Brevet FR3076589A1 — publié le 20190712

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapporte au domaine des actionneurs plusieurs sorties d'actionnement, et plus particulièrement aux actionneurs à deux sorties d'actionnement. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un exosquelette ambulatoire comprend généralement deux jambes dont les articulations requièrent d'être actionnées pour assister totalement ou en partie les mouvements d'un utilisateur. Un tel exosquelette comprend classiquement une pluralité d'actionneurs comprenant cha- cun un moteur dédié à l'actionnement de chaque articulation. Chaque moteur requiert alors un variateur, une alimentation et des capteurs de fonctionnement dédiés. Ces équipements ont un coût et un poids qui sont un frein à la diffusion des exosquelettes. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de réduire le poids et/ou le coût d'un actionneur. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit un actionneur à deux sor- ties d'actionnement comprenant un carter portant un moteur fonctionnellement relié à un pignon d'entrée d'un différentiel à roues dentées, une première sortie du différentiel étant fonctionnellement reliée à une première sortie d'actionnement et une deuxième sortie du différen- tiel étant fonctionnellement reliée à une deuxième sortie d'actionnement à l'aide d'un dispositif d'inversion du sens de rotation l'actionneur comprenant une première butée limitant l'amplitude de la rotation de la première sortie d'actionnement et une deuxième butée limitant l'amplitude de la rotation de la deuxième sortie 2 d'actionnement de manière à ce qu'une rotation du moteur dans un premier sens de commande provoque un mouvement de la première sortie d'actionnement dans un premier sens d'actionnement, et de manière à ce qu'une rotation du mo- 5 teur dans un deuxième sens de commande opposé au premier sens de commande provoque, soit un mouvement de la deuxième sortie d'actionnement, soit un mouvement de la première sortie dans un deuxième sens d'actionnement opposé au premier sens d'actionnement. 10 On obtient ainsi un actionneur à deux sorties d'actionnement dont la force motrice est fournie par un unique moteur. Un tel actionneur est plus compact, plus léger et moins coûteux à produire que les actionneurs existants notamment en ce qu'il ne requiert qu'un seul 15 circuit de commande, un unique variateur, une seule ali- mentation et un seul ensemble de capteurs de fonctionnement. Lorsque la deuxième sortie coopère avec la deuxième butée, les moyens d'actionnement commandent le déplace- 20 ment dans les 2 sens de la première sortie d'actionnement, permettant ainsi de réaliser un asservissement en position, en vitesse et/ou en effort de la première sortie. Il existe une relation linéaire entre l'effort d'entrée et l'effort de sortie de l'actionneur, 25 ainsi qu'une relation duale linéaire entre la vitesse d'entrée et la vitesse de sortie de l'actionneur. De manière homologue, lorsque la première sortie coopère avec la première butée, les moyens d'actionnement commandent complètement le déplacement dans les 2 sens de la deu- 30 xième sortie d'actionnement, permettant ainsi de réaliser un asservissement en position, en vitesse et/ou en effort 3 de la deuxième sortie. Des relations linéaires entre les entrées et les sorties de l'actionneur existent également dans cette phase de fonctionnement. Avantageusement, l'actionneur comprend des premiers 5 moyens de rappel de la première sortie d'actionnement vers la première butée et/ou des deuxième moyens de rappel de la deuxième sortie d'actionnement vers la deuxième butée. L'actionneur est particulièrement fiable lorsque 10 les premiers moyens de rappel et/ou les deuxièmes moyens de rappel comprennent un ressort. Avantageusement, le différentiel est un différentiel du type à roues dentées coniques. Alternativement, le différentiel est un différentiel du type à train épi- 15 cycloïdal. L'invention a également pour objet un exosquelette comprenant un actionneur à deux sorties d'actionnement décrit ci-dessus. Avantageusement, la première sortie d'actionnement est fonctionnellement reliée à un premier 20 membre inférieur de l'exosquelette et la deuxième sortie d'actionnement étant fonctionnellement reliée à un deuxième membre inférieur de l'exosquelette. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réa- 25 lisation particuliers non limitatifs BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles : - les figures la et lb sont des vues schématiques 30 de profil d'un utilisateur portant un exosquelette selon l'invention ; 4 - la figure 2 est une vue schématique d'un actionneur selon l'invention ; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en fonctionnement de l'actionneur de la figure 2. 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures la et lb, l'exosquelette ambulatoire selon l'invention, généralement désigné 1, est porté par un utilisateur 100. L'exosquelette 1 comprend un segment de bassin 2 relié à l'utilisateur 100 10 par des sangles 3 et sur lequel sont articulés un premier membre inférieur gauche 10 et un deuxième membre inférieur droit 20. Le membre inférieur gauche 10 comprend un segment de cuisse 11 articulé sur un segment de jambe 12. Le membre inférieur gauche 10 comprend un segment de pied 15 13 qui est articulé sur le segment de jambe 12 en une deuxième extrémité du segment de jambe 12 via une articulation 14 pourvue d'un codeur angulaire. De manière homologue, le membre inférieur droit 20 comprend un segment de cuisse 21 articulé sur un segment de jambe 22 et un 20 segment de pied 23. Le segment de pied 23 est articulé sur le segment de jambe 22 en une deuxième extrémité du segment de jambe 22 via une deuxième articulation 24 pourvue d'un codeur angulaire. Le segment de bassin 2 et les segments de pied 13 25 et 23 sont respectivement reliés à la hanche 102, au pied gauche 113 et au pied droit 123 de l'utilisateur 100 par des sangles. Optionnellement, les segments de cuisse 11 et 21 ainsi que les segments de jambe 12 et 22 peuvent être respectivement reliés aux cuisses 111 et 121 ainsi 30 qu'aux jambes 112 et 122 des jambes gauche 110 et droite 120 de l'utilisateur 100 par des sangles. 5 Le membre inférieur gauche 10 comprend une première lame ressort 15 dont une première extrémité 15.1 est articulée sur le segment de bassin 2 et une deuxième extrémité 15.2 est articulée sur le segment de pied 13. Le 5 membre inférieur droit 20 comprend une deuxième lame res- sort 25 dont une première extrémité 25.1 est articulée sur le segment de bassin 2 et une deuxième extrémité 25.2 est articulée sur le segment de pied 23. L'exosquelette 1 comprend également un segment dor- 10 sal 4 solidaire du segment de bassin 2 sur lequel est monté un actionneur 40 comportant une première sortie d'actionnement 41 et une deuxième sortie d'actionnement 42. Un premier filin 30 s'étend entre le segment de pied 13 et la première sortie d'actionnement 41. Plus précisé- 15 ment et comme visible en figure 2, la première extrémité 31 du premier filin 30 est sertie sur une première poulie 57 de la première sortie d'actionnement 41 et la deuxième extrémité 32 du premier filin 30 est reliée à la deuxième extrémité 15.2 de la première lame ressort 15. De manière 20 homologue, un deuxième filin 33 s'étend entre le segment de pied 23 et la deuxième sortie d'actionnement 42. Plus précisément et comme visible en figure 2, la première extrémité 34 du deuxième filin 33 est sertie sur une deuxième poulie 63 de la deuxième sortie d'actionnement 42 25 et la deuxième extrémité 35 du deuxième filin 33 est re- liée à la deuxième extrémité 25.2 de la deuxième lame ressort 25. En référence à la figure 2, l'actionneur 40 comprend un carter 45 de forme sensiblement