Brevet FR2821903A1 — publié le 20020913

La présente invention concerne la conception et la réalisation d'un dispositif de génération d'un mouvement d'oscillation permettant de créer un mouvement d'oscillation omnidirectionnel d'une tige autour d'un centre d'oscillation fixe disposé sur l'axe longitudinal de la tige. Un tel dispositif est destiné en particulier à reproduire mécaniquement une articulation humaine, telle que celle du poignet, de la cheville, de la hanche, ou de l'épaule. Si la tige porte une pale, on peut obtenir la reproduction du mouvement d'une nageoire de poisson ou d'une aile d'oiseau ou d'insecte. La présente invention se propose de fournir un dispositif pour la génération d'un mouvement d'oscillation omnidirectionnel d'une tige qui est de structure simple et qui permet d'obtenir de nombreux profils d'oscillation, par simple réglage. Elle vise à obtenir ainsi des oscillations non pas seulement dans un plan, mais généralement dans l'espace, tout en évitant que la tige soit simultanément entraînée en rotation sur elle-même. Ce dispositif est notamment remarquable en ce que la tige comporte une première paire de pièces d'appui qui sont diamétralement opposées par rapport au centre d'oscillation et qui sont guidées le long d'une première piste annulaire de guidage qui est entraînée en rotation autour d'un axe central d'oscillation et qui est disposée dans un plan de guidage passant par le centre d'oscillation et formant un premier angle aigu avec l'axe central d'oscillation, de telle manière que les premiers points d'appui se déplacent en translation dans un premier plan d'oscillation passant par l'axe longitudinal de la tige, et une deuxième paire de pièces d'appui qui sont diamétralement opposées par rapport au centre d'oscillation et qui sont guidées le long d'une deuxième piste annulaire de guidage qui est entraînée en rotation autour de l'axe central d'oscillation et qui est disposée dans un plan de guidage passant par le centre d'oscillation et formant un deuxième angle aigu avec l'axe central d'oscillation, de telle manière que les deuxièmes points d'appui se déplacent en translation dans un deuxième plan d'oscillation passant par l'axe longitudinal de la tige, les deux plans d'oscillation étant distincts. Le dispositif suivant l'invention permet d'obtenir un mouvement d'oscillation présentant un profil quelconque, ce profil étant défini par la courbe décrite par l'extrémité libre de la tige. On peut ainsi obtenir une courbe rectiligne, des courbes en forme d'ellipse, en forme de V, de W, de 8, etc. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tige est reliée à un arbre-support qui est coaxial à l'axe central d'oscillation par l'intermédiaire d'un joint de cardan centré sur le centre d'oscillation. Ce dispositif permet à la tige d'osciller dans toutes les directions sans qu'elle tourne sur elle-même. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'arbre- support est monté à pivotement avec possibilité de blocage autour de l'axe central d'oscillation de manière à régler la position angulaire des plans d'oscillation par rapport au plan de guidage. Cette disposition permet de régler certains paramètres du dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque piste annulaire de guidage est portée par un cylindre creux entraîné en rotation autour de l'axe central d'oscillation. Les deux cylindres sont alors avantageusement coaxiaux. Ils sont entraînés en rotation au moyen d'un moteur, par exemple un moteur électrique, et d'un système de transmission tel qu'une chaîne, une courroie ou un engrenage. La position du premier cylindre commande la position de la tige en X (abscisses) et la position du deuxième cylindre commande la position de la tige en Y (ordonnées). L'un des paramètres de réglage des courbes décrites par l'extrémité libre de la tige est le rapport entre les vitesses de rotation des deux cylindres, et l'on peut prévoir des variateurs ou des dispositifs de transmission distincts pour chaque cylindre à partir d'un moteur d'entraînement unique. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque pièce d'appui est solidaire d'une des cages d'un roulement dont l'autre cage est solidaire de la piste de guidage correspondante. Ceci permet de réduire les frottements du mouvement de guidage des pièces d'appui. Selon une variante de réalisation, les pièces d'appui sont guidées le long de la piste de guidage par l'intermédiaire de deux couronnes de glissement, une couronne étant solidaire des points d'appui et l'autre de la piste de guidage. Dans ce cas, avantageusement, les couronnes de glissement sont à contact lubrifié. Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque cylindre creux comporte des masselottes d'équilibrage. Cela permet d'éviter au maximum les vibrations lors de la rotation des cylindres. Selon une première utilisation du dispositif selon l'invention, les deux pistes de guidage sont entraînées à la même vitesse de rotation de telle manière que l'extrémité libre de la tige oscille en décrivant une courbe fermée telle qu'un cercle ou une ellipse. Selon une autre utilisation de l'invention, les deux pistes de guidage sont entraînées à des vitesses de rotation dont l'une est le double de l'autre de telle manière que l'extrémité libre de la tige décrive une courbe en forme de 8. L'invention sera maintenant plus complètement décrite dans le cadre de caractéristiques préférées et de leurs avantages en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe dans un premier plan d'oscillation d'un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe suivant le deuxième plan d'oscillation de ce dispositif ; - la figure 3 est une illustration géométrique expliquant les différents paramètres du dispositif ; - et les figures 4 à 7 sont des exemples de mouvements d'oscillation pouvant être obtenus avec le dispositif selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent de manière schématique, en coupe suivant les deux plans d'oscillation, un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. La tige 1 est montée de manière à pouvoir osciller autour d'un centre d'oscillation 2 disposé sur l'axe longitudinal 3 de la tige 1 à une extrémité de cette dernière. Selon un mode de réalisation de l'invention, pour obtenir cette possibilité d'oscillation de la tige sans rotation sur elle-même autour d'un centre d'oscillation 2, on prévoit un joint de cardan centré sur ce centre d'oscillation 2. Ce joint de cardan comporte une première fourche 4 solidaire de la tige 1 et montée à rotation autour d'un axe 5. La deuxième fourche 6 est solidaire d'un arbre support 7 qui est fixé sur un socle 23. La fourche 6 est perpendiculaire à la fourche 4 et articulée autour d'un deuxième axe d'articulation 8. Pour obtenir la fixation de la tige 1 avec possibilité d'oscillation autour du centre d'oscillation 2 sans possibilité de rotation sur elle-même, on peut également utiliser d'autres dispositifs tels qu'une articulation à rotule centrée sur le centre d'oscillation. Dans un premier plan qui est le plan de la figure 1, la tige 1 comporte deux pièces d'appui 9 qui sont portées par deux branches 10 reliées à la tige 1. Ces deux pièces d'appui 9 sont symétriques par rapport à l'axe longitudinal de la tige 3. Elles sont guidées le long d'une piste annulaire de guidage 11 qui est disposée dans un plan passant par le centre d'oscillation 2 et qui est centré sur ce dernier. La piste annulaire de guidage 11 est portée par un cylindre creux 12 qui est monté à rotation autour d'un axe central d'oscillation 13 qui est confondu avec l'axe de l'arbre 7 et qui passe donc par le centre d'oscillation 2. Le guidage de la pièce d'appui 9 sur la piste de guidage 11 peut être réalisé au moyen d'un roulement circulaire disposé sur le cylindre 12 et qui est schématisé en 14. Une première cage du roulement 14 est solidaire de la pièce d'appui 9 et la deuxième cage est solidaire du cylindre 12. Ce dernier est monté à rotation autour de l'arbre 7 par l'intermédiaire d'un palier schématisé en 15. Le plan de guidage des pièces d'appui 9 est incliné d'un angle a par rapport à un plan passant par le centre d'oscillation 2 et perpendiculaire à l'axe d'oscillation 13. De cette manière, lorsque le cylindre 12 tourne autour de l'arbre 7 qui est fixe, l'extrémité libre de la tige 1 (de longueur L) se déplace dans un plan d'oscillation qui est confondu avec le plan de la figure 1 de manière symétrique par rapport à l'axe d'oscillation 13 entre deux positions extrêmes où la tige 1 fait un angle a avec l'axe d'oscillation 13, cet angle a correspondant à l'inclinaison du plan de guidage. De manière analogue, comme représenté sur la figure 2 (qui est une coupe dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 1), des pattes d'appui 16, qui sont reliées à la tige 1 par des montants 17, sont guidées sur une piste annulaire 18. Elles sont disposées dans un plan passant par le centre d'oscillation 2 avec une inclinaison p par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe d'oscillation 13. La piste de guidage 18 est portée par un deuxième cylindre creux 19 qui est centré sur l'axe d'oscillation 13 et monté à rotation autour de ce dernier. Le guidage de la patte d'appui 16 sur la surface de guidage 18 est réalisé au moyen d'un roulement 20. Un palier 22 assure la rotation du cylindre 19 autour du cylindre 12, qui est disposé à l'intérieur du cylindre 19. Les deux cylindres supports 12 et 19 sont entraînés en rotation à vitesse constante par un système d'entraînement non représenté. On peut, par exemple, entraîner les deux moteurs au moyen d'un moteur électrique unique, les différentes vitesses étant obtenues par