Brevet FR2893907A1 — publié le 20070601

L'invention concerne le principe et la réalisation d'un support électrique motorisé et autonome pour assister un citadin dans son déplacement quotidien. Les déplacements urbains combinent des trajets de tous types : -piétonniers sur - trottoir - escaliers mécaniques, - tapis roulants et en ascenseur - architectures urbaines : - plans inclinés, - escaliers, passerelles, zones piétonnières puis, passager de transport en commun : -en train, - en métro - en bus - en tramway 20 - en bateau mouche ... L'usager du transport en commun doit composer avec une multiplicité de contraintes : - Il a les mains prises par des objets à transporter, mallette, 25 cartables, courses .... - Le transport en commun est exigu et encombré - Le trottoir est fréquenté - Les escaliers sont étroits, inclinés. - La voie publique est régie par des règles strictes. 30 Arrivé à destination il doit composer avec des contraintes sociales, au travail ou à l'école, il peut difficilement changer ses chaussures, ses vêtements. Aussi il doit pouvoir utiliser le support dans sa tenue traditionnelle Aussi, il est impossible de voyager dans le métro ou le train quotidiennement avec une bicyclette, il est difficile de descendre 35 l'escalier avec des patins à roulettes, la planche à roulette électrique est interdite sur la voie publique, comme la trottinette, et même un engin comme le Segway, conçu pour le déplacement urbain de proximité, s'avère encombrant sur le trottoir, et intransportable dans le métro et le bus. L'invention est un support électrique motorisé qui assiste le citadin dans son déplacement piétonnier et qui reste compatible avec toutes les contraintes listées ci-dessus. Ainsi l'invention respecte les critères suivants : Le piéton supporté - a l'encombrement d'un piéton normal - circule sur le trottoir à une vitesse de piéton, jusqu'à environ 7 km/h - circule sur la chaussée à une vitesse inférieure à 20 km/h - a l'agilité d'un piéton normal ou d'un patineur - circule sans effort - dispose de ses deux mains - porte ses vêtements et chaussures habituelles Le support - est compact, transportable et léger, par exemple dans un sac à dos - d'un poids inférieur à 4 kilogrammes - d'un volume inférieur à 40 cm de diamètre, 15 cm d'épaisseur il est rechargeable sur une prise de courant 30 domestique, ou par un autre moyen équivalent - II présente environ une heure d'autonomie, ou 14 km. 35 L'état de l'art comporte le Segway, une plateforme support comportant deux roues, des batteries rechargeables, un dispositif 15 20 25 20 de stabilisation centrale inertielle, un guidon solidaire de la plateforme. Cette plateforme n'est pas suffisamment compacte pour circuler sans gène sur le trottoir, elle est trop lente pour circuler sur la chaussée, et enfin son poids, de l'ordre de 30 kg lui interdit l'accès aux transports en communs. Le brevet DE 100 27 466 décrit un monocycle sur lequel le piéton grimpe, sur deux pédales, prend appui les mains sur un manche qui transmet une inclinaison longitudinale au cadre du monocycle. Une électronique mesure l'inclinaison longitudinale de ce monocycle au moyen d'un inclinomètre électronique et asservit la position de la roue pour la maintenir à l'aplomb du centre de gravité de l'utilisateur, afin de prévenir sa chute, selon un effet pendulaire inversé. L'engin avance dés que l'utilisateur incline le manche vers l'avant. La roue présente un profil carré pour que l'utilisateur soit stable latéralement. De ce fait la trajectoire est guidée dans l'axe longitudinal. 25 Le moyen pour tourner n'est pas décrit, on comprend qu'il impose de prendre un appui bref sur le sol, afin de transmettre un couple latéral. Bien entendu, le fait de tourner le manche ne peut assurer la rotation, car les pédales et le manche son solidaires à travers la fourche. 