Brevet FR2903505A1 — publié le 20080111

INTERFACE MECANIQUE A DEUX DEGRES DE LIBERTE EN ROTATION DESCRIPTION Le sujet de cette invention est une 5 interface mécanique comprenant deux degrés de liberté en rotation. Son domaine technique peut être celui des interfaces haptiques de réaction ou de commande, dans lesquelles les rotations sont appliquées par 10 l'opérateur, ou au contraire appliquées par un système artificiel de commande et ressenties par l'opérateur, et où des actionneurs soit imposent le mouvement à faire ressentir à l'opérateur, soit exercent une résistance à ceux qui sont imposés par l'opérateur pour 15 faciliter la précision de sa commande et la rendre plus réaliste par une sensation de légère résistance, ou encore pour maintenir l'interface à un état qui lui a été imposé à un moment antérieur. Les éléments essentiels de l'interface sont 20 une embase fixe, une plate-forme mobile et une articulation mobile dans deux directions principales de rotation joignant les deux éléments précédents, ainsi que les actionneurs disposés entre l'embase et la plate-forme et un capteur des mouvements de la plate- 25 forme. Plusieurs conceptions antérieures de tels dispositifs sont déjà proposées. L'articulation peut être matérialisée par une aiguille sur laquelle la plate-forme est posée (US 4 073 567 A), une rotule 2903505 2 sphérique (EP 0 790 512 A) ou des mécanismes articulés. Des capteurs de genres variés, comme des codeurs capacitifs, optiques ou autres (US 6 697 048 B) ont aussi été proposés. Certains inconvénients de ces interfaces sont une complexité relativement grande de la structure, redevable au nombre de pièces mécaniques utilisées pour réaliser le montage de l'articulation ou des capteurs et pour transmettre les mouvements de la plate-forme à ceux-ci. L'utilisation de deux embiellages croisés pour communiquer les mouvements de la plate-forme aux codeurs respectifs, représentée dans le dernier brevet cité, est particulièrement malencontreuse. Un autre inconvénient, qu'on peut reprocher surtout aux articulations à aiguille, est la fragilité. L'invention représente une interface mécanique dépourvue des inconvénients précédents mais qu'on peut à la fois qualifier de compacte, simple de conception, robuste, dotée d'un bon débattement angulaire et permettant la transmission d'efforts importants. Les améliorations portent à la fois sur l'articulation, sur le capteur et sur l'assemblage des différents éléments de l'interface. Sous sa forme la plus générale, l'invention est relative à une interface mécanique du genre détaillé plus haut, caractérisée en ce que les deux directions de rotation de la plate-forme se croisent sensiblement sur un axe de jonction de l'embase à la plate-forme, et le capteur de mouvement de la plate-forme est unique et comprend un émetteur de faisceau 2903505 3 lumineux un détecteur de la lumière émise par l'émetteur, le détecteur étant une photodiode à effet latéral, sensible aux variations du point d'impact du faisceau lumineux sur la surface du photo-détecteur en 5 fonction des deux directions de rotation de la plate- forme. Selon un premier mode de réalisation, l'articulation a deux degrés de liberté en rotation est un joint flexible. 10 Dans une réalisation privilégiée, l'articulation à deux degrés de liberté flexible est creusée d'une cavité centrale et le capteur de mouvement a un émetteur qui occupe une partie de cette cavité, l'émetteur étant monté sous la plate-forme et 15 le détecteur étant monté sur l'embase, la lumière émise par l'émetteur passant par un point de croisement des axes de rotation. Le capteur inclus dans l'articulation est alors abrité et l'encombrement est réduit à un minimum. Lorsque l'axe du faisceau lumineux de 20 l'émetteur est confondu avec le centre de l'articulation, l'exploitation de ses mesures devient particulièrement simple. La mesure sans contact due à l'absence de tout élément de transmission mécanique entre l'émetteur et le détecteur, ainsi qu'entre le 25 capteur et la plate-forme ou l'embase, est aussi particulièrement à apprécier. Le joint flexible, notamment s'il est monobloc, est simple à construire et à assembler, peu coûteux et apte à transmettre des efforts importants. 