Brevet FR2950756A1 — publié le 20110401

Dans de multiples applications en mécanique et particulièrement en micromécanique, des actionneurs sont requis pour assurer le contrôle de la position angulaire d'objets tant dans la direction azimutale que polaire. L'état de l'art propose de nombreuses solutions pour réaliser le contrôle et la commande de l'élongation d'éléments filaires, filaments, tiges ou brins. La présente invention concerne une méthode de conversion des variations contrôlées de la longueur d'au moins trois brins en un mouvement angulaire à deux dimensions. La conversion des variations de longueur de deux feuillets solidaires est bien connue et utilisée dans les bilames. Les bilames sont des dispositifs composés de deux lames de métaux ou d'alliages différents, souples, soudés ou collés l'un contre l'autre, dans le sens de la longueur. Leur dilatation étant différente, l'objet se déforme dans une direction angulaire. Selon l'invention proposée ici, trois brins flexibles, ou plus, dont la dilatation ou l'élongation peuvent être contrôlées individuellement, sont soudés, collés ou englués les uns avec les autres, dans le sens de la longueur, ou sont encore glissés dans une gaine dans laquelle ils peuvent coulisser et se déformer. La présente invention concerne une méthode et un dispositif de conversion des signaux électriques en un mouvement angulaire dans les directions polaire et azimutale. Le dispositif est composé d'un faisceau d'au moins trois brins dont les longueurs sont contrôlées individuellement par des signaux électriques. Les brins sont solidairement assemblés de telle sorte que le changement de longueur de l'un des brins entraîne la courbure de l'ensemble du faisceau. Cet assemblage solidaire des brins est obtenu soit par un lien mécanique soit par soudage ou engluage soit encore par disposition de l'ensemble des brins dans une gaine flexible dans laquelle les brins peuvent se déformer transversalement et/ou longitudinalement et coulisser. Un exemple de réalisation d'un actionneur trifilaire est représenté sur la Figure 1. L'actionneur trifilaire est constitué de trois brins 1, 2 et 3 disposés dans une gaine 4. Les extrémités des brins définissent un plan, matérialisé ou non par un plateau. Dans ce plan leurs centres sont, au repos, disposées à 120° les uns des autres. La Figure 3 montre la base de l'actionneur trifilaire disposé dans une gaine 4. Le rayon de courbure du faisceau, évalué à l'orthocentre du triangle défini par les trois extrémités des brins, est donné par R. Pour les brins 1, 2 et 3 les rayons de courbure sont, comme illustré sur la Figure 3, R1, R2 et R3 . Si les longueurs des brins 1, 2 et 3 sont ll, 12 et 13, on peut écrire, dans le cas d'une courbure uniforme: = 9[R ù r cos rp], 12=6 R ù rcos 27r 13=6 Rùrcos \rpù 3 i p--, Les angles ça et B, définis Figure 2, sont déterminés uniquement par le choix des longueurs h, 12et13. La Figure 4 montre la base de l'actionneur multifilaire dans une version à douze brins 10 contenus dans la gaine 11. Le nombre de brins est arbitraire. L'élongation de chaque brin doit être contrôlée individuellement de manière maîtrisée de telle façon que cette élongation soit proportionnelle à la distance relative entre la brin considéré et le centre de courbure ( qui est déterminé par la direction qP désirée.) La Figure 5 décrit une version de l'actionneur trifilaire en position courbée dans laquelle le plan défini par les extrémités des brins 1, 2 et 3 est matérialisé par les plateaux 5 et 6 solidaires de ces extrémités. Sur la Figure 6 une version de l'actionneur multifilaire en position courbé est proposée. Pour des commodités de commandabilité ou des particularités d'utilisation la mise en cascade d'actionneurs semblables à celui de la Figure 5 peut être envisagée, produisant ainsi une segmentation des éléments filaires constituant le faisceau et permettant des courbures plus complexes par introduction de degrés de libertés supplémentaires. Ces degrés de libertés peuvent être contrôlés séquentiellement ou indépendamment comme le propose la référence suivante où différentes architectures de plateformes de génération de mouvement sont inventoriées • P. Dario, M. Carrozza, E. Guglielmelli, C. Laschi, A. Menciassi, S. Micera, und F. Vecchi, "Robotics as a future and emerging technology: biomimetics, cybernetics, and neuro-robotics in European projects," Robotics & Automation Magazine, IEEE, vol. 12, 2005, S. 29-45. La déformation et l'élongation des éléments filaires responsables de la courbure du faisceau peut être obtenue par la mise en