parallélépipé- 30 clique portant un motoréducteur 90 électrique dont l'arbre de sortie 91 est relié par un joint 91.1 de type Oldham à 6 un pignon d'entrée 50 d'un différentiel 51 à roues dentées coniques. Le différentiel 51 comprend une couronne porte-satellites 52 engrenant avec le pignon d'entrée 50. Deux satellites 53 (dont un seul est représenté) engrè- 5 nent avec un premier pignon planétaire 54.1 d'une pre- mière sortie 54 du différentiel 51 et avec un deuxième pignon planétaire 55.1 d'une deuxième sortie 55 du différentiel 55. Le premier pignon planétaire 54.1 est solidaire d'une première extrémité 56.1 d'un premier arbre 10 56. La seconde extrémité 56.2 du premier arbre 56 est clavetée sur la première poulie 57 sur laquelle est enroulé le premier filin 30. Le deuxième pignon planétaire 55.1 est solidaire d'une première extrémité 58.1 d'un deuxième arbre 58. La 15 seconde extrémité 58.2 du deuxième arbre 58 est reliée à une roue dentée 59 droite d'un engrenage 60 comprenant une seconde roue dentée 61 solidaire en rotation de la première extrémité 62.1 d'un troisième arbre 62. La seconde extrémité 62.2 du troisième arbre 62 est clavetée 20 sur la deuxième poulie 63 sur laquelle est enroulé le deuxième filin 33. La première poulie 57 comprend un premier doigt 64 s'étendant en saillie radiale de la première poulie 57 et qui peut venir en butée contre une face supérieure 25 65.1 ou une face inférieure 65.2 d'une première butée 65. Le premier doigt 64 et la première butée 65 limitent la rotation de la première poulie 57 à un secteur sensiblement inférieur à trois cent soixante degrés. La deuxième poulie 63 comprend un deuxième doigt 66 30 s'étendant en saillie radiale de la deuxième poulie 63 et qui peut venir en butée contre une face supérieure 67.1 7 ou une face inférieure 67.2 d'une deuxième butée 67. Le deuxième doigt 66 et la deuxième butée 67 limitent la rotation de la deuxième poulie 63 à un secteur sensiblement inférieur à trois cent soixante degrés. 5 La première poulie 57 et la deuxième poulie 63 dé- finissent respectivement une première sortie d'actionnement 41 et une deuxième sortie d'actionnement 42 de l'actionneur 40. La présence de l'engrenage 60 dans la chaîne cinématique liant le deuxième pignon planétaire 10 55.1 à la deuxième poulie 63 permet que le sens de la ro- tation de la deuxième sortie d'actionnement 42 soit inversé par rapport au sens de rotation de la deuxième sortie 55 du différentiel 51 pour un même sens de rotation du pignon d'entrée 50. 15 Le premier filin 30 s'étend à l'intérieur des spires d'un premier ressort 80 de rappel dont la première extrémité 80.1 est en appui sur le carter 45 et dont la deuxième extrémité 80.2 est en appui contre un collier serre câble 81 solidaire du premier filin 30. 20 Le deuxième filin 33 s'étend à l'intérieur des spires d'un deuxième ressort 82 de rappel dont la première extrémité 82.1 est en appui sur le carter 45 et dont la deuxième extrémité 82.2 est en appui contre un collier serre câble 83 solidaire du deuxième filin 33. 25 Le premier ressort 60 rappelle le premier doigt 64 de la première poulie 57 vers la première butée 65 et le deuxième ressort 62 rappelle le deuxième doigt 66 de la deuxième poulie 63 vers la deuxième butée 67. Les ressorts de rappel 80 et 81 ne sont pas essen30 tiels à l'invention, notamment dans le cas de l'utilisation de la première lame ressort 15 et de la 8 deuxième lame ressort 25 comme présentées sur les figures la et lb, car les première et deuxième lames ressort 15 et 25 jouent alors le rôle des ressorts de rappel 60 et 61. 5 Le codeur de l'articulation 14 et de l'articulation 24 ainsi que le motoréducteur 90 sont reliés à une unité 92 de contrôle et de commande portée par le segment de bassin 2 et alimentée par une batterie 93. En fonctionnement, la première lame 15 et la deu- 10 xième lame 25 sont précontraintes pour reprendre le poids de l'exosquelette 1 auquel peut être ajouté tout ou partie du poids de l'utilisateur 100. En station debout, les première et deuxième lames 15 et 25 reprennent les efforts verticaux auxquels est soumis l'exosquelette 1. 