Brevet FR2981008A1 — publié le 20130412

La présente invention concerne une roue omnidirectionnelle motorisable. Les roues omnidirectionnelles sont utilisées pour réaliser des véhicules capables de se déplacer sans manoeuvre préalable dans n'importe quelle direction arbitraire avec une orientation quelconque. On parle alors de véhicule « holonome ». L'invention concerne également un véhicule équipé de telles roues. Les véhicules classiques à roues suivent une tra- jectoire tangente à l'orientation de leurs roues direc- trices, orientation que l'on modifie pour changer de di- rection. La présence de roues non directrices et la faible amplitude de l'orientation des roues directrices rend im- possible un changement de direction indépendant de l'orientation préalable du véhicule. Un véhicule à roues dont toutes les roues sont directrices peut changer arbitrairement de direction à la condition que ses roues aient été préalablement réorientées dans la nouvelle direction. Un tel véhicule est dit « omnidirectionnel ». Un véhicule holonome doit, pour pouvoir suivre n'importe quelle trajectoire arbitraire sans manoeuvre préalable, avoir trois degrés de mobilité indépendants par rapport au plan sur lequel il repose : deux transla- tions selon des directions parallèles au plan et une ro- tation autour d'un axe normal au plan. Il existe de nombreuses solutions de roues qui permettent de réaliser un véhicule holonome. Ces roues diffèrent par la régularité de leur bande de roulement, leur capacité de charge, leur capacité de franchissement d'obstacle et la constance du polygone de sustentation du véhicule les utilisant. Ainsi, il est connu du document US-A-3789947 une telle roue comportant une jante ayant un pourtour polygo- nal sur chaque côté duquel sont montés des rouleaux en tonneau qui pivotent autour d'un axe orthogonal à l'axe de la jante. Entre deux rouleaux adjacents existe un espace intercalaire nécessaire à la liaison des rouleaux à la jante. Ces espaces intercalaires entre les rouleaux créent une discontinuité de la surface de roulement qui entraîne, à l'usage, des vibrations et une imprécision de la position. Sur le même principe, il existe également des roues du type précédent comportant une jante sur la péri- phérie de laquelle sont montés deux jeux de rouleaux mon- tés pour pivoter autour d'axes s'étendant dans deux plans perpendiculaires à l'axe de rotation de la jante. Les rouleaux de chaque jeu s'étendent en regard de l'espace intercalaire existant entre deux rouleaux de l'autre jeu pour assurer une continuité de la surface de roulement. Néanmoins, en passant d'un rouleau à l'autre, la position du point de contact varie le long de l'axe de rotation de la jante. Cette variation entraîne d'une part des variations du rayon de courbure empêchant une odométrie pré- cise et d'autre part une grande sensibilité aux irrégula- rités du sol qui risque de faire perdre le contact d'une rangée de rouleaux. Les documents US-A-3876255 et FR-A-2206195 décri- vent une roue ayant une jante sur une périphérie de la- quelle sont montés des rouleaux pivotant autour d'un axe incliné par rapport à l'axe de rotation de la jante. Ceci permet d'assurer une relative continuité de la surface de roulement mais entraîne, comme précédemment quoique de manière moins importante, une variation de la position du point de contact de la roue sur le sol. Il existe d'autres solutions, sur le principe du document US-A-3789947, dans lesquelles les rouleaux, de profils différents ou en forme de coupelle, sont partiellement emboîtés les uns dans les autres pour assurer au- tant que faire se peut une relative continuité de la sur- face de roulement. Ces solutions ne sont cependant pas parfaites et, selon le cas, ne sont pas adaptées à évoluer sur un sol incliné, sont complexes à mettre en oeuvre et/ou laissent subsister des discontinuités de la surface de roulement. On connaît également des roues à rouleaux périphériques flexibles ayant une surface de roulement continue mais qui est très complexe à mettre en oeuvre tout en offrant qu'une faible capacité de charge. L'inconvénient majeur de ces solutions reste qu'elles ne possèdent qu'une faible capacité de franchissement d'obstacle dans la direction de l'axe de rotation de la jante en raison du faible rayon des rouleaux. Pour remédier à cet inconvénient, il a été imagi- né de recourir à une roue sphérique motorisable compre- nant un premier corps et un deuxième corps qui sont sensiblement hémisphériques et montés coaxialement l'un à l'autre pour pivoter sur un axe support. Les corps