Brevet FR3031060A1 — publié le 20160701

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des amplificateurs d'effort, et plus particulièrement des am- plificateurs d'effort portatifs appliqués aux opérations sur chantiers de bâtiment et/ou de génie civil. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il est connu des dispositifs d'amplification d'effort comprenant un châssis horizontal fixé à une pa- roi d'un bâtiment et qui porte un bras s'étendant selon une direction verticale. L'extrémité inférieure du bras comporte une interface d'accueil d'un outil tel qu'une perceuse, une visseuse ou une riveteuse. L'utilisateur manipule le dispositif en agissant sur un organe de com- mande pourvu d'un capteur d'effort vertical. Lorsque le dispositif d'amplification d'effort détecte un effort de commande vertical sur le capteur, il commande alors un actionneur (généralement un vérin) de manière à appliquer sur l'outil une force verticale proportionnelle à l'effort appliqué sur l'organe de commande. La réalisation d'ouvrages de génie civil tels que les radiers, les routes ou encore les dalles de bâtiment requièrent fréquemment de « tirer » un produit (béton, bitume, à l'aide d'un râteau afin d'en égaliser la surface. De tels mouvements sollicitent le dos et les bras des opérateurs et sont source de nombreux trauma- tismes et accidents de travail. La direction variable de l'effort (l'inclinaison du râteau par rapport au sol évolue au fur et à mesure de son mouvement) ne permet pas d'adapter les amplificateurs d'efforts mono axiaux connus à une telle application. Il n'existe alors aucun dispositif permettant de suppléer au moins partiellement à l'effort à exercer sur un râteau et permettant un déplacement rapide de l'utilisateur au fur et à mesure de la tâche de ratis- 3031060 2 sage. Enfin, l'ensemble des amplificateurs d'efforts connus renferment des mécanismes délicats (organe de commande, actionneurs) qui ne sont pas adaptés aux conditions particulièrement difficiles des interventions sur 5 chantier de construction. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour but de réduire les efforts à fournir par un opérateur lors des opérations de ratissage 10 sur chantier tout en conservant une mobilité satisfai- sante de l'opérateur au cours de ces opérations. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit un dispositif portatif 15 d'amplification d'un effort axial appliqué à un outil comprenant : - des moyens de liaison du dispositif à un utilisateur ; - des moyens de guidage en translation de 20 l'outil selon un axe longitudinal; -des moyens d'actionnement de l'outil selon l'axe longitudinal comprenant un tambour pourvu d'une motorisation et un câble solidaire de l'outil et réalisant au moins une spire autour du tambour; 25 - des moyens de commande des moyens d'actionnement pour appliquer à l'outil un effort d'assistance en réponse à un effort d'actionnement donné par l'utilisateur via un organe de commande ; dans lequel les moyens de liaison à l'utilisateur 30 et les moyens de guidage en translation de l'outil auto- risent la libre rotation de l'outil autour de l'axe longitudinal et autour d'au moins un axe s'étendant dans un plan normal à l'axe longitudinal. 3031060 3 Ainsi, le dispositif permet d'assister la manoeuvre d'un outil comme un râteau, en traction et en poussée, tout en conservant les degrés de liberté nécessaire à l'accomplissement des tâches de ratissage. La mo- 5 torisation à l'aide d'un tambour entrainant un câble est robuste, simple, légère et économique tout en garantissant une transmission d'effort fidèle. L'invention s'applique également à un exosque- lette inférieur pourvu d'un dispositif d'amplification 10 d'effort selon 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. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles : -la figure 1 est une représentation schématique 20 en perspective d'un premier mode de réalisation de dispo- sitif d'amplification selon l'invention ; -la figure 2 est une vue de détail schématique d'un capteur d'effort du dispositif d'amplification de la figure 1 ; 25 -la figure 3 est une représentation schématique partielle en perspective d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ; -la figure 4 est une vue schématique en plan du dispositif de la figure 3 ; 30 - la figure 5 est une représentation schématique en plan d'un troisième mode de réalisation du dispositif d'amplification de l'invention ; -la figure 6 est une vue de détail du dispositif de la figure 5; 3031060 4 -la figure 7 est une représentation schématique en perspective du dispositif de la figure 5 ; -la figure 8 est une représentation schématique en perspective d'un quatrième mode de réalisation de 5 l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures 1 et 2, le dispositif amplificateur, généralement désigné 1, est monté sur une 10 ceinture 100 destinée à être portée par l'utilisateur et comprend : - une gouttière 2 demi cylindrique de guidage en translation selon un axe longitudinal X du manche 3 d'un râteau 4 ; 15 - un tambour 5 entrainé en rotation par un moteur 6 autour d'un axe Z, ici horizontal ; - un câble 7 réalisant trois spires 8 autour du tambour 5 et dont les deux extrémités 7.1 et 7.2 sont reliées au manche 3 du râteau 4 ; 20 - un manchon 9 cylindrique de commande s'étendant autour de la gouttière 2 et du manche 3 qui y repose. Le manchon 9 est relié à un capteur d'effort 10 mesurant l'effort longitudinal appliqué selon l'axe X sur le manchon 9. Le capteur d'effort 10 transmet à une unité 25 de traitement 11 un signal électrique proportionnel à l'effort mesuré et à sa direction via un câble 12 s'enroulant sur une poulie folle 13 montée sur le tambour 5. Comme visible en figure 1, l'axe longitudinal X s'étend sensiblement perpendiculairement à l'axe Z de ro- 30 tation du tambour 5. L'effort d'assistance en translation du manche 3 du râteau 4 selon l'axe X peut alors être commandé par l'application d'un couple sur le moteur 6 déclenché par un déplacement du manchon 9 de commande. Le déplacement 35 du manchon 9 de commande étant proportionnel à l'effort 3031060 de commande exercé axialement sur celui-ci, l'effort d'assistance exercé sur le manche 3 du râteau 4 est donc fonction de l'effort de commande. Selon que le manchon 9 est tiré depuis l'extrémité de l'outil vers le tambour (flèche 14 sur la figure 1) ou que le manchon 9 est poussé (flèche 15 sur la figure 1), l'effort du moteur sur le râteau 4 est une poussée (rotation du tambour 5 dans le sens 16) ou une traction (rotation du tambour 5 dans le sens 17). 10 Le râteau 4 demeure aisément manipulable car les degrés de liberté suivants sont laissés libres dans des amplitudes compatibles avec les tâches à effectuer, sensiblement égales à [-45° ; +45°] 15 - rotation du râteau 4 autour de l'axe longitudi- nal X (représentée par la flèche 18 sur la figure 1); - rotation de la gouttière 2 et donc du râteau 4 autour de l'axe Z de rotation du tambour 20 5 (représentée par la flèche 19 sur la figure 1); - rotation de la gouttière 2 et donc du râteau 4 autour d'un axe Y perpendiculaire à un plan P tangent au tambour 5 en son point de contact 25 avec la gouttière 2 (représentée par la flèche 20 sur la figure 1). Les axes Y et Z sont perpendiculaires entre eux et s'étendent dans un plan normal à l'axe longitudinal X. La gouttière 2 pourra être, avantageusement, re- 30 vêtue d'un revêtement en téflon facilitant le glissement du manche 3 du râteau 4. En fonctionnement, l'utilisateur revêt la ceinture 100 de manière à ce que le tambour 5 soit situé à 35 3031060 6 manchon 9 d'une main, l'autre main pouvant ou non saisir la gouttière 2. La main tenant le manchon 9 ainsi que, le cas échéant, l'autre main exerce des efforts de guidage dans le plan normal à l'axe X. Lorsqu'il souhaite dépla- 5 cer le râteau 4 selon l'axe longitudinal X, l'utilisateur exerce un ordre de commande sous la forme d'un effort 21 appliqué sur le manchon 9. L'unité de traitement 11 détecte le sens et l'intensité de l'effort de commande 21 appliqué sur le manchon 9 et commande alors le moteur 6 10 afin d'appliquer un couple de travail 22 au tambour 5. Le sens et l'intensité du couple de travail 22 est fonction du sens et de l'intensité de l'effort 21 exercé sur le