15 Lorsque l'utilisateur 100 souhaite marcher, il transfère une partie de la charge exercée sur son pied gauche 113 vers son pied droit 123 et commence à lever son talon. Le codeur de l'articulation 14 mesure un changement dans la position angulaire du segment de pied 13 de 20 l'exosquelette 1 par rapport au segment de jambe 12 et transmet cette information à l'unité de commande 92. L'unité de commande 92 analyse cette mesure et commande l'actionneur 40 de manière à provoquer un mouvement de la première sortie d'actionnement 41- ici une rotation de la 25 première poulie 57- visant à réduire la distance dG sé- parant le segment de pied gauche 13 du segment de bassin 2. Ce mouvement de la première sortie d'actionnement 41 permet de plier le premier membre inférieur gauche 10 autour de l'articulation du segment de cuisse 11 sur le 30 segment de jambe 12 à l'encontre de l'effort de la pre- mière lame ressort 15. 9 En référence aux figures 2 à 4, l'unité de commande 92 commande l'application d'un couple de rotation Cm au motoréducteur 90 dans un premier sens de commande 70 de rotation (vers la gauche selon la représentation de la 5 figure 3). Ce couple de rotation Cm est transmis au pi- gnon d'entrée 50 qui provoque l'application d'un couple de rotation Cu sur la couronne porte-satellites 52 selon un premier sens 71. Le couple de rotation Cu de la couronne porte satellite 52 est transmis au premier pignon 10 planétaire 54.1 et au deuxième pignon planétaire 55.1 qui sont alors soumis à un couple de rotation Cu de même sens. Ce couple Cu est transmis depuis le deuxième pignon planétaire 54.1 à la deuxième poulie 63 par le deuxième arbre 58, l'engrenage 60 et le troisième arbre 62. Le 15 couple de rotation ainsi transmis applique sur la deu- xième poulie 63 un couple Cu qui amène le deuxième doigt 66 en butée sur la surface supérieure 67.1 de la deuxième butée 67. La rotation du troisième arbre 62 selon un sens de rotation 72 est alors bloquée. Le blocage en rotation 20 du troisième arbre 62 provoque un blocage en rotation du deuxième pignon planétaire 55.1 et la mise en rotation du premier pignon planétaire 54.1 dans un sens de rotation amenant à une rotation de la première poulie 57 dans un premier sens d'actionnement 73. La rotation de la pre- 25 mière poulie 57 entraîne un enroulement du premier filin 30 et une réduction de la distance di). L'unité de commande 92 asservit le motoréducteur 90 sur la position angulaire du segment de pied 13 par rapport au segment de jambe 12. 30 Lorsque l'utilisateur 100 souhaite déplier sa jambe gauche 110, il modifie la position angulaire du segment 10 de pied 13 par rapport au segment de jambe 12 (ou par rapport à la lame flexible) et cette information est transmise à l'unité de commande 93. L'unité de commande 93 commande alors une rotation du motoréducteur 90 dans 5 un deuxième sens de commande 74 de rotation opposé au premier sens de commande 70. La force de lame flexible 15 et éventuellement l'effort appliqué par l'utilisateur 100 sur le premier filin 30 pour déplier sa jambe gauche 110 ajouté à la rotation du premier pignon planétaire 54.1 10 amènent à une rotation de la première poulie 67 dans un deuxième sens d'actionnement 75 jusqu'à ce que le premier doigt 64 vienne en butée contre la surface supérieure 65.1 de la première butée 65. Si l'unité de commande 93 maintient la commande de 15 rotation à destination du motoréducteur 90, la première butée 65 bloque la rotation de la première poulie 57 et la deuxième poulie 63 tourne alors dans un sens de rotation 75 ce qui provoque un enroulement du deuxième filin 33 et une réduction de la distance dG. 20 On obtient ainsi un actionneur 40 à deux sorties d'actionnement 41 et 42 qui peuvent être pilotées sélectivement à l'aide d'un unique motoréducteur 90. En effet, une rotation du motoréducteur 90 dans un premier sens provoque un mouvement de la première sortie 25 d'actionnement 41 et une rotation du motoréducteur 90 dans un deuxième sens opposé au premier provoque un mouvement de la deuxième sortie d'actionnement 42. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante 30 entrant dans le champ de l'invention tel que défini par les revendications. 11 En particulier, - bien qu'ici le premier filin s'étende l'intérieur des spires d'un premier ressort de rappel, l'invention s'applique également à d'autres moyens de 5 rappel des sorties d'actionnement vers leurs butées res- pectives comme par exemple un câble solidaire d'un chariot et qui s'étend au travers des spires d'un ressort de rappel pour se fixer à l'extrémité dudit ressort, ce ressort pouvant être reliée à l'extrémité du premier filin 10 30 ou du deuxième filin 33. L'utilisation d'autres moyens de rappel comme par exemple un aimant, un bloc élastomère ou un ressort est également possible, ou bien encore des lames flexibles ; - bien qu'ici le différentiel soit un différentiel 15 à engrenages coniques, l'invention s'applique également à d'autres types de différentiels comme par exemple un différentiel du type à train épicycloïdal ou un différentiel à glissement limité à ressort muni d'un dispositif d'inversion de sens sur l'une de leurs sorties et de bu- 20 tées sur les deux sorties; - bien qu'ici, la première sortie d'actionnement de l'actionneur soit raccordée à un premier membre inférieur de l'exosquelette et la deuxième sortie d'actionnement soit raccordée à un deuxième membre inférieur de 25 l'exosquelette, l'invention s'applique également à d'autres configurations de raccordement de l'actionneur à l'exosquelette comme par exemple une première sortie raccordée à une articulation de tête et une deuxième sortie raccordée à une articulation de bras ; 30 - bien qu'ici le carter soit de forme sensiblement parallélépipédique, l'invention s'applique également à 12 des carters d'autre forme ; - bien qu'ici les poulies soient clavetées sur des arbres des sorties d'actionnement, l'invention s'applique également à d'autres moyens de solidariser en rotation 5 les arbres et les poulies comme par exemple un assemblage soudé, cannelé ou emmanché en force ; - bien qu'ici le motoréducteur soit relié au pignon d'entrée par un joint de type Oldham, l'invention s'applique également à d'autres moyens de relier fonc- 10 tionnellement le motoréducteur au pignon d'entrée comme par exemple un train d'engrenages ou un accouplement direct ; - bien qu'ici le pignon d'entrée soit entrainé par un motoréducteur électrique, l'invention s'applique éga- 15 lement à d'autres types de moteurs comme par exemple un moteur dépourvu de réducteur, un moteur hydraulique ou pneumatique ; - bien qu'ici le différentiel comprenne deux satellites, l'invention s'applique également à d'autres types 20 de différentiels comme par exemple un différentiel com- prenant un unique satellites ou plus de deux ; - bien qu'ici les extrémités des filins soient reliés aux poulies par sertissage, l'invention s'applique également à d'autres types de sorties d'actionnement 25 comme par exemple une boucle de câble enroulée autour de la poulie, une chaine ou une courroie crantée, ou encore un levier d'actionnement solidaire d'un arbre de sortie ; -bien qu'ici la deuxième sortie du différentiel 30 comprenne un engrenage à deux roues dentées droites, l'invention s'applique également à d'autres types de dis- 13 positifs d'inversion du sens de rotation de la deuxième sortie du différentiel comme par exemple un nombre de roues dentées pair supérieur à deux ou un ensemble de poulies à courroie croisée ; 5 - bien qu'ici des doigts s'étendent en