30 Le brevet DE 100 27 466 ne répond donc pas au critères de l'invention dans la mesure ou il impose que l'utilisateur maintienne le manche, avec au moins une main, d'autre part, il ne permet pas un pilotage agile et harmonieux dans la mesure ou seul le 35 déplacement longitudinal est prévu, enfin l'électronique de la commande du moteur est asservie par un inclinomètre, solution différente de celle adopté par l'invention. Selon l'invention décrite figure 1 l'utilisateur 11 circule en prenant appui sur deux cales pieds 14 situés sous l'axe d'une roue 12 motorisée, axe fixé sur une fourche 15 qui comporte aussi deux appuis guides qui enserrent le mollet et la jambe. La combinaison des cales pieds 14 et des appuis guides permet de transmettre à la jambe les efforts et le couple moteur de réaction de la roue, agissant comme un levier. Selon l'invention, la roue est asservie au moyen du signal délivré par un accéléromètre, fixé à la fourche 15 dont l'axe de mesure longitudinal et perpendiculaire à la fourche est indiqué par 16. Si l'accéléromètre mesure une composante positive vers l'avant, alors cela indique l'amorce d'une chute vers l'avant de l'utilisateur et cette accélération sert de consigne à l'électronique de commande du moteur de la roue pour avancer et rétablir l'équilibre. L'équilibre est obtenu pour la mesure nulle de l'accéléromètre. Les conditions de cet équilibre sont mieux comprises dans le référentiel de l'utilisateur, puisque dans ce référentiel l'effet de la vitesse et de l'accélération d'entraînement sont supprimés. La fourche est liée au référentiel de l'utilisateur, la condition de l'équilibre, accélération longitudinale relative nulle alors toujours vraie, quelque soit la vitesse et l'accélération d'entraînement. L'électronique d'asservissement selon l'invention est alors 30 élémentaire. Pour une inclinaison de la jambe d'environ 10 vers l'avant générant une accélération relative d'environ 1,7 m/s2 dans le référentiel de l'utilisateur, l'électronique déclenche la pleine 35 puissance du moteur, celle permettant la vitesse maximum. La commande du moteur est linéaire proportionnelle pour toutes les valeurs intermédiaires, et bénéficie aussi d'un amortissement critique pour éviter le risque d'une oscillation de la roue sous l'utilisateur, du fait de la forte puissance de la motorisation. Selon une variante non exclusive l'invention, une inclinaison de 10 vers l'arrière déclenche soit un recul de la roue à pleine puissance, soit un freinage. Selon cette variante de l'invention, le freinage s'accompagne d'une récupération de l'énergie, qui est réinjectée dans la batterie. Ce principe de fonctionnement sera détaillé dans la suite de 15 la description. La figure 2 indique les différentes situations de l'invention, En 21 l'invention déplace l'utilisateur, en équilibre sur les 20 deux cales pieds. L'utilisateur est maintenu en équilibre longitudinal par l'effet de l'électronique d'asservissement ; il ne lui reste à gérer que l'équilibre latéral, exactement comme il le fait après apprentissage 25 sur un vélo. La rotation est déclenchée par une inclinaison du corps du coté ou l'utilisateur veut tourner et par un mouvement d'épaule pour recaler le cap, exactement comme cela est réalisé sur un vélo dont on lâche le guidon. 30 En 22, les cales pieds sont rabattus, les appuis guides aussi, dans cette position l'électronique est déconnectée, l'invention est en mode rangement, telle qu'elle est insérée dans par exemple un sac à dos. Les appuis guides rabattus peuvent par exemple dans 35 cette position servir de poignée.10 En 23, l'utilisateur vient de ralentir et de freiner, en s'étant incliné vers l'arrière, ou est sur le point de démarrer. Dans cette position; un pied est engagé sur le cale pied, la roue maintient la fourche verticale. Pour redémarrer il suffit d'incliner la jambe du cale pied vers l'avant et de lancer l'autre jambe pour ensuite la placer sur l'autre cale pied, en le rabattant, et trouver l'équilibre grâce à la vitesse initiale. Selon l'invention, l'asservissement de la roue est connecté dés qu'un pied est dans un cale pied, le droit ou le gauche indifféremment. L'asservissement est déconnecté dés que les deux pieds ont quitté les cales pieds. La figure 3 décrit un exemple