manchon 9. L'opérateur reste maître de la position du râteau 4 selon l'axe X, comme dans toutes les autres direc- 15 tions, car le tambour exerce un effort glissant donc non assujetti à une position ou une trajectoire donnée. En référence à la figure 2, un mode de réalisa- tion particulier du capteur d'effort 10 va être détaillé. Le capteur 10 comprend un index 30 parallélépipédique so- 20 lidaire du manchon 9 et monté à coulissement par rapport à la gouttière 2. L'index 30 coulisse sur une piste résistive 31 solidaire de la gouttière 2 et dont une extrémité est reliée à un premier fil 12.1 du câble 12. Un deuxième fil 12.2 du câble 12 est lié à un stylet 32 so- 25 lidaire de l'index 30 et dont une extrémité vient en con- tact avec la piste 31. L'index 30 est relié par un premier ressort 33 à un point 34 de la gouttière 2 situé à proximité d'une première extrémité 9.1 du manchon 9. L'index 30 est également relié par un deuxième ressort 35 30 à un deuxième point 36 de la gouttière 2 situé à proximi- té d'une deuxième extrémité 9.2 du manchon 9. Lorsque l'utilisateur tire ou pousse sur le man- chon 9, il fait varier la longueur de piste résistive 31 s'étendant entre le stylet 32 relié au câble 12.1 et 35 l'extrémité de la piste résistive 31 reliée au fil 12.1. 3031060 7 La résistance mesurée entre les fils 12.1 et 12.2 permet de déterminer simplement la valeur et le sens du déplacement du manchon 9. Les raideurs K33 et K35 respectives des ressorts 33 et 35 permettent alors de déduire l'intensité 5 de l'effort exercée sur le manchon 9. Ce capteur d'effort 10 s'avère particulièrement robuste et peu sensible aux conditions d'humidité, de poussière et de chocs rencontrées sur les chantiers de construction. 10 Un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3 et 4. Dans ce mode de réalisation, le manche 3 du râteau 4 est maintenu dans la gouttière 2 par un diabolo 40. Comme visible en figure 4, le diabolo 40 est 15 monté à rotation sur un arbre 41 parallèle à l'axe de ro- tation Z du tambour 5. L'arbre 41 est monté coulissant en ses deux extrémités 42 et 43 respectivement sur deux tiges 44 et 45. Les extrémités 46 et 47 respectives des tiges 44 et 45 sont montées à rotation autour de l'axe Z 20 de rotation du tambour 5 sur des paliers 56 et 57. L'arbre 41 comprend deux butées sur lesquelles s'appuient des ressorts 48 et 49 ramenant le diabolo 40 vers une position centrale. Ces ressorts 48 et 49 autorisent également une translation du diabolo 40 dans la direction de 25 l'axe Z, notamment pour accompagner l'enroulement et le déroulement des spires 8 sur le tambour 5. Des ressorts 50 et 51 respectivement en appui sur les extrémités 52 et 53 des tiges 44 et 45 opposées aux extrémités 46 et 47 maintiennent le diabolo 40 au contact du manche 3. Les 30 paliers 54 et 55 du tambour 5 ainsi que les paliers 56 et 57 des tiges 44 et 45 sont solidaires d'un support 58 monté à rotation autour d'une branche 60 sensiblement verticale d'un parallélogramme deformable 61 d'équilibrage à ressort. La branche 62 du parallélogramme 35 61 parallèle à la branche 60 est montée à rotation autour 3031060 8 d'un axe sensiblement vertical solidaire de la ceinture 100. L'équilibrage du parallélogramme 61 est réalisé à l'aide d'un ressort 63 s'étendant entre deux coins opposés 64 et 65 du parallélogramme 61. 5 Lorsqu'il revêt la ceinture 100, l'utilisateur peut librement régler la hauteur du dispositif amplificateur 1, tout en conservant les degrés de liberté suivants : 10 - rotation du manche 3 du râteau 4 autour de l'axe longitudinal X ; - rotation de la gouttière 2 et donc du râteau 4 autour de l'axe Z de rotation du tambour 5 ; - rotation de la structure 58 autour de la 15 branche 60 verticale du parallélogramme 61. Les figures 5 à 7 représentent un mode de réalisation dans lequel le diabolo 40 est remplacé par un boggie 70 comprenant deux diabolos 40, assurant un guidage amélioré 20 du manche 3 dans la gouttière 2. Dans ce mode de réalisa- tion, la branche 62 du parallélogramme 61 est montée à rotation autour d'un axe sensiblement vertical solidaire d'une plaque dorsale 110 d'un harnais 111. L'utilisation du harnais 111 permet une meilleure répartition des ef- 25 forts sur l'utilisateur, notamment les efforts verticaux et les couples. En référence à la figure 8, le dispositif d'amplification 1 est intégré à un exosquelette inférieur 80. 