Brevet FR3090058A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Actionneur à dispositif d'ajustement au- tomatique de précharge Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine des actionneurs et plus particulièrement le domaine des actionneurs comprenant un élément de transmission réalisant une boucle continue ou non. [0002] ARRIERE PLAN DE L'INVENTION [0003] Il est connu des actionneurs comprenant une unité de motorisation pour mettre en mouvement une vis et un écrou coopérant avec la vis pour être déplacé le long de la vis sous l'effet de la rotation de la vis. Un tel actionneur comprend également une boucle de câble comprenant une première portion de câble qui s'étend entre une l'écrou et un premier point de liaison à une première poulie. Cette première portion de câble est généralement appelé branche courte de l'actionneur. La boucle de câble comprend également une deuxième portion de câble qui s'étend entre un deuxième point de liaison à la première poulie et la sortie de l'unité de motorisation, la deuxième portion de câble coopérant avec une deuxième poulie. La deuxième portion de câble est généralement appelée branche longue de l'actionneur. La première poulie est classiquement reliée à un élément que l'on souhaite actionner en rotation. 100041 Dans le but d'améliorer la linéarité de la loi de raideur de l'actionneur, on réalise fré- quemment une précharge de chaque branche de L boucle de câble. Cette précharge doit être réglée périodiquement, notamment en raison de l'apparition d'un « jeu de câble» résultant du glissement des torons de câble entre eux et/ou d'un fluage du câble. Pour des opérations où l'actionneur est également utilisé pour effectuer un retour d'effort vers un utilisateur, les opérations de réglage doivent avoir lieu à chaque utilisation, et il arrive même de constater que, au cours d'une utilisation prolongée, la tension de précharge évolue, dégradant alors la précision et la fiabilité de mesure de l'actionneur. Cette dégradation de précision est préjudiciable à la diffusion de tels actionneurs pour des applications dans lesquelles l'accès à l'actionneur est difficilement comme par exemple les applications spatiales ou les environnements hostiles tels que les environnements nucléaires. 100051 OBJET DE L'INVENTION 100061 Un but de l'invention est d'améliorer la linéarité de la loi de raideur d'un actionneur. Résumé de l'invention [0007] Dans ce but, on prévoit un actionneur comprenant un dispositif d'ajustement au- tomatique de la précharge d'un élément de transmission mécanique reliant fonction- 2 nellement une première poulie et une sortie d'une unité de motorisation, l'actionneur comprend une première portion d'élément de transmission qui coopère avec la première poulie et qui s'étend entre la sortie de l'unité de motorisation et un premier point de la liaison de la première portion de l'élément de transmission à la première poulie. L'actionneur comprend également une deuxième portion d'élément de transmission qui s'étend entre un deuxième point de liaison à la première poulie et un troisième point de liaison au dispositif d'ajustement automatique de la précharge ainsi qu'une troisième portion d'élément de transmission qui s'étend entre la sortie de l'unité de motorisation et un quatrième point de liaison au dispositif d'ajustement automatique de la précharge. Selon l'invention, le dispositif d'ajustement de la précharge est pourvu de moyens de relier élastiquement le troisième point de liaison et le quatrième point de liaison afin d'exercer un effort de rappel tendant à provoquer un déplacement relatif du troisième point de liaison et du quatrième point de liaison dans un premier sens. Le dispositif d'ajustement de la précharge comprend également un dispositif d'anti-retour pour autoriser un déplacement relatif du quatrième point de liaison relativement au troisième point de liaison dans le premier sens et pour bloquer un déplacement relatif du quatrième point de liaison relativement au troisième point de liaison dans un deuxième sens opposé au premier sens. [0008] Ainsi, l'élément élastique couplé au dispositif d'anti-retour absorbe le jeu appa- raissant dans l'élément de transmission mécanique au fur et à mesure qu'il apparaît et la précharge dans les éléments de transmission est maintenue. La linéarité de la loi de raideur de l'actionneur est stabilisée et la fiabilité de l'actionneur est ainsi améliorée. [0009] La compacité du dispositif est améliorée lorsque le dispositif d'anti-retour comprend une roue libre. La sensibilité du dispositif d'anti-retour est améliorée lorsque la roue libre est une roue libre à cames. [0010] Avantageusement, l'effort de rappel est un couple. [0011] Selon un mode de réalisation particulier, l'actionneur comprend un ressort