Brevet FR2881506A1 — publié le 20060804

L'invention concerne un mécanisme de création de mouvement selon trois axes, pour un simulateur dynamique incluant une translation et deux rotations. Plus précisément, l'invention se rapporte à un dispositif permettant de déplacer une cabine (ou nacelle), dans laquelle prend place au moins un passager, selon des axes prédéfinis sans mouvement parasite majeur, au moyen de bras actifs (bras de longueur variable, vérins,ou bielles) en nombre possiblement égal au nombre d'axes de mouvement. Les simulateurs dynamiques restituent habituellement les mouvements (rotations et translation) selon des axes au nombre de 2 à 6 selon les applications, et leur mécanisation utilise généralement des vérins hydrauliques ou électriques voire pneumatiques. Pour les simulateurs dits 6 axes utilisés notamment dans l'aéronautique et qui permettent de restituer convenablement pour le ou les passager(s) les sensations de mouvements et d'orientations selon n'importe quel axe (mouvements pouvant être générés par combinaison de trois rotations autour d'axes non coplanaires et de trois translations le long d'axes non coplanaires, d'ou l'expression simulateur 6 axes ) sans effet de couplage parasite, ces vérins sont disposés de façon symétrique selon un montage connu sous le nom de plate-forme de Stewart qui présente la particularité de renvoyer tous les efforts vers le bâti au travers des vérins, et de ne contraindre les vérins qu'en traction et compression, rendant ainsi le système simple à réaliser. Le coût de ce type de plate-forme reste néanmoins élevé par suite de l'utilisation de 6 vérins avec des courses importantes du fait même de la cinématique de la table. De plus l'encombrement de la plate-forme est très important et n'est, en pratique, compatible que de bâtiments de grande hauteur sous plafond ce qui limite encore les utilisations. Pour certaines applications, le besoin de représentation du mouvement est très anisotrope et devient compatible d'un simulateur à 3 axes, voire 4 axes, tout en exigeant une bonne représentation des mouvements désirés sans mouvement parasite majeur au niveau de la cabine. Pour les applications aéronautiques notamment, les axes de mouvements les plus importants à représenter sont de l'avis de beaucoup de spécialistes les rotations autour d'axes horizontaux et la translation verticale. On cherche alors à réaliser des dispositifs utilisant un minimum d'éléments actifs et faisant appel à une structure simple, légère et de faible encombrement vertical, permettant de minimiser les exigences portant sur les éléments actifs et par suite permettant de minimiser les coûts de réalisation, d'assemblage, d'utilisation, d'entretien et de transport. Beaucoup de réalisations connues de tables dynamiques avec des mouvements sur moins de 6 axes présentent le défaut d'imposer à la cabine, en plus des mouvements désirés, un fort mouvement de translation parasite lors de la création des mouvements de rotation. D'autres réalisations représentent correctement les mouvements, mais au prix d'une sévère limitation de l'amplitude des mouvements de translation notamment, ou d'une mécanisation lourde ou complexe utilisant par exemple des ensembles en glissement relatif linéaire. On s'est rendu compte que moyennant quelques approximations des mouvements avec des effets parasites qui peuvent être rendus aussi faibles que nécessaire en augmentant la dimension des seuls éléments passifs du dispositif, on pouvait restreindre les possibilités de mouvement de la cabine à deux rotations autour d'axes orthogonaux prédéfinis sans translation parasite et une translation le long de l'axe orthogonal aux deux premiers, au moyen de trois bras de longueur constante (bras passifs) articulés à un bout sur le bâti et à l'autre bout sur le mobile et sollicités seulement en traction/compression, et que l'on pouvait ensuite contrôler de façon déterministe les mouvements résiduels du mobile au moyen de trois bras actifs, chaque bras actif étant activé par l'action directe ou indirecte d'un vérin hydraulique, électrique ou pneumatique, ou encore par l'action d'un ensemble moteur rotatif - réducteur à l'aide d'un renvoi par système bielle-manivelle .On s'est rendu compte, de