte fournira au système électronique de contrôle l'information lui permettant d'actionner le vérin de manière adéquate. Par exemple lors de l'amorce de la descente d'un escalier, le système pourrait permettre de diminuer la tension de chenille pour amortir le basculement au passage de la première marche. Par la suite, en cours de descente de l'escalier la tension serait rendue maximale pour offrir un meilleur confort. Le véhicule pourra disposer d'un dispositif facilitant les changements de direction. Cela est utile et même indispensable dans certains cas de figure comme en intérieur sur un tapis par exemple. Selon une réalisation de ce dispositif on utilisera deux roues folles de faible diamètre qui sont placées à droite et à gauche à l'avant du véhicule. Elles sont escamotée en fonctionnement normal et peuvent être mises en service à la demande par un moyen électromécanique approprié, tel un vérin. La mise en service de ces roues auxiliaires provoque l'élévation de la partie correspondante du véhicule qui se comporte alors comme un véhicule à 4 roues. Selon une autre réalisation, on utilise la force d'inertie du volant de stabilisation, qui est alors dimensionné en tenant compte de cette nouvelle fonction. Comme indiqué sur la figure 4, un vérin (13), dont le mouvement sera commandé par l'utilisateur, permettra de faire remonter la partie avant du véhicule. Dans cette configuration le véhicule se comportera comme s'il était mobile sur deux roues parallèles. Cette position présente accessoirement l'avantage de surélever le siège de l'utilisateur. L'invention possède d'autres applications que celle de véhicule pour handicapés.. Elle se rapporte aux véhicules qui doivent se déplacer sur des terrains non plans et dont il est intéressant de stabiliser la charge, comme par exemple dans le cas de transport de blessés par civière ou le support des caméras cinématographiques pour les tournages en extérieur. Revendications 1) Véhicule, tel un fauteuil roulant, caractérisé en ce que le sous-ensemble formé des parties en contact avec l'utilisateur (siège, dossier, repose-pieds) est lié au châssis de manière non fixe et qu'il comporte un dispositif de stabilisation d'assiette utilisant l'inertie d'un volant. 2) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de stabilisation composé du volant d'inertie et de son moteur électrique d'entraînement est directement solidaire du carter fixé au siège, sans cadre mobile intermédiaire. 3) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qui le dispositif de stabilisation composé du volant d'inertie et de son moteur électrique d'entraînement est relié au carter fixé au siège par l'intermédiaire de deux cadres mobiles autour d'axes perpendiculaires, et pouvant être actionnés par un motoréducteur électrique. Le véhicule dispose d'une commande électronique utilisant des informations en provenance de capteurs angulaires pour commander de manière adéquate la vitesse des motoréducteurs des cadres mobiles. 4) Véhicule selon la revendication 1, caractérisé en ce qui le dispositif de stabilisation composé du volant d'inertie et de son moteur électrique d'entraînement est relié au carter fixé au siège par l'intermédiaire d'un seul cadre mobiles autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du volant et pouvant être actionné par un motoréducteur électrique. Le véhicule dispose d'une commande électronique utilisant l'information en provenance d'un capteur angulaire pour commander de manière adéquate la vitesse du motoréducteur du cadre mobile. 5) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de roulement est constitué de chenilles à géométrie variable. Au moins l'une des poulies de la chenille est solidaire d'un bras mobile permettant de passer de manière contrôlée de la position allongée à une position compacte. 6) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe de roulement est constitué de chenilles possédant un galet tendeur muni des capteurs de tension nécessaires pour permettre un contrôle électronique de la tension de la chenille en fonction des caractéristiques du terrain parcouru. 7) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède un dispositif améliorant les capacités de changement de direction en utilisant deux roues auxiliaires placées à droite et à gauche du véhicule. Ces roues sont escamotées en usage normal. En cas de besoin elles peuvent être mise en service par l'intermédiaire d'un vérin. La mise en service de ces roues auxiliaires provoque l'élévation de la partie correspondante du véhicule qui se comporte alors comme un véhicule à 4 roues. 8) Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède un dispositif permettant de soulever la partie avant de l'appareil par l'intermédiaire d'un vérin prenant appui sur le pied du fauteuil et utilisant la force d'inertie du volant. Le véhicule se comporte alors comme un véhicule à 2 roues.