hélicoïdal. [0012] On obtient un actionneur compact et puissant lorsque l'unité de motorisation comprend un mécanisme vis-écrou dont la vis ou l'écrou est lié à la sortie de l'unité de motorisation et/ou lorsque l'élément de transmission mécanique comprend un câble. [0013] L'invention concerne également un exosquelette comprenant un actionneur tel que décrit ci-dessus. [0014] L'invention concerne également un procédé de mise en précharge d'un élément de transmission mécanique à une précharge de référence d'un actionneur selon l'invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : [0015] - bloquer une rotation de la première poulie ; [0016] - commander l'unité de motorisation pour appliquer un effort provoquant une aug- mentation de la tension dans la première portion d'élément de transmission jusqu'à une 3 valeur de consigne sensiblement égale à : [0017] (1 -F(K1/K2_3))* To [0018] dans lequel [0019] K, correspond à la raideur de la première portion d'élément de transmission, [0020] K2_3 correspond à la raideur totale de la deuxième et troisième portion d'élément de transmission, [0021] Ti, correspond à la valeur de la précharge de référence [0022] - commander l'unité de motorisation pour qu'elle cesse d'appliquer un effort. [0023] Au sens de la présente demande, la raideur K d'un élément dc transmission correspond au rapport entre l'effort F appliqué sur cet élément de transmission et la déformation x que cette force engendre sur ledit élément de transmission (K=F/x). La raideur d'un brin de câble étant proportionnelle à sa longueur (toutes choses étant égales par ailleurs : matériau, section, etc...), le rapport entre la raideur d'un premier brin de câble et la raideur d'un deuxième brin de câble est égal au rapport entre la longueur du premier brin et la longueur du deuxième brin. Dans le cadre de la présente demande de brevet, les éléments de transmission fonctionnent essentiellement en traction et la déformation, et x correspond à l'allongement longitudinal de l'élément de traction. [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. Brève description des dessins [0025] 11 sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0026] [fig.1] La figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un actionneur selon l' invention. [0027] [fig.21 La figure 2 est une vue analogue à la figure 1 de l'actionneur dans une première étape de mise en précharge. [0028] [fig.31 La figure 3 est une vue analogue à la figure 1 de l'actionneur dans une deuxième étape de mise en précharge. [0029] [fig.4] La figure 4 est une vue analogue à la figure 1 de l'actionneur en fonctionnement. Description des modes de réalisation 100301 En référence à la figure 1, l'actionneur selon l'invention, et généralement désigné 1, comprend un motoréducteur 2 électrique dont l'arbre de sortie 3 est pourvu d'un pignon 4 engrenant avec un écrou 5. L'écrou 5 est monté à rotation sur un châssis 6 -auquel est également fixé le motoréducteur 2- et coopère avec une vis 7 pourvue d'un logement tubulaire 8 longitudinal et munie de moyens d' anti rotation de la vis autour de son axe longitudinal 08. [0031] L'actionneur 1 comprend également une première poulie 10 montée à rotation sur le châssis 6 autour d'un premier axe de rotation 010 et un dispositif 20 d'ajustement de la précharge monté à rotation sur le châssis 6 autour d'un deuxième axe de rotation 020. Un bras 90 d'un exosquelette non représenté est solidaire en rotation de la première poulie 10. [0032] Un premier brin de câble 30 comprend une première extrémité 31 fixée par une première sertissure 9 dans le logement tubulaire 8. Le premier brin de câble 30 s'étend depuis la sertissure 9 jusqu'à une première gorge 11 de la première poulie 10 avec laquelle elle coopère. Le premier brin de câble 30 est relié à la première poulie 10 en un premier point 12 de liaison à l'aide d'une deuxième sertissure 13. [0033] Un deuxième brin de câble 40 comprend une première extrémité 41 fixée en un deuxième point de liaison 14 par une troisième sertissure 15 à une deuxième gorge 16 de la première poulie 10. Le deuxième brin de câble 40 s'étend depuis le deuxième point de liaison 14 jusqu'à un troisième point de liaison 21 au dispositif 20 d'ajustement de la précharge. [0034] Un troisième brin de câble 50 s'étend depuis un quatrième point de liaison 22 du dispositif 20 d'ajustement automatique de la précharge jusqu'à la première sertissure 9. [0035] Le dispositif 20 d'ajustement de la précharge comprend une roue libre 23 à carnes montée à rotation sur le châssis 6 autour d'un deuxième axe 020. La couronne extérieure 24 de la roue libre 23 comprend une gorge 24.1 avec laquelle coopère le deuxième brin de câble 40 et qui porte une quatrième sertissure 25 de liaison avec le troisième point de liaison 21. La