sont séparés par un espace intercalaire dans lequel s'étend un arbre ayant une extrémité solidaire de l'axe support et une extrémité opposée reliée à un moteur d'entraînement. Cette roue présente une capacité de déplacement libre parallèlement à l'arbre d'entraînement et une capacité de déplacement motorisé perpendiculairement à l'arbre d'entraînement. Cette roue possède en outre des capacités de franchissement intéressantes dans toutes les directions car son rayon de courbure est identique dans toutes les directions. En revanche, cette roue a une surface de roulement dont la discontinuité diminue avec la largeur de l'espace intercalaire tandis que sa capacité de charge augmente avec le diamètre de l'arbre et donc aussi avec la largeur de l'espace intercalaire. Il est donc impossible d'avoir une telle roue présentant une surface de roulement sensiblement continue et une forte capacité de charge. 2981008 4 Le but de l'invention est donc de fournir une roue permettant notamment la réalisation d'un véhicule holonome capable de franchir des obstacles dans toutes les directions sans réduction de sa capacité de charge. 5 A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une roue sphérique motorisable comprenant un premier corps et un deuxième corps qui sont sensiblement hémisphériques et montés coaxialement l'un à l'autre pour pivoter sur un axe support, les corps étant séparés par un espace inter- 10 calaire dans lequel s'étend un arbre ayant une extrémité solidaire de l'axe support et une extrémité opposée en saillie des corps. S'étend dans l'espace intercalaire au moins un élément de continuité d'au moins une portion de surface externe des corps. 15 La roue de l'invention est ainsi une roue omnidi- rectionnelle sphérique dont l'espace intercalaire peut être relativement grand au niveau de l'arbre moteur, pour autoriser une grande capacité de charge, et réduit voire nul au niveau du contact au sol pour assurer une bonne 20 continuité de mouvement. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément de continuité est un pétale articulé à un bord circulaire du premier corps pour être mobile entre une position affleurante dans laquelle il 25 s'étend vers le deuxième corps dans l'espace intercalaire et une position escamotée dans laquelle il s'efface de l'espace intercalaire. Dans une première version, la roue comprend des éléments de continuité en forme de pétale s'étendant à 30 partir de chacun des corps. Dans une deuxième version, le pétale en position affleurante prend appui sur le bord circulaire du deuxième corps. De préférence, dans ce mode de réalisation, 35 l'arbre a sa portion d'extrémité reliée à l'arbre support conformée pour amener l'élément de continuité de sa position affleurante à sa position escamotée et l'élément de continuité est relié, au corps auquel il est articulé, par un élément de rappel élastique en position affleu- rante. Ainsi, le déplacement de l'élément de continuité dans sa position escamotée est provoqué par son contact avec le carter de l'arbre moteur qui fait office de came. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir une commande dé- diée de l'élément de continuité. Avantageusement, le pétale a une forme sensible- ment trapézoïdale ayant une grande base et le pétale est articulé par sa grande base au corps. Ceci permet d'augmenter la garde au sol de l'élément de continuité en position escamotée et donc la capacité de franchissement. Selon un deuxième mode de réalisation, l'élément de continuité est un galet monté dans l'espace intercalaire pour pivoter autour d'un axe parallèle à l'axe sup- port en ayant une surface externe affleurant la surface externe des corps. L'invention a également pour objet un véhicule comportant un châssis porté par des roues du type de celle de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une roue selon une première version d'un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est une vue de dessus de cette roue ; - la figure 3 est une vue partielle en coupe de cette roue selon le plan III de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en perspective de cette roue en coupe selon le plan III ; - la figure 5 est une vue en perspective d'une roue selon une deuxième version du premier mode de réalisation ; - la figure 6 est une vue de côté de cette roue ; - la figure 7 est une vue en perspective et en transparence d'une roue selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 8 est une vue en perspective d'un vé- hicule équipé de roues selon le deuxième mode de réalisation ; - La figure 9 est une vue