Brevet FR2937124A1 — publié le 20100416

-1- L'invention a trait à l'équilibre de mobiles roulants. Elle concerne plus particulièrement un dispositif ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre simple pour la stabilisation de robots roulants sur un point, notamment robot mono-roue. L'un des moyens de locomotion les plus connus pour faire se déplacer un mobile est l'association de plusieurs roues afin d'en assurer l'entrainement, la stabilité et la directivité. Les quatre roues, deux à deux non alignées, qui équipent des mobiles, tels qu'une automobile, assurent pour tout ou partie son entrainement et sa directivité. Suivant ce mode de conception, la stabilité sur sol inégalement plan nécessite de garantir un contact étroit de toutes les roues, par l'adjonction notamment d'organes actifs ou passifs, plus ou moins complexes et couteux, telles des suspensions. Un autre mode de réalisation, bien connu de l'homme de métier est d'assurer un contact au sol par trois roues non alignées constituant un tricycle. Suivant ce mode de réalisation, assurant l'entrainement, la directivité et la stabilité, des véhicules pour le transport de passagers ou encore des robots ont été proposés. Les roues en moindre nombre constituent un avantage certain quant aux frottements en fonctionnement dynamique et un encombre au sol réduit. Toutefois, sur des terrains en dévers, tel des rampes d'accès, des routes inclinées ou lors d'une accélération ou décélération, l'équilibre de tels mobiles dépend pour tout ou partie de l'écartement contiguë des roues et de la hauteur du mobile afin d'éviter leur basculement. Ces constructions présentent en outre le défaut, notamment pour les robots, de suivre le plan d'inclinaison général sur lequel ils roulent, créant ainsi des perturbations des moyens de mesure embarqués tels que caméras, télémètres, dont l'inclinaison de la cible change, suite à la perte de verticalité. Des mobiles à deux roues alignées sur un même plan, tel des bicyclettes, peuvent assurer l'entrainement, la directivité et la stabilité en mode dynamique, notamment grâce à la raideur gyroscopique obtenue par la rotation des roues. Cette construction, fonctionnelle pour le transport de passagers a comme avantage de diminuer les frottements au sol en fonctionnement, mais trouve peu -2- d'application en robotique, ne pouvant garantir simplement la stabilité en mode statique. Des mobiles ou robots a deux roues coaxiales on été proposés. Cette technologie est bien explicitée dans le brevet américain N°US 6 651 763. Une telle construction en pendule inversé nécessite un système de commande d'entrainement des roues dans un sens ou dans l'autre lié à un moyen de mesure de l'inclinaison du pendule suivant le plan de basculement. Ce principe a démontré son efficacité, tant pour le transport de passagers que pour le déplacement de robots. Toutefois ce type de réalisation comporte un certain nombre d'inconvénients . Une telle construction permet d'équilibrer verticalement (suivant l'axe de gravité) le mobile dans le plan parallèle aux roues, sans pour autant apporter de solution pour le plan vertical perpendiculaire aux roues, notamment pour les robots, risquant sur terrain en dévers de faire basculer le mobile dans le cas où son centre de gravité dépasse l'un des points de contact des roues au sol. On ajoutera à ces considérations que cette configuration naturellement instable nécessite pour obtenir un bon équilibre une boucle de régulation rapide associée à une électronique complexe apte à interpréter l'inclinaison sans être perturbée par le déplacement du mobile, ainsi que des actionneurs très réactifs, généralement économiquement onéreux. La demande de brevet japonaise JP2006282160 présente sur le même principe de régulation du pendule inversé un mobile reposant sur un point via une sphère motorisée omnidirectionnelle. Le principe décrit un mobile pouvant pivoter dans toutes les directions. On notera que l'équilibre et la directivité ne sont obtenus qu'au prix d'une complexité et d'un encombrement important et que cette solution implique les mêmes contraintes que celles du pendule inversé sur deux roues. On notera que le nombre de roues et leur espacement ont un impact important sur l'aptitude des mobiles, tels les robots, afin de se mouvoir dans un espace encombré, parsemé d'objets, comme on en rencontre dans l'univers humain. Les critères qui doivent êtres pris en compte pour le choix d'une solution technique apte a évoluer dans l'univers humain sont notamment l'aptitude à pouvoir -3- changer de direction sur son axe, l'encombrement au sol, la capacité à maintenir verticale une structure, la