des transmissions à courroie ou à chaîne ou au moyen de variateurs de vitesse ou d'engrenages. Pour faire varier la position initiale respective des deux pistes de guidage 11 et 18, l'arbre-support 7 qui supporte le joint de cardan est creux et il peut pivoter autour de l'axe 13 selon un déplacement angulaire compris entre-/4 et + 1114. Ce pivotement peut être obtenu, par exemple, au moyen d'une manivelle. Un tel réglage peut être réalisé pendant la rotation des cylindres. La figure 3 est une représentation géométrique du dispositif selon l'invention On retrouve la tige 1 avec son extrémité libre 21, le centre d'oscillation 2 (point 0) et l'axe d'oscillation 13. Il est à noter que les deux cylindres peuvent être entraînés à des vitesses différentes et que la rotation de chacun n'est pas nécessairement continue. La position du premier cylindre commande la position de la tige en X (abscisses) et la position du deuxième cylindre commande la position de la tige en Y (ordonnées). Chaque point de l'intervalle (-L a, + La) en abscisse curviligne, et chaque point de l'intervalle (-Lp, +Lp) en ordonnée curviligne, peut être atteint par la tige en réglant par rotation la position de chaque cylindre. La valeur de l'angle a est exprimée en radian. La pièce oscillante est schématisée par les lignes A 0 et B C. Si la piste de guidage 11 tourne d'un angle p, les points A, B, C viennent en A', B' et C'. Si p est l'angle de rotation de la piste 11 exprimé en radian, et si L est la longueur de la tige AB, la longueur x de l'arc A A'en abscisse curviligne est donnée par la formule : x = L a sin p De la même manière, pour la deuxième piste annulaire, si b est la valeur en radian de l'angle ss, et q la valeur en radians du déplacement angulaire de la piste de guidage 18, l'oscillation obtenue dans le plan d'oscillation sera égale à : y = L b sin q Les angles de rotation des deux pistes de guidage sont de la forme : p =p0 +W1t q=q0 +W2t PO et qo étant les positions angulaires initiales et W1 et W2 les vitesses de rotation respectives des deux cylindres porteurs des pistes de guidage. Pour un mouvement quelconque, la position de l'extrémité 21 de la tige 1 sera fournie par les deux équations suivantes : x = La sin (W2 + PO) y Lb sin (W2t + q0) Les paramètres de réglage de ces deux équations sont les angles d'inclinaison a et b des pistes de guidage, les vitesses de rotation W1 et W2 de chacun des deux cylindres et les positions initiales po et qo des deux pistes de guidage. En faisant varier ces différents paramètres, on peut obtenir toutes sortes de mouvements d'oscillation qui sont définis par la courbe décrite par l'extrémité 21 de la tige 1. Si les vitesses de rotation W1 et W2 des deux cylindres sont les mêmes, si les angles d'inclinaison a et b sont égaux et si les angles initiaux po et qo sont égaux, c'est-à-dire que les plans d'oscillations sont orthogonaux, l'extrémité libre 21 de la tige décrit un parcours linéaire constitué par un arc de cercle qui se projette selon une droite sur un plan perpendiculaire à l'axe d'oscillation 13. Si les angles d'inclinaison et les vitesses sont les mêmes pour les deux pistes de guidage et si le décalage angulaire des deux positions initiales po et qo est de n12, l'extrémité 21 de la tige 1 décrit un cercle centré sur l'axe d'oscillation 13. Si le décalage des valeurs initiales est de n/4, l'extrémité libre de la tige 1 décrit une ellipse. Sur la figure 4, on a représenté le cas où les deux inclinaisons des deux pistes de guidage sont égales mais la vitesse de l'un des cylindres est double de celle de l'autre. Si le décalage entre les angles initiaux est égal à 0, l'extrémité de la tige décrit, en projection horizontale, une courbe telle que celle représentée sur la figure 4, en forme de"V". Si le décalage des deux positions angulaires initiales est de in/4, on obtient la courbe de la figure 5, qui est une sorte de"W". Si l'une des vitesses de rotation est triple de l'autre, les angles d'inclinaison étant les mêmes, on obtient la courbe de la figure 6 si le décalage initial est nul. A partir de ce dernier cas, si on règle un décalage des angles initiaux égal à n/4, on obtient la courbe visible sur la figure 7. On voit que le dispositif selon l'invention permet d'obtenir, en agissait sur les différents paramètres, des formes d'oscillation très variées. Par conséquent, l'invention permet de reproduire des mouvements d'oscillation complexes comme le mouvement d'articulation du poignet, de la hanche, etc. L'invention permet également, si l'on dispose une pale sur la tige, de reproduire des mouvements de battements tels que les mouvements de l'aile d'un oiseau ou de la nageoire d'un poisson. Il ressort néanmoins de ce qui précède que l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre qui ont été spécifiquement décrits dans le courant