plus, que l'on pouvait obtenir le même résultat en remplaçant les trois 2881506 -3 bras passifs par deux bras passifs dont l'un, articulé autour d'un seul axe sur le bâti, travaille en flexion, traction et 75 compression. L'invention concerne un dispositif de création de mouvements d'une cabine selon 3 axes incluant 2 rotations autour d'axes orthogonaux et une translation le long de l'axe orthogonal aux deux premiers, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'une structure qui porte la cabine mobile et dont les efforts dus au poids et aux mouvements sont transmis au bâti uniquement au travers de 2 bras passifs et de 3 bras actifs (vérins ou bielles), les 2 bras passifs étant caractérisés en ce qu'ils possèdent un axe géométrique commun d'articulation sur le bâti, l'un de ces bras passifs sollicité en flexion, traction et compression, étant articulé sur le bâti autour d'un seul axe (l'axe géométrique commun cité ci avant), l'autre bras passif étant articulé sur le bâti autour de deux axes dont l'axe géométrique commun d'articulation auquel il reste presque perpendiculaire quelque soient les mouvements de la cabine dans les limites d'amplitude tolérée, les 2 bras passifs étant, de plus, reliés à la structure porte cabine au moyen de liaisons à 3 degrés de liberté en 2 points situés approximativement à la même distance de l'axe géométrique commun d'articulation des bras sur le bâti. Chacun des 3 bras actifs est relié d'un coté à la cabine et de l'autre au bâti ou à une bielle au moyen de liaisons comportant chacune jusqu'à trois degrés de liberté afin de n'échanger que des efforts de traction/compression, les bras dits actifs agissant de façon globale et déterministe sur les 3 axes de mouvement. L'invention permet la réalisation d'un simulateur dynamique 3 axes, qui présente des caractéristiques de simplicité (dimensionnement, assemblage, utilisation, entretien, transport), faible encombrement vertical, légèreté et qui, pour des caractéristiques imposées de la cabine (masse, inertie) et de mouvements dynamiques (accélérations, vitesses, orientation) permet de minimiser les contraintes sur le choix et les caractéristiques des éléments moteurs (vérins ou ensemble moteurs rotatifs - réducteurs ). Selon une réalisation préférée ( ci après désignée par dispositif à vérins à action directe ) pour une version 3 axes avec deux axes de rotation proches du plan horizontal et une translation proche de l'axe vertical, les deux bras passifs (de longueur utile significativement supérieure à l'amplitude de déplacement vertical de la cabine), ont en commun un axe géométrique horizontal d'articulation sur le bâti, (ci après désigné par: axe primaire d'articulation sur le bâti ), le premier bras étant articulé sur le bâti autour de ce seul axe horizontal, le second bras, placé au voisinage d'une perpendiculaire à l'axe primaire d'articulation sur le bâti , étant articulé sur le bâti autour de 2 axes incluant l' axe primaire d'articulation sur le bâti et un deuxième axe orthogonal, les deux bras étant de plus placés dans le même plan horizontal pour la position moyenne de la cabine et possédant des longueurs relatives telles qu'en première approximation les deux points de liaisons des bras passifs sur la structure porte cabine soient à même distance de 1' axe primaire d'articulation sur le bâti . Les 3 bras actifs sont mécanisés par des vérins en position quasi verticale, reliés à la structure porte cabine par des liaisons sphériques ou au minimum à 2 degrés de liberté à une extrémité et 3 degrés de liberté à l'autre extrémité. On voit bien dans cette réalisation que lorsque les deux bras passifs tournent d'un même angle depuis la position horizontale, la droite joignant les points de liaison des bras avec la structure porte cabine (droite ci après désignée par axe longitudinal de la cabine ) se déplace selon une génératrice d'un cylindre dont l'axe est l' axe primaire d'articulation sur le bâti . Ce déplacement est assimilable à une translation verticale dès lors que le rayon du cylindre est significativement supérieur à l'amplitude maximum de la translation recherchée. Avec, par exemple, une amplitude de translation verticale maximum de +/-0,2 mètre et une longueur utile