30 L'exosquelette inférieur 80 comprend deux membres infé- rieurs 81 et 82 s'étendant respectivement dans un plan parallèle à la jambe droite 110 et un plan parallèle à la jambe gauche 111 de l'utilisateur. Le membre inférieur 81 est articulé sur un segment de hanche 83 et comprend un 35 segment de cuisse 84 articulé sur un segment de tibia 85 3031060 9 à l'extrémité duquel est articulé un pied 86 sur lequel est fixé le pied 112 de l'utilisateur. Les articulations entre les segments de hanche 83, le segment de cuisse 84 et le segment de tibia 85 sont motorisées et commandées 5 par une unité de traitement 87 de l'exosquelette infé- rieur 80. Le segment inférieur 82 comprend de manière homologue un segment de cuisse 88 articulé d'une part sur le segment de hanche 83 et d'autre part sur un segment de tibia 89 à l'extrémité duquel est articulé un pied 90 sur 10 lequel est fixé le pied 113 de l'utilisateur. Dans le mode de réalisation représenté en figure 6, le manchon 9 reçoit une poignée 9.3 permettant à l'utilisateur de ne pas avoir à se pencher pour actionner le manchon 9. L'unité de traitement 87 pilote les motorisations des ar- 15 ticulations de l'exosquelette inférieur 80 en fonction des mouvements des jambes 110 et 111 de l'utilisateur et des informations reçues par l'unité de traitement 11 du dispositif d'amplification 1. Ainsi, l'unité de traitement 87 peut ordonner un blocage - ou l'application 20 d'efforts d'équilibrage calculés par l'unité de traite- ment 87 - d'un seul ou des deux membres inférieurs 81 et 82 lors de l'actionnement du râteau 3 afin de soulager les sollicitations sur les jambes et le dos de l'utilisateur. 25 Le terme câble désigne ici un composant flexible de section pleine ou tubulaire de forme circulaire, plate ou autre, pouvant être composés de sous éléments articulés entre eux, comme par exemple une chaîne ou une courroie. 30 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. 35 En particulier, 3031060 10 -bien qu'ici le dispositif d'amplification soit monté sur une ceinture ou un harnais comprenant une plaque dorsale, l'invention s'applique à d'autres moyens de liaison à un utilisateur, comme par exemple un harnais 5 dépourvu de plaque dorsale, des bretelles ou éventuelle- ment une seconde poignée solidaire de la gouttière ; -bien qu'ici le râteau soit guidé en translation par une gouttière semi cylindrique, l'invention s'applique également à d'autres moyens de guidage en 10 translation comme par exemple plusieurs douilles de glis- sement coaxiales, un ou plusieurs tétons dans une glissière ou une gouttière de forme triangulaire ou quelconque ; -bien qu'ici la translation du manche du râteau 15 relativement à la gouttière soit assurée par friction sur un revêtement à faible coefficient de frottement, l'invention s'applique également à d'autres moyens de coulissement comme par exemple des galets ou des rouleaux solidaires de l'un ou l'autre du manche et de la gout- 20 tière ; -bien qu'ici le dispositif ait été décrit en rapport avec l'actionnement d'un râteau, l'invention s'applique également à d'autres types d'outils comme par exemple un grattoir, un rouleau ou une taloche ; 25 -bien qu'ici, l'axe d'entrainement du tambour soit horizontal, l'invention s'applique également à des moyens d'actionnement comprenant un tambour dont l'axe est orienté différemment comme par exemple un axe vertical ou orienté selon une direction quelconque ; 30 -bien qu'ici le câble réalise trois spires autour du tambour, l'invention s'applique également à un nombre différents de spires comme par exemple une seule spire, deux ou plus de trois ; -bien qu'ici la commande des moyens 35 d'actionnement soit exercée par l'utilisateur sur un man- 3031060 11 chop, l'invention s'applique également à d'autres types d'organes de commande comme par exemple une poignée, un bouton rotatif ou un joystick ; -bien qu'ici le capteur