des exemples ci-dessus et qu'elle s'étend au contraire à toutes variantes passant par le biais de moyens équivalents. En particulier, à la place du joint à cardan, on peut utiliser tout dispositif permettant de maintenir une tige avec possibilité d'oscillation dans tout l'espace sans rotation sur elle-même. Un tel dispositif réalise une liaison qui travaille en traction, les efforts de traction étant reportés par les pièces d'appui sur les pistes de guidage, ce qui engendre des forces de frottement importantes. Les deux cylindres supports des pistes de guidage peuvent tourner dans le même sens ou en sens inverse. De même, on peut utiliser tout dispositif de guidage qui permette de guider les pièces d'appui dans le plan de guidage avec le moins de résistance possible. C'est ainsi que l'on peut utiliser deux couronnes glissant l'une sur l'autre, l'une étant solidaire des pièces d'appui et l'autre étant solidaire de la piste de guidage. Dans ce cas, les deux couronnes sont avantageusement à contact lubrifié, donc constituées par exemple de polytétrafluoréthylène glissant sur de l'acier inoxydable. Les liaisons entre les différentes pièces mobiles et leur liaison avec le socle sont adaptées aux vitesses de rotation, aux efforts à reprendre, par exemple au niveau du guidage des pièces d'appui et du dispositif d'entraînement des deux cylindres supports. En particulier, les cylindres supports sont munis de masselottes d'équilibrage pour éviter les vibrations. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la génération d'un mouvement d'oscillation omnidirectionnel d'une tige (1) sans rotation sur ellemême autour d'un centre d'oscillation fixe (2) disposé sur l'axe longitudinal (3) de la tige (1), caractérisé en ce que la tige (1) comporte une première paire de pièces d'appui (9) qui sont diamétralement opposées par rapport au centre d'oscillation (2) et qui sont guidées le long d'une première piste annulaire de guidage (11) qui est entraînée en rotation autour d'un axe central d'oscillation (13) et qui est disposée dans un plan de guidage passant par le centre d'oscillation et formant un premier angle aigu (a, a) avec l'axe central d'oscillation, de telle manière que les premiers points d'appui (9) se déplacent en translation dans un premier plan d'oscillation passant par l'axe longitudinal (3) de la tige (1), et une deuxième paire de pièces d'appui (16) qui sont diamétralement opposées par rapport au centre d'oscillation (2) et qui sont guidées le long d'une deuxième piste annulaire de guidage (18) qui est entraînée en rotation autour de l'axe central d'oscillation (13) et qui est disposée dans un plan de guidage passant par le centre d'oscillation (2) et formant un deuxième angle aigu (p, b) avec l'axe central d'oscillation, de telle manière que les deuxièmes points d'appui (16) se déplacent en translation dans un deuxième plan passant par l'axe longitudinal (3) de la tige (1), les deux plans d'oscillation étant distincts. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige (1) est reliée à un arbre-support (7) coaxial à l'axe central d'oscillation (3) par l'intermédiaire d'un joint de cardan (4, 5,6, 8) centré sur le centre d'oscillation. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre-support (7) est monté à pivotement avec blocage autour de l'axe central d'oscillation (3) de manière à régler la position angulaire des plans d'oscillation par rapport aux plans de guidage. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque piste annulaire de guidage (9,16) est portée par un cylindre creux (12,19) entraîné en rotation autour de l'axe central d'oscillation (13). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pièce d'appui (9,16) est d'une des cages d'un roulement dont l'autre cage est solidaire de la piste de guidage correspondante (11,18). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces d'appui (9,16) sont guidées le long de la piste de guidage (11,18) par l'intermédiaire de deux couronnes de glissement, une couronne étant solidaire des deux pièces d'appui (9, 16) et l'autre de la piste de guidage (11, 18). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les couronnes de glissement sont à contact lubrifié. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que chaque cylindre creux (12,19) comporte des masselottes d'équilibrage. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux pistes de guidage (11,18) sont entraînées à la même vitesse de rotation de manière que l'extrémité libre (21) de la tige (1) oscille en décrivant une courbe fermée telle qu'un cercle ou une ellipse. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux pistes du guidage (11,18) sont entraînées à des vitesses de rotation dont l'une est le double de l'autre, de telle manière que l'extrémité libre (21) de la tige (1) décrive une courbe en forme de"8".