de bras passifs de 2 mètres, la translation parasite lors de la translation verticale de 0 à 0,2 mètre ou de 0 à -0,2 mètre est de seulement 0,01 mètre. Lorsque les 2 bras passifs tournent en sens opposé, la rotation résultante de la cabine est, là aussi en première approximation, une rotation autour d'un rayon du précédent cylindre s'appuyant sur l' axe longitudinal cabine , la position de ce rayon le long de cet axe dépendant de la valeur relative des rotations des bras. Enfin le degré de liberté laissé libre par les bras passifs autour de l' axe longitudinal cabine permet le deuxième mouvement de rotation. A tout moment, l'axe de translation et les deux axes de rotation sont orthogonaux. On voit bien aussi dans cette réalisation, que les vérins reprennent tous les efforts de poids et de création de mouvement, alors les bras passifs ne sont sollicités que de façon limitée lors des mouvements ou pour les orientations du mobile correspondant aux angles de rotation non nuls. Cette réalisation permet de plus de libérer l'espace supérieur et une des faces latérales de la cabine de tout mécanisme, rendant ainsi son accès plus facile. Selon une autre réalisation préférée de l'invention,(ci après désignée par dispositif à moteurs rotatifs ) la mécanisation des bras actifs est réalisée par des ensembles de type bielle-manivelle , chaque manivelle étant articulée autour d'un seul axe sur le bâti, de sorte que la position angulaire de la manivelle détermine complètement la position du pied de bielle, chaque manivelle étant motorisée directement au moyen d'un ensemble moteur rotatif-réducteur agissant sur son axe. Cette réalisation permet notamment de limiter la hauteur totale du simulateur pour des mouvements de translation verticale d'amplitude importante en s'affranchissant de la contrainte sévère d'encombrement qu'introduisent les vérins à action directe montés dans une position verticale ou même oblique. Elle permet aussi de choisir les types de motorisation (moteurs rotatifs) potentiellement mieux adaptées et moins chères pour certaines applications. Selon une autre réalisation préférée de l'invention,(ci après désignée par dispositif à vérins à action indirecte ) la mécanisation des bras actifs est réalisées par des ensembles de type bielle-manivelle , chaque manivelle étant articulée autour d'un seul axe sur le bâti, de sorte que la position angulaire de la manivelle détermine complètement la position du pied de bielle, chaque manivelle étant motorisée au moyen d'un vérin électrique, hydraulique voire pneumatique agissant sur un levier solidaire de la manivelle. Cette réalisation permet, elle aussi, de limiter la hauteur totale du simulateur pour des mouvements de translation verticale d'amplitude importante en s'affranchissant de la contrainte sévère d'encombrement qu'introduisent les vérins à action directe montés dans une position verticale ou même oblique. Selon une mécanisation particulière des bras actifs par des ensembles de type bielle-manivelle et vérins, chaque manivelle n'est plus actionnée individuellement par un vérin, mais un ensemble de trois vérins agit sur l'ensemble des trois manivelles de façon couplée, de telle sorte que chaque vérin agit spécifiquement sur l'un des axes de mouvement (la translation ou l'une des deux rotations). Une réalisation particulière de cette mécanisation consiste à placer 2 bras actifs de part et d'autre du centre de gravité de l'ensemble mobile et à agir sur les deux leviers reliés à ces bras avec deux vérins, l'un créant des rotations de même signe des manivelles pour assurer la translation de la cabine, l'autre créant des rotations de signes opposés pour assurer l'une des rotations. Le troisième bras actif est placé de manière à créer la rotation autour d'un axe orthogonal aux deux 205 axes de mouvements précédents. Les contraintes potentiellement très différentes sur les 3 vérins peuvent résulter en des coûts plus faibles du dispositif. Les réalisations utilisant des ensembles bielles-manivelles peuvent recevoir facilement un système de 210 compensation des efforts de gravité afin de soulager la puissance continue demandée aux moteurs, ledit système étant réalisé au moyens de leviers solidaires des manivelles, lesdits