jeu de différents phénomènes physiques et matériaux associés. Ces éléments filaires peuvent être en effet rapprochés de muscles artificiels et bénéficient des technologies associées, dont de nombreuses sont décrites dans • JDW Madden, and Vandesteeg, NA and Anquetil, PA and Madden, PGA and Takshi, A. and Pytel, RZ and Lafontaine, SR and Wieringa, PA and Hunter, IW " Artificial muscle technology: physical principles and naval prospects", IEEE Journal of oceanic engineering, vol 29, n°3, pp 705-728, 2004 • R.H. Baughman, "Conducting polymer artificial muscles," Synthetic metals, vol. 78, 1996, S. 339-354. Selon l'échelle, le volume et le poids du dispositif dans lequel doit être effectuée l'actuation, différentes technologies peuvent être envisagées pour la réalisation des filaments. On citera par exemple, et de manière non exhaustive, les alliages à mémoire de forme électriquement ou magnétiquement activés , les alliages à mémoire de forme de type biométal ou les nanotubes de carbone. Les multiples potentialités des nanotubes de carbone sont détaillées dans • R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, und W.A. de Heer, "Carbon nanotubes-the route toward applications," Science, vol. 297, 2002, S. 787-792. • M. Zhang, K.R. Atkinson, und R.H. Baughman, Multifunctional carbon nanotube yarns by downsizing an ancient technology, American Association for the Advancement of Science, 2004. et plus spécifiquement leur utilisation en tant qu'actionneurs dans • R.H. Baughman, C. Cui, A.A. Zakhidov, Z. Iqbal, J.N. Barisci, G.M. Spinks, G.G. 5 Wallace, A. Mazzoldi, D. De Rossi, A.G. Rinzler, und others, "Carbon nanotube actuators," Science, vol. 284, 1999, S. 1340. • T. Mirfakhrai, J. Oh, M. Kozlov, E.C. Fok, M. Zhang, S. Fang, R.H. Baughman, und J.D. Madden, "Electrochemical actuation of carbon nanotube yarns," Smart Materials and Structures, vol. 16, 2007, S. 243. 10 De nombreux actionneurs exploitant la courbure du filaments en alliages à mémoire de forme ont pu être réalisés. Des actionneurs type äpince sont décrits dans Yang Kai and Gu Cheng-lin, , Optimization and Application of Novel Planar Bending ESMAAs, Industrial Electronics Society, 2007. IECON 2007. 33rd Annual Conference of 15 the IEEE, Nov 2007, pp 2325-2330. La mise en cascade d'actionneurs à été largement développée à partir d'alliages à mémoire de forme dans • Menciassi, S. Gorini, G. Pernorio, und P. Dario, "A SMA actuated artificial 20 earthworm," Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International Conference on, 2004, S. 3282-3287 Vol.4. • B. Kim and M. G Lee and Y. P Lee and Y. I Kim and G. H Lee, "An earthworm-like micro robot using shape memory alloy actuator", Sensors & Actuators: A. Physical, 25 vol 125, n°2, pp429-437, 2005. Figures Figure 1: Exemple d'une forme de réalisation d'un actionneur trifilaire. Figure 2: Vue longitudinale et Coupe transversale d'un actionneur trifilaire portant indication des directions de l'actuation. Figure 3: Définition des positions relatives des brins de l'actionneur trifilaire Figure 4: Coupe transversale d'un actionneur multifilaire Figure 5: Exemple d'une forme de réalisation d'un actionneur trifilaire avec plateaux. Figure 6: Exemple d'une forme de réalisation d'un actionneur multifilaire. 4 Revendications1. Dispositif pour convertir des signaux électriques en un mouvement angulaire dans les directions polaire et azimutale comprenant trois brins (1, 2, 3) ou plus constituant un faisceau dont les longueurs sont contrôlées individuellement par des signaux électriques ledit dispositif étant caractérisé par le fait que les trois brins sont solidaires de sorte que le changement de la longueur d'un brin produise une courbure de l'ensemble du faisceau. 2. Dispositif pour convertir des signaux électriques en un mouvement angulaire dans les directions polaire et azimutale selon la revendication 1 caractérisé par une connexion mécanique des brins. 3. Dispositif pour convertir des signaux électriques en un mouvement angulaire dans les directions polaire et azimutale selon la revendication 1 et caractérisé par l'installation des brins dans une gaine flexible (4) où les brins peuvent coulisser. 4. Dispositif pour convertir des signaux électriques en un mouvement angulaire dans les directions polaire et azimutale selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 et caractérisé par la présence d'un plateau (5, 6) matérialisant le plan défini par les extrémités des brins. 5. Actionneur constitué par la mise en cascade de plusieurs dispositifs selon l'une des revendications précédentes. 5