30 Le capteur unique permet une commande simple de 2903505 4 l'interface et maintient l'encombrement à un degré acceptable. Une réalisation favorable du joint flexible comprend un anneau entaillé de deux rainures s'ouvrant 5 sur des faces extrêmes opposées de l'anneau, deux languettes flexibles entrant dans les rainures respectives et joignant des fonds des rainures respectivement à la plate-forme et à l'embase. Le caractère monobloc du joint est alors obtenu avec une 10 conception robuste. Enfin, les languettes peuvent avoir des portions centrales amincies situées à une même hauteur dans l'anneau : les axes de rotations se croisent alors parfaitement et une commande précise de l'articulation 15 est rendue possible. Selon un second mode de réalisation, l'articulation à deux degrés de liberté en rotation est un joint de cardan, dont les axes de rotation sont parallèles à la plate-forme mobile et se croisent au 20 voisinage de l'axe de jonction de la plate-forme à l'embase. Un joint de cardan est de construction particulièrement simple à réaliser et ne nécessite aucune pièce de précision, ce qui le rend très peu 25 coûteux. Selon un troisième mode de réalisation, l'articulation à deux degrés de liberté en rotation est une rotule. Une rotule qui ne nécessite l'assemblage 30 que d'un nombre réduit de pièces (deux pièces mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre) peut être 2903505 5 réalisée en matériaux peu coûteux, et est robuste à l'utilisation. Par construction, les degrés de liberté en rotation d'une rotule s'articulent autour du centre de rotation de la rotule. Ce mode de réalisation évite 5 un réglage des axes de rotation pour qu'ils se croisent au voisinage de l'axe de jonction l'articulation. Ce mode de réalisation de l'invention, à partir d'une rotule dont l'axe est creusé pour maintenir l'émetteur optique en face du détecteur, offre l'avantage 10 supplémentaire, comparé aux précédents modes de réalisation, de permettre de confiner le capteur optique dans une cavité fermée, à l'abri de la poussière. L'invention sera maintenant décrite plus en 15 détail au moyen des figures suivantes, qui en représentent une réalisation particulière : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation, sans les actionneurs, - la figure 2 représente l'articulation à 20 joint flexible conformément au premier mode de réalisation, - la figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention, selon lequel l'articulation à deux degrés de liberté en rotation est un joint de 25 cardan, - la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation de l'invention, selon lequel l'articulation à deux degrés de liberté en rotation est une rotule, - la figure 5 illustre un quatrième mode de 30 réalisation de l'invention, selon lequel l'articulation 2903505 6 à deux degrés de liberté en rotation comporte des lamelles en appui dans des encoches en V, - la figure 6 illustre un cinquième mode de réalisation de l'invention, selon lequel l'articulation 5 à deux degrés de liberté en rotation comporte des pointes en appui dans des encoches coniques, - et la figure 7 est une vue de dessus partielle de l'invention. La description commence par les figures 1 10 et 2 correspondant au premier mode de réalisation de l'invention. L'interface comprend une plate-forme 1 mobile, une embase 2 fixe et une articulation 3 les joignant. L'articulation 3 est un joint flexible monobloc qui comprend un anneau intermédiaire 4, un 15 anneau supérieur 5 de liaison à la plate-forme 1 et un anneau inférieur 6 de liaison à l'embase 2. La plate-forme 1 comprend des perçages 7, et l'anneau supérieur 5 d'autres perçages 8 en prolongement destinés à recevoir des douilles de vis 9 qui y sont encastrées. 20 L'introduction de vis 10 dans les douilles 9 immobilise la plate-forme 1 sur l'anneau supérieur 5. L'embase 2 porte des reliefs 11, et l'anneau inférieur 6 des rainures 12 de forme correspondante qui permettent d'assembler l'articulation 3 à l'embase 2. L'anneau 25 intermédiaire 4 comprend deux rainures 13, 14 aux directions croisées, formées chacune de deux sections en prolongement s'étendant sur des portions diamétralement opposées. La rainure 13 s'ouvre sur la face inférieure de l'anneau intermédiaire 4 et la 30 rainure 14 sur sa face supérieure. Une languette 15 s'étend dans la rainure 13 et relie le fond de celle-ci 2903505 7 à l'anneau inférieur 6, et une languette 16 s'étend dans l'autre rainure 14 et relie le fond de celle-ci à l'anneau supérieur 5. Les languettes 15 et 16 sont flexibles et permettent des mouvements de rotation des 5 anneaux inférieur 6 et supérieur 5 par rapport à l'anneau intermédiaire 4, respectivement autour de deux axes Xl et X2 croisés et orientés dans les sens de la languette 15 pour X1, de la languette 16 pour X2, et ainsi parallèles aux axes de rotation de 10 l'articulation. La plate-forme 1 peut ainsi tourner autour de ces deux axes Xl et X2 par rapport à l'embase 2. Les languettes 15 et 16 comprennent chacune une portion amincie 17 ou 18, qui dans ce cas de figure sont placées à la même hauteur dans l'anneau 15 intermédiaire 4, les rainures 13 et 14 étant profondes et s'étendant sur la plus grande partie de sa hauteur, si bien que les axes Xl et X2 croisés se placent à hauteur de ces portions amincies 17 et 18 en se coupant en un point 0, et que l'articulation 3 travaille comme 20 une liaison sphérique à un doigt qui comprendrait une sphère centrée sur ce point O. Toutefois, l'articulation est bien rigide en torsion et s'oppose donc à la rotation de la plate-forme 1, ce qui est apprécié dans de nombreuses applications. 