contamination due à la multiplicité des points de contact au sol. L'invention a donc pour objet de proposer un dispositif ainsi qu'un procédé de stabilisation d'un mobile apte à maintenir sa verticalité tant en mode statique que dynamique, répondant aux critères précédemment énoncés, tout en supprimant les inconvénients des solutions précédentes. A ces fins selon un premier de ces aspects, l'invention propose un nouveau dispositif caractérisé en ce que le mobile est en contact au sol par un point, en ce que l'organe moteur en contact avec le sol est dans un mode de réalisation préféré une roue motorisée apte à se déplacer axialement dans les deux sens, en ce que le mobile comprend un premier bâti sur lequel est fixé l'organe moteur, en ce que sur le bâti est fixé solidairement au dessus du point de contact au moins un palier dans lequel un arbre tournant supporte un rotor motorisé faisant office de gyroscope dont l'axe est orienté préférentiellement dans le plan de la roue, croisant son centre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : ù Le mobile comprend préférentiellement, mais non exclusivement un deuxième bâti positionné au dessus du gyroscope, lié au premier bâti par des organes de fixation, tel des entretoises. ù Sont fixés préférentiellement, mais non exclusivement sur l'un des bâtis des moyens de mesure de la verticalité du mobile suivant au moins un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de déplacement de la roue. ù Est fixé préférentiellement, mais non exclusivement sur l'un des bâtis un système d'interprétation des signaux d'inclinaison, de calcul et de commande du moyen de déplacement. ù Une source d'énergie préférentiellement embarquée 35 permet d'alimenter le mobile afin d'en assurer son autonomie. 30 -4- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit ainsi que dans les dessins annexés dans lesquels les figures 1 à 2 sont des vues schématiques en coupe partielles axiale d'un mobile conforme aux enseignements de l'invention, le mobile étant illustré respectivement en vue de coté et de face. La figure 3 est une vue schématique en perspective illustrant le mobile dans la phase d'équilibre. La figure 4 est une vue schématique en perspective illustrant le mobile dans une phase de déséquilibre. Les figures 5 et 6 sont des vues schématiques en perspective illustrant conformément aux enseignements de l'invention le mobile dans sa phase de retour à l'équilibre suivant la mesure d'inclinaison signée du mobile par rapport à la verticale lorsque le plan d'inclinaison décrit par la verticale et l'axe du gyroscope est sensiblement perpendiculaire à l'un des axes de déplacement. La figure 7 est un dessin en perspective d'un mobile 20 robotisé conforme aux enseignements de l'invention. Suivant un mode de réalisation le rotor 6 qui est illustré en figure 1 et 2 est constitué notamment d'un tore massique 6A maintenu par un disque circulaire 6B. Avantageusement 25 le disque circulaire peut être ajouré de telle sorte à optimiser le moment d'inertie du gyroscope tout en minimisant sa masse. Le disque circulaire est lié via la bride 20 à un arbre 8 entrainé en rotation rapide dans un palier 9 par un moteur 7 tel un moteur électrique, fixé sur le bâti 12. Le palier 9 est solidairement lié 30 au bâti 12 suivant un axe 18 orienté préférentiellement dans le plan de la roue, croisant son centre. Suivant les mêmes figures, une roue 10 est constituée d'une jante 10B entourée d'une bande roulante 10A, ayant avantageusement des propriétés d'adhérence afin de favoriser le déplacement du mobile sur un plan 1 via un point 11 35 et de limiter l'effet d'entrainement en rotation du bâti suivant l'axe 18 induit par la friction de l'arbre 8 dans le palier 9. La roue 10 est entrainée en rotation par un moteur 2 via la bride 21 15 -5- sur un arbre 3 pivotant dans les paliers 4 et 5 fixés sur une portion du bâti 12 en forme de fourche. Le moteur 2 fixé sur le bâti 12 est préférentiellement capable de générer un couple de freinage tel celui produit par une démultiplication ou par un moteur pas à pas ou tout autre type d'arrangement de moteur ayant cette propriété afin d'empêcher l'entrainement de la roue par l'inertie du mobile. Un capteur 17 tel un codeur incrémentai, relié à la roue via l'arbre 3, fourni des informations sur le mouvement angulaire de la roue afin d'en déduire la distance parcourue par le mobile. Comme illustré aux figures 1 et 2, un deuxième bâti 13, relié au bâti 12 par des entretoises 14, est disposé au dessus et à proximité du rotor 6 afin de constituer une platine pouvant supporter toute charge utile, tel que au moins un passager ou tout dispositifs