Brevet FR2981420A1 — publié le 20130419

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'antirotation d'un élément entraîné par un système d'entraînement linéaire autour d'un axe longitudinal d'entraînement. L'invention a également pour objet un vérin à vis et un vérin à câble comportant un tel dispositif. Etat de la technique On connaît divers systèmes d'actionneurs linéaires à câbles. Les systèmes de type treuil sont constitués d'un tambour autour duquel vient s'enrouler un câble. Les systèmes à mouflage comprennent fréquemment un tambour motorisé qui, en agissant sur un moufle, réalise sur le câble de sortie du système, une démultiplication de l'effort de traction appliqué par le tambour. Enfin, les vérins à câble sont constitués d'un système d'entraînement d'une boucle de câble tendue entre deux poulies. L'objet auquel on souhaite communiquer le mouvement linéaire est fixé au câble entraîné ou à une autre boucle de câble mue par des poulies solidaires de celles supportant le câble entraîné. Le système de vérin à câble offre une bonne fidélité en effort, cela correspond à son aptitude à réaliser un mouvement donné dans un sens ou dans un autre en requièrant la même énergie quel que soit le sens du mouvement. Les vérins à câbles permettent également de disposer d'un moteur dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe du câble entraîné. Ainsi, ce système réalise un renvoi d'angle performant au niveau énergétique (peu de pertes par frottement) et qui justifie son utilisation privilégiée en robotique notamment pour la réalisation des articulations de bras mécaniques. Pour les applications dans lesquelles on souhaite économiser du poids, obtenir un retour de force précis ou éviter d'introduire des fluides, le vérin à câble est privilégié. Ce type de vérin est notamment utilisé pour des applications telles que la télé-opération, les orthèses ou les exosquelette. Les vérins à câbles fonctionnent par entraînement longitudinal d'un élément solidaire d'un câble. L'entraînement est habituellement réalisé par un système vis-écrou. Un moteur est relié à l'écrou coopérant avec la vis qui constitue l'élément mené du système. L'axe d'entraînement de cette vis définit l'axe longitudinal du système. Une noix de guidage porte des moyens d'anti- rotation selon l'axe longitudinal de sorte que la rotation de l'écrou provoque une translation de la vis. Pour des raisons de compacité, la vis menée est généralement une vis creuse à l'intérieur de laquelle passe le câble entraîné. Afin de supprimer les vibrations internes au système, qui génèrent des frottements parasites et des mouvements de flexion sur la vis, un guidage linéaire selon l'axe longitudinal est assuré par la noix de guidage qui la guide. La liaison entre la noix de guidage et la vis est effectuée par un organe d'accouplement. Ainsi la noix de guidage assure une liaison glissière suivant l'axe longitudinal d'entraînement. Les rotations suivant des axes perpendiculaires à l'axe longitudinale et perpendiculaires entre eux ainsi que les translations suivant ces mêmes axes doivent être autorisées par le système 25 de guidage afin de ne pas être génératrices de vibrations. Les fonctions d'accouplement de la vis à la noix de guidage, de guidage en translation et d'anti-rotation sont fréquemment regroupées au sein d'un même ensemble cinématique désigné sous le terme « chariot ». Le chariot comporte 30 un bâti auquel sont raccordés les divers éléments Les so- lutions connues de guidage mettent généralement en oeuvre des systèmes de galets roulants destinés à guider longitudinalement la noix de guidage dans un bâti solidaire du système vis-écrou. Les galets coopèrent avec des rainures 35 longitudinales réalisées dans le bâti et qui s'étendent de part et d'autre de l'axe d'entraînement de la vis. Ces rai- nures assurent à la fois une fonction de guidage en translation suivant l'axe longitudinal et une fonction d'antirotation selon l'axe longitudinal. Elles laissent également au chariot une liberté en translation selon un axe perpen5 diculaire au plan des rainures de guidage. On obtient alors un guidage linéaire bloquant une rotation de la vis selon son axe longitudinal, guidant la vis suivant l'axe longitudinal et autorisant un déplacement selon un axe perpendiculaire au plan des rainures de guidage. Le chariot comprend 10 également un organe d'accouplement reliant la vis d'entraînement à la noix de guidage. L'accouplement peut être du type « Oldham » ou « à soufflet ». Afin de limi- ter les vibrations au sein du système, il est important de laisser