analogue à la figure 8 d'une variante de ce véhicule. En référence aux figures, la roue sphérique moto- risable conforme à l'invention comprend un premier corps 1.1 et un deuxième corps 1.2 identiques qui sont sensi- blement hémisphériques. Les corps 1.1, 1.2 sont montés coaxialement l'un à l'autre pour pivoter librement sur un axe support 2 au moyen d'au moins un palier tel qu'un roulement à aiguilles ou autres. Les corps 1.1, 1.2 sont séparés l'un de l'autre par un espace intercalaire 3 dé- limité latéralement par des parois 4.1, 4.2 parallèles l'une à l'autre appartenant chacune à une des corps 1.1, 1.2. Les parois 4.1, 4.2 sont délimitées par un bord circulaire 5.1, 5.2. Dans l'espace intercalaire 3 s'étend un arbre 6 ayant une extrémité solidaire de l'axe support 2 et une extrémité opposée qui s'étend en saillie des corps 1.1 et 1.2 et qui est reliée à un moteur d'entraînement 30 (visible sur les figures 8 et 9). La roue est ainsi susceptible d'un déplacement motorisé (rotation de l'arbre 6 symbolisé par la flèche M) et d'un déplacement libre (rotation des corps 1.1, 1.2 autour de l'axe support 2 symbolisé par la flèche F) Un galet 10 (représenté uniquement en figure 7 mais présent dans tous les modes de réalisation) est mon- té à chaque extrémité de l'axe support 2 pour affleurer la surface externe des corps 1.1, 1.2. Les galets 10 ont une forme en tonneau et sont montés pour pivoter autour d'un axe orthogonal à l'axe support 2 et à l'arbre 6. Chaque galet 10 autorise ainsi, lorsqu'il est en contact avec le sol, un déplacement libre de la roue dans une di- rection parallèle à l'arbre 6. Dans l'espace intercalaire 3 s'étend au moins un élément de continuité d'au moins une portion de surface externe des corps 1.1, 1.2. En référence aux figures 1 à 6, la roue conforme au premier mode de réalisation comprend une pluralité d'éléments de continuité formé chacun d'un pétale articulé au bord circulaire 5.1, 5.2 d'un des corps 1.1, 1.2 entre une position affleurante dans laquelle il s'étend dans l'espace intercalaire 3 vers le deuxième corps 1.2, 1.1 et une position escamotée dans laquelle il s'efface de l'espace intercalaire 3 en prenant une position en saillie de la surface externe des corps 1.1, 1.2. Chaque pétale 7 a une forme sensiblement trapézoïdale ayant une grande base et le pétale 7 est articulé par sa grande base au corps. Cette forme trapézoïdale autorise une garde au sol relativement importante du pétale en position escamotée (voir la figure 6). Dans la première version du premier mode de ré- alisation (figures 1 à 4), des pétales 7.1, 7.2 s'étendent à partir de chacun des corps 1.1, 1.2. Les pé- tales 7.1, 7.2 sont ici prévus sur la totalité de la circonférence du bord circulaire 5.1, 5.2. Chaque pétale 7.1, 7.2 est relié, au corps 1.1, 1.2 auquel il est articulé, par un élément de rappel élastique du pétale 7.1, 7.2 en position affleurante. Les éléments de rappel sont ici des ressorts hélicoïdaux 8 de traction qui sont reçus dans des logements ménagés dans les parois 4.1, 4.2 de manière à s'étendre radialement par rapport au bord circulaire 5.1, 5.2. L'arbre 6 a sa portion d'extrémité relié à l'axe support 2 qui est conformée pour amener les pétales 7 de leur position affleurante à leur position escamotée. L'arbre 6 comprend ainsi deux surfaces latérales 9 s'étendant transversalement à l'espace intercalaire 3 qui sont conformées pour soulever les pétales 7 à la manière d'une came lorsqu'elles rentrent en contact avec ceux-ci. Les pétales 7 sont ramenés vers leur position affleurante au fur et à mesure qu'ils quittent le contact des surfaces latérales 9. Dans la deuxième version du premier mode de ré- alisation (figures 5 et 6), les pétales 7.1, sont décalés par rapport aux pétales 7.2 de telle manière qu'en regard de chaque pétale 7.1, 7.2 s'étend une portion libre du bord circulaire 5.2, 5.1. Les pétales 7.1, 72 ont une longueur telle qu'en position affleurante les pétales 7.1, 7.2 prennent appui sur la portion libre de bord circulaire 5.2, 5.1. Dans cette version les deux hémisphères sont re- liés ensemble pour synchroniser leur rotation de façon à ce que les pétales s'appuient toujours sur le logement qui leur fait face. La deuxième version est pour le reste identique à la première version. Dans le deuxième mode de réalisation représenté à la figure 7, les éléments de continuité sont au nombre de deux et sont formés chacun par un galet 17 monté dans l'espace intercalaire 3 pour pivoter autour d'un axe parallèle à l'axe support 2. Chaque galet 17 a une surface externe en tonneau qui