saillie ra- diale des poulies pour venir en butée contre une face d'une butée, l'invention s'applique également à d'autres types de butées comme par exemple des doigts en saillie axiale des poulies, des pions solidaires des différents 10 arbres des sorties du différentiel, un serre-câble fixé sur les filins de sortie et des butées solidaires du carter percées d'un orifice laissant passer le filin, des doigts en saillie sur une autre poulie solidaire de la première via un système de réduction, ou encore sur une 15 autre poulie solidaire de la première uniquement dans certaines positions (utilisation d'une seconde poulie percée d'un trou oblong). Les 2 dernières solutions permettent d'augmenter la course de l'actionneur indépendamment du facteur de réduction entrée/sortie ; 20 - bien qu'ici l'exosquelette comprenne deux membres inférieurs et deux lames ressort, l'invention s'applique également un exosquelette comprenant seulement deux lames ressorts, ou deux membres inférieurs seuls, ou un membre inférieur et une lame ressort. Les codeurs 25 d'intention seront alors modifiés en conséquence; - bien qu'ici l'actionneur soit utilisé pour actionner et asservir les jambes d'un exosquelette, l'invention s'applique à d'autres systèmes nécessitant un actionnement et/ou asservissement de deux sorties syn- 30 chronisées ou non synchronisées avec un seul moteur, telles que des articulations de robots, d'automates, 14 d'humanoïdes, REVENDICATIONS1. Actionneur (40) à deux sorties d'actionnement (41, 42) comprenant un carter (45) portant un moteur (90) fonctionnellement relié à un pignon d'entrée (50) d'un différentiel (51) à roues dentées , une première sortie (54) du différentiel (51) étant fonctionnellement reliée à une première sortie d'actionnement (41) et une deuxième sortie (55) du différentiel (51) étant fonctionnellement reliée à une deuxième sortie d'actionnement (42) à l'aide d'un dispositif d'inversion (60) du sens de rotation, l'actionneur (40) comprenant une première butée (64) limitant l'amplitude de la rotation de la première sortie d'actionnement (41) et une deuxième butée (66) limitant l'amplitude de la rotation de la deuxième sortie d'actionnement (42) de manière à ce qu'une rotation du moteur (90) dans un premier sens de commande (70) provoque un mouvement de la première sortie d'actionnement (41) dans un premier sens d'actionnement (73) et de manière à ce qu'une rotation du moteur (90) dans un deu- xième sens de commande (74) opposé au premier sens de commande (70) provoque, soit un mouvement de la deuxième sortie d'actionnement (42), soit un mouvement de la première sortie (41) dans un deuxième sens d'actionnement (75) opposé au premier sens d'actionnement (73). 2. Actionneur (40) selon la revendication 1, com- prenant des premier moyens de rappel (80) de la première sortie d'actionnement (41) vers la première butée (64) et/ou des deuxième moyens de rappel (82) de la deuxième sortie d'actionnement (42) vers la deuxième butée (66). 3. Actionneur (40) selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de rappel et/ou les deuxièmes 16 moyens de rappel comprennent un ressort (80, 82). 4. Actionneur (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le différentiel est un différentiel du type à roues dentées coniques. 5 5. Actionneur (40) selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, dans lequel le différentiel est un différentiel du type à train épicycloïdal. 6. Exosquelette (1) comprenant un actionneur (40) deux sorties d'actionnement (41) selon l'une quelconque 10 des revendications précédentes. 7. Exosquelette (1) selon la revendication 6, dans lequel la première sortie d'actionnement (41) est fonctionnellement reliée à un premier membre inférieur (10) de l'exosquelette (1) et la deuxième sortie 15 d'actionnement est fonctionnellement reliée à un deuxième membre inférieur (20) de l'exosquelette (1).