d'effort soit de type ré- 5 sistif, l'invention s'applique également à d'autres moyens de détection et/ou de mesure d'un effort appliqué à une commande comme par exemple une jauge de déformation, un capteur optique face à une piste segmentée, une câble lié à un codeur rotatif incrémentai. Le capteur 10 peut transmettre l'information par voie filaire ou sans fil comme par exemple selon un protocole wifi ou Bluetooth ; -bien qu'ici l'index du capteur d'effort soit ramené en position à l'aide de ressorts, l'invention 15 s'applique également à d'autres types de moyens élas- tiques comme par exemple des blocs élastomères, des rondelles Belleville, un ou plusieurs vérins à gaz ; -bien qu'ici la commande de la motorisation du tambour soit effectuée par une unité de traitement, 20 l'invention s'applique également à d'autres moyens de commande comme par exemple une vanne hydraulique ou pneumatique trois voies ou un variateur électrique. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) portatif d'amplification d'un effort axial appliqué à un outil comprenant : - des moyens de liaison (100) du dispositif à un utilisateur ; - des moyens de guidage en translation (2) de l'outil (4) selon un axe longitudinal (X); -des moyens d'actionnement de l'outil selon l'axe longitudinal (X) comprenant un tambour (5) pourvu d'une motorisation (6) et un câble (7) solidaire de l'outil (4) et réalisant au moins une spire (8) autour du tambour (5) ; des moyens de commande des moyens 15 d'actionnement pour appliquer à l'outil un effort d'assistance en réponse à un effort d'actionnement donné par l'utilisateur via un organe de commande ; dans lequel les moyens de liaison (100) à l'utilisateur et les moyens de guidage en translation (2) 20 de l'outil (4) autorisent la libre rotation de l'outil (4) autour de l'axe longitudinal (X) et autour d'au moins un axe (Z, Y) s'étendant dans un plan (P) normal à l'axe longitudinal (X). 25 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans l'organe de commande est pourvu des moyens de mesure d'un effort longitudinal. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans le- 30 quel les moyens de liaison (100) du dispositif à l'utilisateur et les moyens de guidage en translation (2) autorisent la libre rotation de l'outil autour de deux axes perpendiculaires (Z, Y) s'étendant dans un plan (P) normal à l'axe longitudinal (X). 35 3031060 13 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'un des axes (Y, Z) de libre rotation de l'outil (4) est sensiblement vertical. 5 5. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel l'organe de commande (9) comprend un capteur (10) de déplacement d'un index (30) ramené en position par au moins un élément élastique (33, 35). 10 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de commande (9) est relié aux moyens de commande (11) par une liaison sans fil. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel les moyens de guidage en translation (2) de l'outil (4) comprennent au moins un diabolo (40). 8. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel au moins une extrémité (7.1, 7.2) du câble (7) est reliée à l'outil (4). 9. Dispositif selon la revendication 1, dans le- quel les moyens de liaison (100) à l'utilisateur compre- nant des moyens d'adaptation (61) de la hauteur de l'outil (4). 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les moyens de liaison à l'utilisateur (100) com- prennent un parallélogramme (61) d'équilibrage. 11. Exosquelette inférieur (80) comprenant un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 3031060 14 12. Exosquelette inférieur (80) selon la revendication 11, comprenant au moins un membre inférieur (81, 82) articulé et dans lequel l'unité de traitement (87) 5 est agencée pour pouvoir commander un blocage d'au moins une articulation du membre inférieur (81, 82). 13. Exosquelette inférieur (80) selon la revendication 11, comprenant au moins un membre inférieur (81, 10 82) articulé et dans lequel l'unité de traitement (87) est agencée pour pouvoir commander l'application d'un couple d'équilibrage sur une articulation du membre inférieur (81, 82). 15 20