leviers étant reliés à une extrémité d'un ressort dont l'autre extrémité est reliée au bâti. Lesdits ressorts peuvent être hélicoïdaux ou 215 à gaz. La présente invention peut par extension être appliquée à des dispositifs de création de mouvement d'une cabine selon plus de 3 axes. Elle peut notamment être appliquée à des dispositifs de création de mouvement d'une cabine selon 4 axes incluant deux 220 rotations et deux translations, l'une de ces translations étant orthogonale au deux axes de rotation, ledit dispositif étant dérivé de la version 3 axes à 3 bras passifs cidessus en rendant actif l'un des trois bras précédemment passifs. La présente invention se prête bien aussi à l'addition de degrés de liberté 225 de faible amplitude selon des axes de mouvements complémentaires des trois axes déjà décrits en rendant mobile selon les axes complémentaires désirés la seule partie du bâti qui supporte les bras passifs. L'invention sera mieux comprise au vu des figures annexées 1 230 à 4 qui illustrent différents types de réalisation: La figure 1 illustre la réalisation de type dispositif à vérins à action directe avec axe de translation de la cabine vertical. En référence à ce dessin, le bâti (1) est constitué d'un plancher horizontal et d'un mur vertical. Les bras passifs 235 (2) et (3) sont articulés sur le mur vertical du bâti autour de l' axe primaire d'articulation sur le bâti (4). L'articulation (5) du bras (2) sur le bâti est de type pivot 1 axe . L'articulation (6) du bras (3) sur le bâti comprend un pivot 1 axe pour la rotation autour de l'axe géométrique (4) 240 et un pivot 1 axe pour la rotation autour de la direction perpendiculaire à l'axe (4) et au bras (3). Le bras (3) est perpendiculaire à l'axe (4) lorsque les deux bras (2) et (3) sont dans un même plan (qui contient alors l'axe (4)). La structure porte cabine (7) (dont l'un des murs est ici transparent pour 245 mieux percevoir le détail des mécanismes qui sont derrière) est équipée de points d'appuis (8) et (9) qui lui sont solidaires. Les bras passifs (2) et (3) sont reliés aux points d'appui (8) par des articulations de type rotules sphériques (10) et (11). L'axe géométrique reliant les centres des rotules (10) et 250 (11) a été dénommé précédemment axe longitudinal cabine . Les 3 bras actifs (12), (13) et (14) sont des vérins linéaires électriques. Ils sont reliés au plancher horizontal du bâti par des articulations (15), (16) et (17) de type cardan 2 axes. Les bras actifs sont reliés au points d'appui (9) par des 255 articulations (18), (19) et (20) de type rotules sphériques . Chacun des vérins agit par variation de longueur en réponse à des commandes externes. Chaque longueur peut être modifiée de façon continue indépendamment des deux autres, de sorte que la structure porte cabine peut être déplacée en rotation et en 260 translation sous l'effet des vérins et dans la limite des mouvements compatibles de la réaction des bras passifs. Afin d'illustrer les mouvements, on peut analyser l'effet de variations de longueur des vérins depuis la position moyenne de la structure porte cabine correspondant à la position horizontale 265 simultanée des deux bras (2) et (3). Depuis cette position moyenne: un allongement de même signe et de même valeur des 3 vérins se traduit par une translation verticale de la structure (7) . 270. un allongement des vérins (12) et (13), et un raccourcissement du vérin (14) se traduit notamment par une rotation de la structure (7) autour d'une direction horizontale perpendiculaire à l'axe (4). un allongement du vérins (12) et un raccourcissement du 275 vérin (13), se traduit notamment par une rotation de la structure (7) autour de l' axe longitudinal cabine (21). La figure 2 illustre les possibilités de mouvements données par le dispositif à vérins à action directe . Avec ce dispositif, toute position de la structure (7) compatible de la 280 cinématique imposée par les bras passifs peut être obtenue par une combinaison et une seule des trois longueurs de vérins. Sur la figure, on voit la position et l'orientation de la cabine résultant d'une élongation du vérin (14) supérieure à celle du vérin (12), elle-même supérieure à celle du vérin (13), 285 l'élongation du vérin (14) étant