25 Le centre de l'articulation 3 est une cavité 19 s'étendant de la plate-forme 1 à l'embase 2 et qui enclôt partiellement un capteur, précisément une diode laser ou LED 20 constituant l'émetteur d'un faisceau lumineux 21 de laser. Cet agencement est 30 illustré à la figure 3. Le faisceau lumineux 21 est émis, à l'état déchargé et sans déformation de 2903505 8 l'articulation 5, dans un axe vertical correspondant à la direction d'allongement de celle-ci entre la plate-forme 1 et l'embase 2. L'autre partie d'un capteur est un détecteur 22 touché par le faisceau lumineux 21. La 5 diode 20 est fixée sous la plate-forme 1 et le faisceau lumineux 21 est dirigé vers le bas à travers la cavité 19, alors que le détecteur 22 est fixé sous l'embase 2, dans un creux 23 inférieur de celle-ci, et sa partie active donne dans la cavité 19. 10 Le faisceau lumineux 21 atteint la couche supérieure du détecteur 22. Or, le faisceau lumineux 21 ayant une direction qui dépend de l'inclinaison de la plate-forme 1, la position du point d'incidence du rayon lumineux 21 est variable, et la comparaison des 15 charges électriques reçues par les électrodes 27 à 30 peut être corrélée à la position du point d'incidence, à la direction du rayon lumineux 21 et à l'inclinaison de la plate-forme 1. La corrélation est d'autant plus précise que les axes X1 et X2 se coupent et que le 20 rayon lumineux 21 passe toujours par le point d'intersection 0, en s'étendant sensiblement dans l'axe de la cavité 19. La figure 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention, selon lequel l'articulation 25 à deux degrés de liberté en rotation est un joint de cardan, à deux axes de rotation (les actionneurs ne sont pas représentés sur cette figure). Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le joint de cardan 30 comporte deux fourches 41, 42. La fourche 41 est fixée à la plate-forme mobile 1, et la fourche 42 est fixée à 2903505 9 l'embase 2, ces deux fourches étant disposées sensiblement perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Les deux axes de cardan sont placés à l'extrémité des fourches et sont reliés au moyen d'un 5 cercle de suspension 43. Par construction, les axes de rotation des deux axes du cardan se croisent ainsi au voisinage de l'axe du cercle de suspension. Cette articulation laisse un volume libre en son centre qui définit une cavité 19. Le capteur peut de manière 10 analogue au premier mode de réalisation décrit être partiellement inclus dans cette cavité, l'émetteur étant placé sous la plate-forme, et le détecteur à effet latéral étant maintenu en position contre l'embase. Préférentiellement, la position de l'émetteur 15 optique est ajustée lors de son montage dans la cavité 19 de manière à ce que le point d'émission de l'émetteur soit le plus proche possible du point de croisement des axes de rotation du joint de cardan. La figure 4 illustre un troisième mode de 20 réalisation de l'invention (les actionneurs ne sont pas représentés sur cette figure), selon lequel l'articulation à deux degrés de liberté en rotation est une rotule, composée de deux troncs de sphères concentriques à au moins deux axes de rotation. Ces 25 deux troncs de sphères sont mobiles en rotation autour du centre de rotation des troncs de sphère. Le tronc de sphère externe 45 est par exemple fixé sur l'embase 2 et le tronc de sphère interne 46 fixé à la plate-forme mobile 1, un montage symétrique étant bien entendu 30 équivalent. Selon le mode de réalisation décrit figure 4, les troncs de sphère interne et externe sont percés 2903505 10 de part en part selon la direction de jonction de l'embase à la plate-forme, formant ainsi une cavité 19. De manière équivalente aux modes de réalisation précédemment décrits, le capteur peut ainsi être logé 5 en partie à l'intérieur de cette cavité, l'émetteur étant fixé sous la plate-forme (1) mobile en rotation, et le détecteur à effet latéral positionné contre l'embase (2). On peut prévoir des moyens pour empêcher la rotation de la plate-forme relativement à l'embase 10 autour de leur direction de jonction. Préférentiellement, la position de l'émetteur optique est ajustée lors de son montage dans la cavité (19) de manière à ce que le point d'émission de l'émetteur soit le plus proche possible du centre de rotation de la 15 rotule. La figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation de l'invention (les actionneurs ne sont pas représentés sur cette figure), selon lequel l'articulation à deux degrés de liberté en rotation 20 comporte des lamelles en appui dans des encoches en V. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 5, l'articulation comporte deux lamelles reliées à la plate-forme 1 mobile et venant en appui dans des encoches 52 en V réalisées dans la partie supérieure 25 d'une plate-forme intermédiaire 53, comportant une ouverture centrale 54, et deux autres lamelles 55 reliées à l'embase 2 fixe, et venant en appui dans des encoches 56 en V réalisées dans la partie inférieure de ladite plate-forme intermédiaire 53, et orientées 30 sensiblement perpendiculairement aux premières encoches 52. L'articulation pivote ainsi autour de deux axes de 2903505 11 rotation définis par le fond des encoches 52 et 56 en V. Selon un mode de réalisation avantageux, les fonds des encoches inférieures et supérieures en V sont situés dans un même plan, et les axes de rotation se 5 croisent ainsi au voisinage du centre de la plate-forme intermédiaire 53. La figure 6 illustre un cinquième mode de réalisation de l'invention (les actionneurs ne sont pas représentés sur cette figure), selon lequel 10 l'articulation à deux degrés de liberté en rotation comporte des pointes 61 et 65 en appui dans des encoches coniques 62, 66. Ce mode de réalisation fonctionne de maniere équivalente au mode de réalisation décrit à la figure 5. Notamment, les 15 pointes remplacent les lamelles et sont situées aux mêmes endroits, et les encoches coniques remplacent les encoches en V et sont situées aux mêmes endroits. Selon les différents modes de réalisation décrits, la cavité centrale de l'articulation est 20 débouchante, et le détecteur sensible aux variations latérales du point d'impact du faisceau lumineux sur sa surface est fixé à l'embase. Toutefois, il suffit pour la mise en oeuvre de l'invention que l'articulation à deux degrés de liberté en rotation comporte une cavité 25 et que l'émetteur du capteur soit positionné de manière à ce que son point d'émission soit au voisinage du centre de rotation de l'articulation et face au détecteur, et que la partie émettrice du capteur soit solidaire des mouvements de rotation de la plate-forme 30 relativement à l'embase tandis que la partie de détection du capteur est maintenue indépendante de ces 2903505 12 mouvements de rotation (ou vice-versa). Le détecteur peut être placé en regard d'une extrémité débouchante de la cavité (comme sur les figures 1, 3, 4, 5 et 6). Toutefois, si ses dimensions le permettent, le 5 détecteur peut, de manière équivalente, être inclus dans la cavité face à l'émetteur optique, sans nécessairement être fixé à l'embase ; par exemple sur la figure 4, il pourrait être fixé à la pièce 45. Le dispositif peut comporter des moyens 10 pour maintenir en position l'articulation (3) à deux degrés de liberté en rotation, notamment pour les modes de réalisation à lames ou à pointes. Ces moyens de maintien en position peuvent comprendre une paire d'aimants de pôles opposés disposés l'une sur la plate- 15 forme 1 mobile, l'autre sur l'embase 2 fixe, en regard l'un de l'autre, et qui agissent par attraction magnétique. Ces aimants sont placés à un endroit quelconque autour de l'interface et procurent un maintien en position statique en l'absence 20 d'actionnement. Le dispositif comprend enfin des actionneurs 33, 34, 35 et 36 disposés des quatre côtés de la plate-forme 1 et de l'embase 2. Ils sont illustrés à la figure 7. Ils peuvent être 25 électromagnétiques, avec chacun un aimant 31 fixé à la plate-forme 1 et un bobinage inducteur 32 entourant l'aimant sur une partie de sa hauteur et monté sur l'embase 2. Grâce à l'encombrement réduit procuré par l'emploi du joint 3 flexible monobloc dont la cavité 19 30 loge le capteur, les actionneurs 33 à 36 peuvent être 2903505 13 rapprochés les uns des autres pour donner un montage compact. L'invention peut être utilisée tout d'abord en tant qu'interface haptique, c'est-à-dire faisant 5 l'intermédiaire entre l'homme et la machine. Elle peut être active