de réalisation non exclusif de l'invention : Elle comporte un pneu 301 dans une jante 302. Le pneu peut aussi être une bande de roulement en élastomère. Des batteries rechargeables 303, de technologie indifférente sont placées dans la roue. Par exemple nickel cadmium, nickel métal hydrure, lithium ion, lithium ion polymère ou enfin pile à combustible, à éthanol ou méthanol par exemple. Une électronique 307 de commutation de puissance à découpage régule la puissance du moteur 310. Le cale pied 304 est fixé à la fourche 305 et est reliée au guide appui 315 par l'intermédiaire d'une tringle 306. Le ressort 316 rappelle le cale pied 304 et le guide 315 en position haute en l'absence du pied, grâce au pivot 314. 35 Dès que le cale pied se rabat un connecteur non représenté s'ouvre, il rompt alimentation l'électronique de commande du moteur. Chaque cale dispose d'un connecteur, les deux connecteurs sont reliés en parallèle au circuit d'alimentation. La roue est reliée à la fourche 305 au moyen de roulements à bille 308 et 313. Le moteur 310 situé dans l'axe de la roue est associé à un 10 réducteur 311 par exemple du type harmonique, dont le détail est expliqué figure 4. Selon l'invention, le réducteur peut aussi être réalisé à partir d'une chaîne de roue dentée, plus traditionnelle, la dernière 15 entraînant la roue sur la jante 302. Selon l'invention, le moteur 310 est du type linéaire ou bien du type brushless. Dans ce dernier cas il est associé à un pilote 307 de type adapté à la commande de moteur brushless. Selon l'invention, l'information délivrée par l'accéléromètre et son traitement 312 solidaire de la fourche 305 est transmise par un connecteur 309 du type tournant, ou bien à un simple connecteur de type prise jack audio. A travers ce connecteur transitent l'alimentation du capteur, le signal PWM de commande du moteur et par exemple la masse, ou bien un second signal si la masse est transmise par le bâti. La figure 4 décrit un exemple de réalisation de d'un réducteur harmonique simple et économique pour un moteur brushless de forte vitesse de rotation. 35 Il comporte en 42 un pignon solidaire de l'arbre du moteur, par exemple de 20 dents. 20 25 30 5 Il comporte 3 autres pignons 42 de diamètre supérieur par exemple de 100 dents chacun, tous trois répartis à 120 autour du pignon moteur. Il comporte enfin deux couronnes extérieures accolées 43 et 44, l'une 43 de 240 dents l'autre 44 de 243 dents par exemple. Alors. 10 Le tour complet d'un pignon 42 décale une couronne 43 de 3 dents par rapport à 44, soit 3/240 tours. Il faut 12 tours de 41 pour que 42 fasse un tour complet, donc le rapport de réduction est de 3 / (240 * 12) soit 960 ! 15 Ceci décrit un exemple de réalisation d'un réducteur de fort rapport tel que rendu nécessaire par l'usage de moteurs pas à pas de forte puissance à très haute vitesse. La figure 5 donne un exemple de réalisation de l'électronique 20 de commande et d'asservissement du moteur. Elle comporte un accéléromètre 51 intégré de type silicium à masselotte interne suspendue associé à un condensateur et à un circuit de mesure de la capacité. Ce capteur délivre une tension de 25 sortie variable en fonction de l'accélération, l'accélération nulle correspondant à la tension de mi-alimentation. Elle comporte un filtre actif amplificateur 53 dont le gain statique est régit par le rapport des deux résistances et la 30 fréquence d'amortissement par le rapport entre la capacité du condensateur et la résistance de contre-réaction. Enfin ; un générateur de tension triangulaire 52, réalisé par exemple à partir de générateur de courants et de condensateur, 35 associé à un comparateur 55, compose un signal PWM variable pour la commande des moteurs, en respectant la proportionnalité et la linéarité de la sortie de 53. Dans le schéma, il est indiqué deux commandes PWM, l'une 5 correspond à une commande du moteur vers l'avant; l'autre vers l'arrière. L'interrupteur 54 coupe le circuit dés que les deux pieds ont quitté les cales pieds. Le connecteur tournant 56 transmets