nécessaires à l'évolution du mobile dans son environnement. Le bâti 13 supporte des moyens 16 de mesure de la verticalité du mobile suivant au moins un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de déplacement de la roue, relié à un système 15 d'interprétation des signaux d'inclinaison, de calcul et de commande du moyen de déplacement. La mesure d'inclinaison peut être réalisée par des capteurs tels que gyroscope, inclinomètre, accéléromètre. Dans une mise en oeuvre préférée, une source d'énergie telle un accumulateur électrique est fixée sur la portion du bâti 12 en forme de fourche, en symétrie du moteur 2 suivant l'axe 18, afin d'équilibrer au mieux les masses du mobile. Selon un second de ses aspects, l'invention propose un procédé de rétablissement de l'équilibre d'un mobile reposant sur 30 un point, qui se caractérise essentiellement en ce que: Une première phase, illustrée en figure 3, au cours de laquelle le mobile se caractérise par le fait qu'en absence de couple externe, le rotor motorisé 6 tournant à grande vitesse 35 maintien son orientation ainsi que celle du bâti dans lequel il tourne en raison de sa raideur gyroscopique. Préférentiellement, une telle orientation est celle de l'axe 18, confondu avec la -6- verticale, symbolisée par l'axe E. Ainsi, tant que les conditions initiales de cette phase sont respectées, le mobile en appui au sol, ici représenté par le plan 1, via un point 11, maintiendra son orientation à l'arrêt si la roue est arrêtée ou en mouvement si la roue est en mouvement. Afin de mieux aborder la deuxième phase du procédé on notera qu'un tel mobile sera fréquemment soumis à au moins un couple externe sans contact, perturbateur de la verticalité, tel que celui engendré, par exemple : - Par le déplacement du mobile par rapport à tout corps céleste (appelé ici, ainsi que pour le reste de la description; terre) au voisinage duquel le mobile évolue et par rapport auquel le mobile doit maintenir sa verticale. - Par la rotation graduelle de la terre autour de ses pôles, par rapport à laquelle le mobile doit maintenir sa verticale. - Par un équilibrage imparfait des masses sur le mobile 20 autour du point de contact sous l'effet du champ de pesanteur. Si l'on considère le mobile (parfaitement équilibré) en condition dynamique, à un instant Tl, de sorte que son centre de 25 gravité soit aligné avec le point d'appui au sol et le champ de pesanteur de la terre, on peu considérer un instant T2 où le mobile ayant parcouru une certaine distance du périmètre terrestre, n'est plus en équilibre en raison de la rigidité gyroscopique qui tend à maintenir son orientation constante dans l'espace. De même, on peut 30 en déduire que si le mobile (parfaitement équilibré) est à l'arrêt, à un instant Tl, de sorte que son centre de gravité soit aligné avec le point d'appui au sol et le champ de pesanteur, la rotation graduelle de la terre autour de ses pôles aura, à un instant T2, le même effet. 35 En outre, bien que préférentiellement on cherche à agencer les masses d'un tel mobile de sorte à considérer celui-ci vertical lorsque son centre de gravité est aligné avec le point -7- d'appui au sol et le champ de pesanteur de la terre, on ne saurait arriver à une parfaite répartition. Ceci est d'autant plus vrai quand le mobile est employé pour le transport de passager. Ainsi, il apparait un couple externe sans contact, perturbateur de la verticalité, induit par la pesanteur, appliqué au centre de gravité du mobile et le point d'appui au sol. (Ce couple sera appelé ici, ainsi que pour le reste de la description; couple perturbateur) L'effet de tels couples perturbateurs est représenté en figure 4 et se caractérise par le fait que le rotor 6 change graduellement l'orientation de son axe de rotation 18, ainsi que celle du bâti dans lequel il tourne, en décrivant un cône de révolution autour de l'axe E image de la verticale, dont le sommet est le point d'appui 11 de la roue au sol. Selon l'invention, on procédera à une séquence de rétablissement de l'équilibre pour stabiliser le mobile et stopper la course circulaire de son axe. Une deuxième phase, représentée par les figures 5 et 6, 20 au cours de laquelle le mobile initialement soumis à un couple perturbateur se caractérise en ce qu'elle consiste à: Mesurer l'inclinaison signée du mobile par rapport à la verticale lorsque le plan d'inclinaison 22 décrit par la 25 verticale et l'axe du gyroscope est positionné suivant un anglea, sensiblement perpendiculaire à l'axe de déplacement 23. Actionner le moyen de déplacement suivant le signe d'inclinaison dans le sens Al ou A2, afin d'appliquer un couple sur le gyroscope