ou passive. Une interface où l'opérateur a un rôle passif peut être utilisée, entre autres exemples, pour lui simuler une sensation d'exploration d'une surface par le toucher ; elle pourra être 10 utilisée, avec un opérateur actif, comme un bouton de commande offrant les mêmes possibilités qu'un manche pivotant, les actionneurs 33 à 36 servant ici de dispositifs de retour d'effort. Dans une autre application possible, un miroir serait fixé sur la face 15 supérieure de la plate-forme 1, et l'interface servirait alors à le faire pivoter, par exemple pour dévier un faisceau laser. On conçoit que d'autres applications sont possibles sans que la nature de l'interface soit modifiée et donc qu'on sorte de 20 l'invention. REVENDICATIONS 1) Interface mécanique comprenant une embase (2) fixe, une plate-forme (1) mobile et une articulation (3) mobile dans deux directions principales de rotation (Xl, X2) et joignant l'embase à la plate-forme, des actionneurs (33 à 36) disposés entre l'embase et la plate-forme et un capteur (20 à 22) de mouvement de la plate-forme (1), caractérisé en ce que les deux directions de rotation (Xl, X2) de la plate-forme se croisent sensiblement sur un axe de jonction de l'embase à la plate-forme, et en ce que le capteur de mouvement de la plate-forme est unique et comprend un émetteur de lumière (20) et un photo- détecteur (22) de la lumière émise (21) par l'émetteur, le détecteur étant une photodiode à effet latéral sensible aux variations d'un point d'impact du faisceau lumineux sur une surface du photo-détecteur en fonction des deux directions de rotation de la plate-forme. 2) Interface mécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce que des axes de mesure du photo-détecteur sont sensiblement parallèles aux axes de rotation de l'articulation. 3) Interface mécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'articulation à deux axes de rotation (X12, X2) est creusé d'une cavité centrale (19) dans la direction de la jonction de la plate-forme à l'embase, et en ce que le capteur occupe une partie de cette cavité, l'émetteur (20) 2903505 15 étant monté sous la plate-forme (1) et le détecteur étant maintenu en position sur l'embase (2), de manière que le faisceau lumineux émis par l'émetteur passe par un point de croisement (0) de deux axes de rotation 5 (X1, X2) de l'articulation (3). 4) Interface mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'émetteur (20) est une diode laser ou LED. 5) Interface mécanique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'articulation (3) est un joint flexible à deux axes de rotation. 15 6) Interface mécanique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le joint flexible comprend un anneau (4) entaillé de deux rainures (13, 14) s'ouvrant sur des faces extrêmes 20 opposées de l'anneau, deux languettes flexibles (15, 16) entrant dans les rainures respectives et joignant des fonds de rainure respectivement à la plate-forme (1) et à l'embase (2). 25 7) Interface mécanique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les languettes ont des portions centrales amincies (17, 18) situées à même hauteur de l'anneau. 30 8) Interface mécanique selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que 10 2903505 16 l'articulation (3) est un joint de cardan à deux axes de rotation. 9) Interface mécanique selon l'une des 5 revendication 1 à 4, caractérisée en ce que l'articulation (3) est composée de lamelles (51, 55) venant prendre appui dans des encoches en forme de V (52, 56). 10 10) Interface mécanique selon l'une des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que l'articulation (3) est composée de pointes (61, 65) venant prendre appui dans des encoches coniques (62, 66). 15 11) Interface mécanique selon l'une des revendication 1 à 4, 9 et 10, caractérisée en ce qu'un maintien en position de l'articulation (3) est réalisé par attraction magnétique en plaçant une paire 20 d'aimants de pôles opposés sur les parties fixe et mobile de l'interface. 12) Interface mécanique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que 25 l'articulation (3) est une rotule composée de deux troncs de sphères concentriques à au moins deux axes de rotation. 13) Interface mécanique selon la 30 revendication 1, caractérisée en ce que les actionneurs (33 à 36) sont des actionneurs électromagnétiques. 2903505 17 14) Interface mécanique selon la revendication 9, caractérisée en ce que des parties aimantées des actionneurs sont fixées à la plate-forme 5 mobile et des bobinages inducteurs, des actionneurs sont montées sur l'embase fixe.