également supérieure à la demi- somme des élongations des vérins (12) et (13). La figure 3 illustre la réalisation de type dispositif à moteurs rotatifs avec axe de translation de la cabine vertical. En référence à ce dessin, le bâti (1), la structure porte cabine 290 (7) et les bras passifs (2) et (3) sont disposés comme dans le cas de la figure 1. Les bras actifs sont constitués de bielles (22), (23) et (24) de longueur constantes articulées sur les appuis (9) solidaires de la structure porte cabine (7), au moyen de liaisons sphériques (18), (19) et (20), et articulées sur 295 trois manivelles (25), (26) et (27) au moyen d'articulations (28), (29) et (30) de type cardan 2 axes. Chaque manivelle est elle même articulée sur le plancher horizontal du bâti au moyen d'une articulation 1-axe de type pivot. Les trois pivots (31), (32) et (33) ont des axes horizontaux. Ils sont légèrement 300 surélevés par rapport au plancher du bâti de manière à permettre un débattement des manivelles depuis -30 jusqu'à +30 par rapport au plan horizontal. Les manivelles sont entraînées en rotation par trois ensembles moteurs rotatifs et réducteurs (34), (35) et (36) au travers des liaisons (37), (38) et (39) assurant 305 le découplage des efforts radiaux entre les axes mécaniques des ensembles moteurs- réducteurs et des pivots (31), (32) et (33). Avec ce dispositif, toute position de la structure (7) compatible de la cinématique imposée par les bras passifs peut être obtenue par une combinaison et une seule des trois positions 310 angulaires des manivelles. La figure 4 illustre la réalisation de type dispositif à vérins à action indirecte avec axe de translation de la cabine vertical. En référence à ce dessin, le bâti(1), la structure porte cabine (7) et les bras passifs (2) et (3) sont disposés 315 comme dans le cas de la figure 1. Les bras actifs et les manivelles sont disposés comme dans le cas de la figure 3. Les manivelles (25), (26) et (27) sont solidaires de leviers (40), (41) et (42) eux même actionnés par des vérins linéaires (43), (44) et (45). Les vérins sont articulés sur les leviers au moyen 320 de pivots horizontaux (46), (47) et (48) de type un axe . Les vérins sont articulés sur le plancher du bâti au moyen de pivots horizontaux (49), (50) et (51) de type un axe . - 10 - La figure 5 donne en vue de dessus le détail de l'ensemble moteur rotatif (35) avec sa liaison (32), ses pivots (38), sa 325 manivelle(26) et sa liaison de pied de bielle (29) afin de rendre plus claire l'explication de la figure 3. Sur une variante non illustrée de la réalisation de type dispositif à moteurs rotatifs , un système de compensation d'efforts statique est réalisé par des ressorts hélicoïdaux 330 reliés à des leviers solidaires des manivelles, lesdits leviers étant disposés de telle manière que les ressorts travaillent en compression entre le leviers et le bâti inférieur, lesdits ressorts étant pré-contraints pour donner une force moyenne sur les bras actifs compensant de ce fait une partie du poids de la 335 cabine. -11 REVENDICATIONS Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont comme il suit. 1) Dispositif de création de mouvements d'une structure porte cabine (ou nacelle) selon 3 axes incluant deux axes de rotations autour d'axes orthogonaux ou presque orthogonaux et un axe de translation suivant une direction perpendiculaire ou presque perpendiculaire aux deux axes de rotation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte deux bras passifs limitant, au premier ordre, la possibilité de mouvement de la cabine aux axes de mouvement décrits ci-avant, et trois bras actifs générant ou transmettant les efforts pour déplacer et positionner la structure porte cabine autour et le long de ces axes selon des valeurs désirées définies par ailleurs, ledit dispositif étant de plus caractérisé en ce que les deux bras passifs possèdent un axe géométrique commun d'articulation sur le bâti, l'un de ces bras étant articulé sur ce bâti autour d'un seul axe, l'autre bras étant articulé sur le bâti autour de deux axes et étant nominalement placé selon une direction perpendiculaire ou presque perpendiculaire à l'axe géométrique commun d'articulation sur le bâti, les deux bras passifs étant fixés sur la structure porte cabine par l'intermédiaire de liaisons à trois degrés de liberté en deux points situés nominalement à même distance de l'axe géométrique commun d'articulation sur le bâti. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce que les trois bras actifs sont constitués de vérins linéaires électriques ou hydrauliques ou pneumatiques chacun de ces vérins agissant directement selon des valeurs de consigne en force, vitesse ou position définies par ailleurs, par extension/rétraction entre un point de liaison à 2 ou 3 degrés de liberté sur le bâti et un autre point de liaison à 3 ou 2 degrés de liberté sur la structure porte cabine, le nombre total de degrés de liberté pour un bras étant possiblement limité à 5. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé de plus en ce que les trois bras actifs sont constitués chacun d'une bielle de longueur constante activée par une manivelle elle même articulée par une liaison à un degré de liberté de type pivot sur le bâti, ledit dispositif étant caractérisé de plus en ce que chaque bielle est articulée sur la structure porte cabine par une liaison à 2 ou 3 degrés de liberté et sur la manivelle par une liaison à 3 ou 2 degrés de liberté, le nombre total de degrés de liberté pour un bras étant possiblement limité à 5. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé de plus en ce que chacune des manivelles est couplée à un ensemble moteur rotatif-réducteur qui lui délivre les efforts nécessaires pour assurer sa rotation et son positionnement angulaire selon des valeurs de consigne définies par ailleurs. 5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé de plus en ce que chacune des manivelles est solidaire d'un levier qui est lui même mû par un vérin linéaire électrique ou hydraulique ou pneumatique. 6) Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé de plus en ce que les axes de rotation de la structure porte cabine sont proches du plan horizontal, l'axe de translation étant proche du plan vertical et caractérisé de plus en ce que chacune des manivelles est solidaire d'un levier qui reçoit un effort délivré par un système passif de mise en tension ou compression destiné à compenser tout ou partie des efforts statiques provenant des parties mobiles sous l'effet de la gravité. 7) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé de plus en ce que chacune des manivelles est solidaire d'un levier, les trois leviers ou deux d'entre eux étant actionnés par l'action combinée de vérins linéaires. 2881506 -13 8) Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 7 caractérisé de plus en ce que les degrés de liberté des articulations sont matérialisés par des liaisons type rotule sphérique, liaison à la cardan ou pivot un axe. 9) Dispositif de création de mouvement d'une structure porte cabine selon 3 axes incluant deux axes de rotations autour d'axes orthogonaux ou presque orthogonaux et un axe de translation suivant une direction perpendiculaire ou presque perpendiculaire au deux axes de rotation, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte trois bras passifs limitant, au premier ordre, la possibilité de mouvement de la cabine aux axes de mouvement décrits ci-avant, et trois bras actifs générant ou transmettant les efforts pour déplacer et positionner la structure porte cabine autour et le long de ces axes selon des valeurs désirées définies par ailleurs, ledit dispositif étant de plus caractérisé en ce que chacun des trois bras passifs est articulé sur le bâti autour de deux axes, l'un des axes géométriques d'articulation étant commun aux trois bras, ledit dispositif étant de plus caractérisé en ce que deux des bras forment un V muni d'une liaison à un degré de liberté à la base du V , le troisième bras passif étant articulé sur le bâti autour de deux axes et étant nominalement placé selon une direction perpendiculaire ou presque perpendiculaire à l'axe géométrique commun d'articulation sur le bâti, les deux bras formant le V d'une part, et le troisième bras d'autre part étant fixés sur la structure porte cabine par l'intermédiaire de liaisons à trois degrés de liberté en deux points situés nominalement à même distance de l'axe géométrique commun d'articulation des bras sur le bâti