les commandes et l'alimentation. Le pont de commande 57 à transistor Mos selon l'état de l'art 15 transmet au moteur 58 une puissance proportionnelle au signal traité par 53. Selon l'invention l'énergie est délivrée par les batteries 59, mais aussi, lors d'un freinage, l'énergie est restituée aux batteries 20 59 par l'intermédiaire du pont de des diodes de 57. Selon un exemple de réalisation de l'invention, différent composant permettent d'obtenir le résultat 25 - l'accéléromètre 51 figure 5 et 16 figure 1 et 312 figure 3 est : ADXL 103 de analog device. Le moteur brushless est par exemple Cyclon car 2000 de la société Cyclon qui délivre 1 kw à 40 000 tours. - Le pilote du moteur est Flash pro car 100 de la même société. Le réducteur est HDUC14 de la société Harmonic drive 10 30 35 10 15 20 25 30 Les batteries sont des batteries lithium ion polymère de différents fournisseurs. - La fourche et la roue sont réalisées en aluminium. Selon ce mode de réalisation ; il est vérifié que Le piéton supporté par l'invention - présente l'encombrement d'un piéton normal - circule sur le trottoir à une vitesse de piéton, jusqu'à environ 7 km/h - circule sur la chaussée à une vitesse inférieure à 20 km/h - a l'agilité d'un piéton normal ou d'un patineur - circule sans effort -dispose de ses deux mains - porte ses vêtements et chaussures habituelles L'invention - est compacte, transportable et légère, par exemple dans un sac à dos - d'un poids inférieur à 4 kilogrammes - d'un volume inférieur à 40 cm de diamètre, 15 cm d'épaisseur - est rechargeable sur une prise de courant domestique, au moyen d'un chargeur adapté au type de batteries, ou grâce à l'ajout d'un combustible, pour une batterie à combustible. -présente environ une heure d'autonomie, ou 14 km. L'ergonomie et le pilotage de l'invention sont intuitifs et ne nécessite pas l'usage des mains, au moyen de o deux appuis guides (13,315) qui enserrent les jambes de l'utilisateur et transmettent les couples moteurs o une motorisation (310) qui maintien la roue à 5 l'aplomb du centre de gravité du citadin au moyen o une électronique (307) de pilotage du moteur commandée linéairement par un accéléromètre longitudinal (16) solidaire de la fourche io - sa mise en route est intuitive et automatique aux moyens de o deux commutateurs d'alimentation de la dite électronique activés par le poids des pieds sur les deux dits cales pieds. 15 - son pilotage en direction latéral est agile au moyen de : o une roue (302) dont la bande de roulement étroite (301) est de profil sensiblement rond. L'invention est facilement transportable au moyen d'un sac et 20 ou d'une poignée et d'un rangement rendu compact au moyen de deux cales pieds (304) et deux guides appuis (315) rétractables reliés par une tringle (306) Revendications 1) Support mobile électrique autonome destiné à transporter un citadin comportant : une roue unique (12), un moteur électrique (310), une batterie (303), une fourche (15), deux cales pieds (14), caractérisé en ce que son ergonomie et son pilotage sont intuitifs et ne lo nécessite pas l'usage des mains, au moyen de o deux appuis guides (13,315) qui enserrent les jambes de l'utilisateur et transmettent les couples moteurs o une motorisation (310) qui maintien la roue à 15 l'aplomb du centre de gravité du citadin au moyen o une électronique (307) de pilotage du moteur commandée linéairement par un accéléromètre longitudinal (16) solidaire de la fourche 20 - sa mise en route est intuitive et automatique aux moyens de o deux commutateurs d'alimentation de la dite électronique activés par le poids des pieds sur les deux dits cales pieds. 25 - son pilotage en direction latéral est agile au moyen de : o une roue (302) dont la bande de roulement étroite (301) est de profil sensiblement rond. 2) Support selon la revendication caractérisé en ce qu'il est 30 facilement transportable au moyen d'un sac et ou d'une poignée et d'un rangement rendu compact au moyen de deux cales pieds (304) et deux guides appuis (315) rétractables reliés par une tringle (306).