libre les déplacements de la vis relativement au 15 chariot suivant un axe parallèle au plan des rainures de guidage et perpendiculaire à l'axe longitudinal. Une solution connue consiste à lier l'organe d'accouplement au bâti chariot par une liaison autorisant cette translation. Pour sa réalisation pratique, cette solution met en oeuvre deux 20 arbres concourants à l'axe longitudinal et implantés de part et d'autre de l'organe d'accouplement. Les exigences de miniaturisation et d'encombrement des mécanismes interdisent l'utilisation de deux ensembles usinés standards, du type arbre cannelé par exemple, autorisant une translation 25 et bloquant une rotation. Les réalisations connues mettent alors en oeuvre des arbres courts et lisses difficiles à aligner et donc pourvus de jeu de fonctionnement importants afin de permettre un coulissement satisfaisant. Ce faisant, la rotation de l'accouplement autour d'un axe parallèle au 30 plan des rainures de guidage et perpendiculaire à l'axe longitudinal n'est pas bloquée. De plus, ces systèmes sont volumineux et les jeux de fonctionnement nécessaires introduisent des vibrations parasites importantes en regard de la précision attendue pour les applications d'exosquelette, 35 d'orthèse ou de télé opération par exemple. Une autre solution consiste à articuler le bâti portant les rainures de guidage autour d'un axe perpendiculaire à l'axe d'entraînement. Cette solution ne permet cependant pas de réduire l'encombrement global du mécanisme, et crée une importante masse oscillante susceptible de générer des vibra- tions, des résonances et du bruit. Ainsi, les solutions connues impliquent des mécanismes avec des masses mobiles importantes ou des jeux de fonctionnements incompatibles avec les applications pour lesquelles une précision fine est recherchée. De plus, la fonction de coulissement de la noix de guidage par rapport au bâti est assurée par des pièces non standardisées qui pèsent sur les coûts de fabrication. Objet de l'invention Un but de l'invention est d'améliorer le fonctionne-15 ment de la noix de guidage et de réduire l'encombrement par rapport aux solutions connues. Exposé de l'invention A cet effet, on prévoit, un dispositif d'antirotation pour empêcher la rotation autour d'un axe longitu20 dinal d'un élément entraîné tout en laissant libre la translation selon cet axe, le dispositif comprenant : - une noix (7) guidée par un guidage plan selon un plan longitudinal parallèle à l'axe longitudinal de la vis par des moyens de guidage qui bloquent une rotation de la 25 noix de guidage autour de l'axe longitudinal et laissent libre une rotation de la noix de guidage autour de deux axes perpendiculaires à l'axe longitudinal et perpendiculaires entre eux ; - un organe d'accouplement à une extrémité de 30 l'élément entraîné, l'organe d'accouplement étant relié à la noix de guidage par des moyens de liaison qui autorisent une liaison à coulissement selon un axe de coulissement sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal. Dans un tel dispositif, on prévoit que l'axe de cou-35 lissement entre l'organe d'accouplement et la noix de guidage soit non concourant avec l'axe longitudinal. Cette solution permet de réaliser la liaison à coulissement entre la noix de guidage et l'accouplement par un arbre monobloc autorisant la mise en oeuvre de solutions standardisées plus économiques et résultant en des jeux de fonctionnement plus faibles. Cette solution permet également d'introduire une liaison qui bloque la rotation de l'accouplement autour d'un axe parallèle au plan des rainures de guidage et perpendiculaire à l'axe longitudinal Cette liaison pourra avantageusement être réalisée par un arbre cannelé à recirculation de billes encastré en ses deux extrémités au châssis de la noix de guidage. En effet, ce type d'arbre standardisé autorise des jeux de fonctionnement faibles. De plus, en supprimant la liberté en rotation, on évite le risque de braquage intempestif de la noix et les contacts aléatoires indésirables entre pièces. Un vérin à vis comportant ce dispositif verra les vibrations de la vis menée réduites, le coût de réalisation amélioré et son encombrement réduit. Les mêmes avantages s'appliquent au vérin à câble construit à partir de ce vé- rin à vis. 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. Brève description des figures Il sera fait référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue partielle en perspective d'un vérin à câble comportant un dispositif d'anti-rotation 30 conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma cinématique correspondant au mode de réalisation de la figure 1 ; -les figures 3 à 6 représentent les schémas cinématiques d'une coupe transversale du dispositif d'anti-rotation 35 conforme à l'invention selon différents modes de réalisation possibles. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation de l'invention En référence à la figure 1, le dispositif d'anti5 rotation conforme à l'invention est incorporé à un vérin à câble 1000. Celui-ci comprend un moteur 1 entraînant une courroie crantée 2 qui met en rotation un écrou menant 3. Le moteur 1 et l'écrou menant 3 sont montés sur un bâti 100. L'écrou menant 3 coopère avec une vis creuse 4 au tra10 vers de laquelle passe un câble 11 fixé à la vis creuse 4. Celle-ci s'étend, ici, selon un axe longitudinal d'entraînement Ox. Elle est bloquée en rotation autour de cet axe par un dispositif d'anti-rotation 200 constitué d'une noix de guidage 7 de forme sensiblement carrée pour- 15 vue d'une paire de galets 8 localisés de part et d'autre de la noix de guidage 7 et roulant dans deux rainures de guidage oblongues 9. Les rainures oblongues 9 sont réalisées dans les ailes d'une platine 101, ici en forme de U. La platine 101 est rigidement fixée au bâti 100 parallèlement 20 à l'axe longitudinal Ox. La noix de guidage 7 comprend un organe d'accouplement 6 à la vis creuse 4, ledit organe d'accouplement étant lié à coulissement selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal Ox et parallèle au plan des rainures de guidage par une douille 12 coulissant le 25 long d'un arbre 5 . Selon un mode de réalisation préféren- tiel de l'invention, l'arbre 5 est un arbre cannelé à recirculation de billes. Ainsi, une rotation du moteur 1 entraîne en rotation l'écrou menant 3, via la courroie crantée 2, et provoque la 30 translation de la vis creuse 4 suivant l'axe longitudinal Ox car sa rotation selon ce même axe est bloquée par le dispositif d'anti-rotation 200. Le mouvement du câble 11 solidaire de la vis creuse 4 est exploité pour déplacer finement l'objet auquel on souhaite transmettre un mouvement. 35 En référence à la figure 2, on revient plus en détail sur le fonctionnement du dispositif d'anti-rotation 200. Dans ce mode de réalisation particulier, les galets 8 sont situés de part et d'autre de la noix de guidage 7 et roulent dans des rainures de guidage 9. Ces rainures assurent une fonction d'anti-rotation autour de l'axe Ox. Le guidage ainsi réalisé est un guidage plan, les contacts entre les galets de guidage 8 et leurs rainures 9 autorisant des déplacements selon une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal Ox et parallèle aux axes de rotation des galets 8. Le plan de guidage selon lequel est effectué le guidage plan de la noix est donc parallèle à l'axe longitudinal de la vis. Le coulissement relatif des galets dans leur rainures laisse libre un degré liberté en rotation suivant un axe Oy perpendiculaire à l'axe longitudinal Ox et parallèle au plan des rainures de guidage 9 ainsi qu'un déplacement de la noix de guidage selon une direction perpendiculaire au plan des rainures de guidage 9. L'arbre cannelé à recirculation de billes 5 est rigidement lié à la noix de guidage 7 et réalise une liaison coulissante suivant la direction Oy entre la noix de gui- dage 7 et l'organe d'accouplement 6 solidaire de la douille 12 coulissant le long de l'arbre 5. Celui-ci est localisé à proximité de l'organe d'accouplement 6 de manière à ce que son axe de coulissement Oy soit non concourant avec l'axe longitudinal Ox. Les cannelures de l'arbre 5 bloquent la rotation de l'organe d'accouplement 6 (et donc de la vis creuse 4 dont il est solidaire) autour de l'axe Oy relativement au bâti 101. La liaison à glissement est alors une liaison glissière. La suppression de ce degré de liberté redondant permet d'éviter le risque de braquage intempestif de la noix et les contacts aléatoires indésirables entre pièces. L'utilisation d'un arbre cannelé à recirculation de billes 5, dont le faible jeu de fonctionnement, voire l'absence de jeu en cas de précharge du mécanisme, est connu, améliore la précision de l'ensemble du dispositif d'anti-rotation 200 et du vérin 1000 qu'il équipe. La pos- sibilité de mettre en oeuvre un élément de coulissement en une seule pièce élimine les problèmes d'alignement de l'art antérieur. Les arbres cannelés à recirculation de billes sont des pièces manufacturées standards. Le remplacement de pièces usinées sur mesure par de telles pièces manufacturées dans la fabrication de vérins à câble 1000 permet de réduire les coûts de production