affleure la surface externe des corps 1.1, 1.2. Plus précisément, les galets 17 sont montés dans une chape qui s'étend dans l'espace intercalaire et qui est solidaire en rotation de l'axe support 2 et donc également de l'arbre 6. L'invention a également pour objet un véhicule comportant un châssis porté par des roues conformes à l'invention. En référence à la figure 8, le châssis 100 du véhicule a sensiblement une forme de triangle à chaque som- met duquel est montée une roue conforme au deuxième mode de réalisation (les sommets du triangle sont ici tronqués pour augmenter la compacité du véhicule). C'est ici le stator de chaque moteur d'entraînement 30 qui est fixé au châssis 100 via un dis- positif, non représenté, d'orientation des roues par rap- port au châssis. Plus précisément, les stators sont ici montés sur des platines qui sont montées pivotantes sur le châssis autour d'un axe perpendiculaire au plan du châssis et qui sont associées chacune à un moteur permet- tant d'orienter les roues par rapport au châssis. La fixation des roues au châssis est connue en elle-même ainsi que la commande de celles-ci. En variante, comme représenté à la figure 9, le châssis 100 du véhicule a sensiblement une forme de carré à chaque sommet duquel est montée une roue conforme au deuxième mode de réalisation (les sommets du carré sont ici tronqués pour augmenter la compacité du véhicule). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, dans le premier mode de réalisation, il est possible de prévoir un actionneur pour déplacer les pétales entre leur position affleurante et leur position escamotée de manière à provoque un efface- 10 ment progressif des pétales devant l'arbre d'entraînement au fur et à mesure de la rotation de la roue et un rabattement des pétales après le passage de l'arbre d'entraînement. Le véhicule peut avoir une autre structure que celle décrite et posséder par exemple un châssis de forme circulaire. REVENDICATIONS1. Roue sphérique comprenant un premier corps (1.1) et un deuxième corps (1.2) qui sont sensiblement hémisphériques et montés coaxialement l'un à l'autre pour pivoter sur un axe support (2), les corps étant séparés par un espace intercalaire (3) dans lequel s'étend un arbre (6) ayant une extrémité solidaire de l'axe support et une extrémité en saillie des corps, caractérisée en ce que s'étend dans l'espace intercalaire au moins un élé- ment (7, 17) de continuité d'au moins une portion de surface externe des corps. 2. Roue selon la revendication 1, dans laquelle l'arbre (6) est relié à un moyen de motorisation. 3. Roue selon la revendication 1, dans laquelle l'élément de continuité est un pétale (7) articulé à un bord circulaire (5.1) du premier corps (1.1) pour être mobile entre une position affleurante dans laquelle il s'étend vers le deuxième corps (1.2) dans l'espace inter- calaire (3) et une position escamotée dans laquelle il s'efface de l'espace intercalaire. 4. Roue selon la revendication 3, comprenant des éléments de continuité en forme de pétale (7) s'étendant à partir de chacun des corps (1.1, 1.2). 5. Roue selon la revendication 3, dans laquelle le pétale (7) en position affleurante prend appui sur le bord circulaire (5.2) du deuxième corps (1.2). 6. Roue selon la revendication 3, dans laquelle l'arbre (6) a sa portion d'extrémité reliée à l'arbre support (2) conformée pour amener l'élément de continuité (7) de sa position affleurante à sa position escamotée et l'élément de continuité (7) est relié, au corps auquel il est articulé, par un élément (8) de rappel élastique en position affleurante. 7. Roue selon la revendication 3, dans laquellele pétale (7) a une forme sensiblement trapézoïdale ayant une grande base et le pétale est articulé par sa grande base au corps (1). 8. Roue selon la revendication 1, dans laquelle l'élément de continuité est un galet (17) monté dans l'espace intercalaire (3) pour pivoter autour d'un axe parallèle à l'axe support (2) en ayant une surface externe affleurant la surface externe des corps (1). 9. Roue selon la revendication 8, dans laquelle le galet (17) est monté dans une chape qui s'étend dans l'espace intercalaire (3) et qui est liée en rotation avec l'arbre (6). 10. Roue selon la revendication 1, comprenant des galets (10) montés à chaque extrémité de l'axe support (2) pour affleurer la surface externe des corps, les ga- lets étant montés pour pivoter autour d'un axe orthogonal à l'axe support (2) et à l'arbre (6). 11. Véhicule comportant un châssis porté par des roues conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.