respectivement Tl ou T2 suivant un axe perpendiculaire 30 à l'axe de déplacement du mobile et à l'axe de rotation du rotor motorisé, engendré par la différence de résistance au déplacement entre l'inertie du mobile et le mouvement du point de contact 11. laisser le gyroscope processionner en changeant l'inclinaison du 35 mobile sous l'effet du couple induit, pour se rapprocher de la verticale. -8- - Détecter le passage de l'axe du gyroscope sensiblement à la verticale afin d'appliquer au moyen de déplacement les paramètres dynamiques précédent la correction d'inclinaison ou ceux définis par toute autre phase de mouvement du mobile. A titre de rappel et suivant les enseignements de l'art antérieur, la précession est un mouvement résultant d'un couple extérieur qui est perpendiculaire au plan défini par l'axe de symétrie du rotor et l'axe du couple perturbateur. Suivant l'invention, les moyens 16 de mesure de la verticalité du mobile informent les moyens 15 d'interprétation et calcul de telle sorte que ces derniers commandent le moyen de déplacement. Suivant un premier signe d'inclinaison, le déplacement consiste en une transition telle que: - Avancer le mobile si celui-ci était arrêté. - Accélérer l'avance si le mobile avançait. - Décélérer le recul si le mobile reculait. Selon l'autre signe d'inclinaison, le déplacement consiste en une transition telle que: - Reculer le mobile si celui-ci était arrêté. - Décélérer l'avance si le mobile avançait. - Accélérer le recul si le mobile reculait. On choisira d'associer un signe d'inclinaison à un groupe de transitions en fonction du sens de rotation du rotor motorisé afin que les actions décrites précédemment engendrent un 30 couple sur le gyroscope de telle sorte que sa réaction redresse le mobile. L'interprétation de l'angle d'inclinaison permet d'ajuster à l'aide des moyens 15 les caractéristiques de vitesse de transition du moyen de déplacement, afin d'appliquer le couple 35 juste nécessaire au gyroscope pour que le mouvement de précession ramène le mobile sensiblement à la verticale. A l'aide des moyens 16 de mesure et 15 d'interprétation de calcul et de commande, on détectera le passage de l'axe 18 sensiblement à la verticale afin d'appliquer au moyen de 40 déplacement les paramètres dynamiques précédent la correction 10 15 20 25 -9- d'inclinaison ou ceux définis par toute autre phase de mouvement du mobile. Dans le cas d'une stabilisation à l'arrêt, on pourra préférentiellement mais non obligatoirement calculer, à l'aide des moyens 15 et des données fournies par le capteur 17, la distance parcourue par la roue lors de la phase de stabilisation entre le point initial et le point après stabilisation afin de procéder après retour sensiblement à la verticale à une phase de repositionnement consistant à faire revenir au point initial le mobile en parcourant en sens opposé la dite distance. On notera certains avantages liés aux enseignements de l'invention . La disposition sensiblement perpendiculaire des plans de mesure d'inclinaison et de déplacement présente l'avantage de réduire notablement la perturbation des moyens de mesure d'inclinaison par les mouvements d'avance ou de recul du mobile. Cette caractéristique a comme autre avantage de simplifier l'électronique de commande ainsi que les algorithmes de filtration des signaux issus des moyens 16 de mesure de la verticalité du mobile. L'évolution graduelle de la course circulaire que l'axe du gyroscope décrit lorsqu'il est soumis à un couple perturbateur permet de disposer d'un temps de réaction suffisant avant que le mobile ne bascule jusqu'au sol et rend ce dernier moins dépendant d'une boucle de régulation rapide de stabilisation. D'autre part, la fixation du palier de gyroscope solidaire au bâti permet, contrairement à d'autres procédés de stabilisation gyroscopique, d'utiliser le moteur du moyen de déplacement en tant que moteur de précession, réduisant ainsi le nombre d'organes moteurs et la complexité mécanique induite généralement par l'imbrication de cadres pivotants motorisés autour du rotor gyroscopique. Un tel dispositif est particulièrement bien adapté à la stabilisation de robots notamment lorsque l'on exige de ceux-ci des critères d'équilibre et de stabilité tout en évoluant dans un univers constitué de surfaces d'inclinaison variable et que -10- l'encombrement au sol est un paramètre important pour la mobilité tel ce que l'on rencontre dans l'environnement proche humain. En figure 7 est représenté à titre d'exemple une réalisation conforme aux enseignements de l'invention. Afin de faire ressortir l'analogie avec les vues schématiques, certains éléments ayant la