de ces derniers tout en en améliorant la qualité. Les éléments identiques ou analogues à ceux précédem10 ment décrits porteront une référence identique à ceux-ci dans la description qui suit des 4 autres modes de réalisation. Dans un autre mode de réalisation du dispositif d'anti-rotation 200 décrit en figure 3, la liaison à cou- 15 lissement est une liaison pivot glissant assurée, par exemple, par un arbre lisse 50 coopérant avec deux douilles 51 et 52 solidaires de la noix de guidage. Cette liaison autorise une rotation selon l'axe Oy et correspond donc à une liaison à coulissement de type pivot glissant. Les autres 20 fonctions du dispositif d'anti-rotation 200 sont assurées selon des moyens identiques à ceux du mode de réalisation précédent décrit en rapport avec les figures 1 et 2. Ce second mode de réalisation permet de réduire les jeux de fonctionnement par l'utilisation d'un unique arbre 50 pour 25 assurer la liaison à coulissement -sous forme d'une liaison pivot glissant- de l'accouplement 4 relativement au châssis 100. Cet arbre 50 est bien moins onéreux qu'un arbre à recirculation de billes de gabarit identique et permet de proposer un produit de coût réduit lorsque les effets de la 30 subsistance d'une rotation selon l'axe Oy sont peu impactants. Dans un troisième mode de réalisation décrit en figure 4, la liaison à coulissement est, comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, une liaison glis- 35 sière n'autorisant pas de rotation selon Oy. Alors que le premier mode de réalisation réalisait cette liaison par le coulissement d'une douille 12 solidaire de l'accouplement 6 et montée mobile sur un arbre 5, le présent mode de réalisation réalise la même liaison glissière par le coulissement d'un arbre 53 dans deux douilles 54 et 55, tout en en empêchant la rotation. Les autres fonctions du dispositif d'anti-rotation 200 sont assurées selon des moyens identiques à ceux du premier mode de réalisation décrit en rapport avec les figures 1 et 2. Un liaison comme celle représentée sur le schéma cinématique de la figure 4 peut être réalisée par un arbre 53 muni d'une rainure coopérant avec un doigt solidaire des douilles 54 et 55. Ce mode de réalisation offre des solutions économiques dans le cas de câbles de fort diamètre car les parties à usiner sont alors limitées à deux zones de longueur égale au débattement maximal de la vis plutôt qu'à la longueur complète de l'arbre 53. Dans un quatrième mode de réalisation décrit en figure 5, les fonctions de guidage longitudinal et d'antirotation de la noix de guidage 7 sont assurés par deux ga- lets 8 roulants dans des rainures longitudinales 9 localisées toutes les deux sur un même côté de la noix de guidage 7. Les autres fonctions de la noix de guidage 7 sont assurées selon des moyens identiques à ceux du troisième mode de réalisation décrit en rapport avec la figure 4. La liai- son glissière est réalisée par le coulissement d'un arbre 53 dans deux douilles 54 et 55, tout en en empêchant la rotation. Ce mode de réalisation de la liaison glissière offre une solution économique pour l'entrainement des câbles de fort diamètre. Le positionnement des deux galets de guidage 8 dans des rainures de guidage 9 situées sur un même côté de la noix de guidage 7 permet de disposer d'encombrement moindre ou de pouvoir éloigner le câble soit des galets soit de l'élément auquel on cherche à transmettre le mouvement afin, par exemple d'éviter une contamination d'un des éléments par l'autre (graisse, poussières, copeaux, etc...) ou de faciliter le remplacement ou la maintenance d'un des mécanismes. Enfin, dans un cinquième mode de réalisation décrit en figure 6, les fonctions de guidage longitudinal et 5 d'anti-rotation de la noix de guidage 7 sont assurés par deux galets 8 roulants dans des rainures longitudinales 9 localisées toutes les deux sur un même côté de la noix de guidage 7. Les autres fonctions de la noix de guidage 7 sont assurées selon des moyens identiques à ceux du premier 10 mode de réalisation décrit en rapport avec la figure 2. Cette solution combine les avantages des premiers et troisième modes de réalisation et procure ainsi une compacite des moyens de guidage et d'anti-rotation ainsi que la mise en oeuvre d'un élément unique standardisé sous la forme de 15 l'ensemble arbre cannelé 5 et douille 12. 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. 20 En particulier, - bien que la transmission du mouvement du moteur 1 vers l'écrou menant 3 soit effectuée par une courroie crantée 2, l'invention s'applique également à d'autres moyens de transmission du mouvement tel que une transmission par 25 engrenage, par courroie lisse, un entraînement direct ; - bien que l'élément menant 4 soit ,ici, un écrou et l'élément mené 3 une vis, l'invention s'applique également à une cinématique inversée comportant une vis menante et un écrou mené ; 30 - bien que le vérin à vis soit, ici, couplé à un câ- ble 11, l'invention s'applique également à l'entraînement d'autres éléments tels que, par exemple, une tige rigide ou une came; - bien que le câble entraîné 11 soit, ici, lié à la 35 vis 4 en son milieu, l'invention s'applique à d'autres modes de fixation du câble 11 comme par exemple à l'une des extrémités de la vis 4 ; - bien qu'ici, la vis menée 4 soit creuse, l'invention s'applique également au cas d'une vis pleine ; - bien qu'ici, les axes de rotation des deux galets 8 5 soient parallèles entre eux et concourant à 1 axe longitudinal Ox, l'invention s'applique également à des axes de rotations des galets 8 quelconque ou non concourants avec l'axe longitudinal Ox comme par exemple des galets 8 placés dans des rainures 9 dont les plans sont orthogonaux ou se-10 lon toute autre orientation; - bien qu'ici les moyens de guidage et d'antirotation soient des galets de guidages 8, l'invention s'applique également à d'autres moyens de guidage et d'anti-rotation tels que, par exemple, des glissières ponc- 15 tuelles coulissant le long d'arbres parallèles à l'axe longitudinal Ox, des rouleaux roulants dans des rainures, des liaisons magnétiques; - bien qu'ici les moyens de guidage et d'antirotation soient réalisés par un moyen unique sous la forme 20 de galets de guidages 8 dans des rainures longitudinales 9, l'invention s'applique également des réalisations dans lesquelles les moyens de guidage et l'anti-rotation sont assurés par deux organes distincts tels que par exemple, un rail de guidage suivant l'axe longitudinal couplé avec un 25 appui plan ; - bien que les moyens de guidage et d'anti-rotation soient, ici, deux galets 8, l'invention s'applique également à un unique rouleau ou a une pluralité de galets. REVENDICATIONS1. Dispositif d'anti-rotation pour empêcher la rotation autour d'un axe longitudinal (0x) d'un élément entraîné (4) tout en laissant libre la translation selon cet axe, 5 le dispositif comprenant : - une noix (7) guidée par un guidage plan selon un plan longitudinal parallèle à l'axe longitudinal de la vis par des moyens de guidage (8) qui bloquent une rotation de la noix de guidage (7) autour de l'axe longitudinal et 10 laissent libre les rotations de la noix de guidage (7) autour de deux axes perpendiculaires à l'axe longitudinal et perpendiculaires entre eux ; - un organe d'accouplement (6) à une extrémité de l'élément entraîné (4), l'organe d'accouplement (6) étant 15 relié à la noix de guidage (7) par des moyens de liaison qui autorisent une liaison à coulissement (5) selon un axe de coulissement sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal ; caractérisé en ce que l'axe de coulissement (5) est 20 non concourant avec l'axe longitudinal. 2. Dispositif selon revendication 1, dans lequel les moyens de liaison autorisent une rotation selon l'axe de coulissement. 3. Dispositif selon revendication 1, dans lequel les 25 moyens de liaison comprennent un arbre cannelé à recirculation de billes (5). 4. Dispositif selon revendication 1, dans lequel les moyens de guidage (8) comprennent au moins un galet solidaire de la noix de guidage (7) et roulant dans une rainure 30 (9) . 5. Dispositif selon revendication 1, dans lequel les moyens de guidage comportent un chariot à galets (8) roulant chacun dans une rainure (9) associée, l'organe d'accouplement reliant le chariot à l'élément mené (4) par 35 une liaison glissière (5) d'axe orthogonal à l'axe des ga- lets (8). 6. Dispositif selon revendication 5, dans lequel les deux rainures (9) sont situées de part et d'autre du chariot à galets. 7. Dispositif selon revendication 5, dans lequel les 5 deux rainures (9) sont situées d'un même côté du chariot à galets. 8. Vérin à vis comprenant une vis (4) entraînée selon son axe longitudinal au moyen d'un écrou d'entraînement (3), la vis entraînée (4) étant associée à un dispositif 10 d'anti-rotation conforme à l'une des revendications précé- dentes. 9. Vérin à câble comprenant un vérin à vis selon la revendication 8, dont la vis entraînée (4) est solidaire du câble (11). 15 10. Vérin à câble selon la revendication 9, dans le- quel la vis entraînée (4) est une vis creuse, le câble (11) étant solidaire de la vis (4) et passant à travers celle- ci.