même fonction portent la même numérotation associée à un indice R. Ainsi, on y retrouve la roue 10R, les bâtis 12R et 13R reliés par des entretoises 14R, entre lesquels le rotor 6R est disposé. La réalisation étant un robot autonome se déplaçant sur une roue, y sont ajoutés un habillage 25 et des capteurs environnementaux tel un télémètre ultrasonique 24. La directivité du mobile est selon cet exemple obtenue par une variation du moment cinétique du rotor motorisé afin d'engendrer un couple sur le bâti 12R, supérieur aux forces de frottement de la bande roulante au sol. Le mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit n'est qu'un exemple non limitatif. En effet, on pourra prévoir d'autres dispositions constructives, notamment pour la réalisation du moyen de déplacement. Ainsi, suivant un mode non préférentiel on peut remplacer la roue 10R par une sphère motorisée omnidirectionnelle (non représentée) autorisant une pluralité d'axes de déplacements. Le procédé de stabilisation étant par ailleurs le même, cette disposition n'a toutefois pas les faveurs de l'inventeur en raison de sa forte complexité de réalisation. D'autre part, la directivité peut être assurée par tout moyen apte à générer un couple orienté suivant l'axe 18 tel celui généré par au moins un groupe propulsif à l'exemple d'une hélice motorisée radialement disposée autour du mobile. REVENDICATIONS1) Procédé de rétablissement de l'équilibre d'un mobile roulant sur un plan en contact par un point, équipé d'un rotor gyroscopique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins quatre étapes: ù Une étape initiale au cours de laquelle on mesure l'inclinaison signée du mobile par rapport à la verticale lorsque le plan d'inclinaison décrit par la verticale et l'axe du gyroscope est sensiblement perpendiculaire à l'un des axes de déplacement. ù Une deuxième étape où l'on actionne le moyen de déplacement suivant un sens lié au signe d'inclinaison et au sens de rotation du rotor gyroscopique, afin d'appliquer un couple sur le gyroscope suivant un axe perpendiculaire à l'axe de déplacement du mobile et à l'axe de rotation du gyroscope, engendré par la différence de résistance au déplacement entre l'inertie du mobile et le mouvement du point de contact. ù Une troisième étape où on laisse le gyroscope processionner en changeant l'inclinaison du mobile sous l'effet du couple induit, pour se rapprocher de la verticale. ù Une étape terminale où l'on détecte le passage de l'axe du mobile sensiblement à la verticale afin d'appliquer au moyen de déplacement les paramètres dynamiques précédent la correction d'équilibre ou ceux définis par toute autre phase de mouvement du mobile. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interprétation de l'angle d'inclinaison permet d'ajuster les caractéristiques de vitesse de transition du moyen de déplacement, afin d'appliquer le couple juste nécessaire au gyroscope pour que le mouvement de précession ramène le mobile sensiblement à la verticale. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la phase de stabilisation à l'arrêt, suite au retour à la position sensiblement verticale du mobile, la distance parcourue après le rétablissement de l'équilibre est calculée de telle sorte-12- à revenir au point initial par action du moyen de déplacement dans le sens opposé. 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une roue motorisée (10 ; 2) fixée sur un bâti (12) constituant le moyen de déplacement du mobile suivant au moins un axe (23), d'au moins un rotor motorisé (6 ; 7) fixé à un arbre (8) tournant autour du palier (9) solidairement lié au bâti au dessus du point de contact suivant un axe (18), constituant un gyroscope, des moyens de mesure (16) de la verticalité du mobile suivant au moins un plan (22) et (17) de la distance parcourue ainsi qu'un système (15) d'interprétation des signaux d'inclinaison, de calcul et de commande du moyen de déplacement. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce 15 que le moyen de déplacement est une sphère motorisée autorisant une pluralité d'axes de déplacements. 6) Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la motorisation du moyen de déplacement a la propriété de générer un couple de freinage empêchant l'entrainement 20 de celle-ci par l'inertie du mobile 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le mobile transporte une source d'énergie (19) suffisante à alimenter ses différents dispositifs de façon autonome. 25 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il constitue un robot mobile autonome. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il constitue un véhicule de transport.