couronne intérieure 26 de la roue libre 23 est reliée à une première extrémité 27.1 d'un premier arbre 27. La deuxième extrémité 27.2 du premier arbre 27 est reliée à une spire d'entrée 28.1 d'un ressort 28 hélicoïdal de torsion. La spire de sortie 28.2 du ressort 28 est reliée à une première extrémité 29.1 d'un deuxième arbre 29. La deuxième extrémité 29.2 du deuxième arbre 29 est reliée à une deuxième poulie 60. Une gorge 61 de la deuxième poulie 60 accueille le troisième brin de câble 50. Le quatrième point de liaison 22 est serti sur la deuxième poulie 60 par une cinquième sertissure 62. [0036] La raideur K28 en torsion du ressort 28 est choisie de manière à ce que le ressort 28 applique entre le premier arbre 27 et le deuxième arbre 29 un couple C28 supérieur à un couple résistant CR au moins égal à au couple seuil C23 de frottement de la roue libre 23 augmenté du couple nécessaire à l'application d'une tension tn, de montage dans le premier brin de câble 30, le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50. La tension de montage ta, correspond à la tension minimale requise pour que le premier brin de câble 30, le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 soient maintenus enroulés sur la première poulie 10 et la deuxième poulie 20 et n'échappent pas des gorges 11, 24.1 et 61. Cette tension de montage t', dépend de plusieurs facteurs comprenant notamment la profondeur des gorges 11, 24.1 et 61, le rayon des poulies 10 et 20 et le matériau des premier brin de câble 30, deuxième brin de câble 40 et troisième brin de câble 50. La tension de montage t', est également appelée tension de conformation ou tension de flexion (terme employé par exemple par le fabricant de courroies métalliques Belt Tech). [0037] La tension de montage t, estproche de vingt-cinq Newtons pour un brin de câble en acier de 1.6 mm de diamètre et avoisine deux-cent cinquante Newtons pour un brin de câble de 6.35 mm de diamètre. [0038] Le ressort 28 exerce un couple C28 de rappel-ici dans un sens antihoraire selon la re- présentation de la figure 1- qui tend à provoquer un déplacement du quatrième point de liaison 22 relativement au troisième point de liaison 21 dans un premier sens Si. [0039] Au sens de la présente demande, un déplacement du quatrième point relativement au troisième point selon le premier sens, signifie que le troisième point de liaison 21 étant immobilisé, le quatrième point de liaison 22 peut se déplacer dans le premier sens S. [0040] La roue libre 23 est orientée pour bloquer un déplacement de la couronne intérieure 26 relativement à la couronne extérieure 24 dans un deuxième sens S2 opposé au premier sens Si. Ainsi, une rotation du quatrième point de liaison 22 relativement au troisième point de liaison 21 dans le deuxième sens 52 est bloquée. [0041] La mise en service de l'actionneur 1 est préférablement précédée d'une phase de mise en précharge des premier brin de câble 30, deuxième brin de câble 40 et troisième brin de câble 50 à une précharge de référence To Selon une première étape représentée en figure 2, on commande le motoréducteur 2 pour amener le bras 90 au contact d'une butée 91 afin de bloquer une rotation de la première poulie 10 dans le sens Si. [0042] Selon une seconde étape représentée en figure 3, on commande le motoréducteur 2 pour appliquer un effort F provoquant une augmentation de la tension T dans le premier brin de câble 30 jusqu'à une valeur de consigne Tc sensiblement égale à : [0043] (1 +(K1/K2 3) ) *To [0044] Dans lequel [0045] K, correspond à la raideur de la première portion d'élément de transmission (en N/m) [0046] K25 correspond à la raideur totale de la deuxième et troisième portion d'élément de transmission (en N/m) ; [0047] To correspond à la valeur de la précharge de référence (en N). [0048] La valeur de consigne Tc peut également être corrigée pour y intégrer la tension de montage t,' voire une marge de sécurité pour prévenir le risque éventuel de détente 6 complète d'un brin de câble dû à une prise de « jeu » dans le câble qui pourrait soit endommager le câble par accrochage des flancs de gorges de poulies soit provoquer un déraillement. [0049] Corrélativement la tension dans le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 baisse. Lorsqu'elle baisse en dessous de la tension de montage t', le couple C 2s appliqué par le ressort 28 devient suffisant pour vaincre la résistance de déblocage (frottement) de la roue libre 23 ce qui a pour effet d'établir la tension dans le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 à une valeur sensiblement constante légèrement inférieure à t',. [0050] Au cours d'une troisième étape, on commande le motoréducteur 2 pour faire décroître l'effort sur la première sertissure 9. Le premier brin de câble 30 se détend et corrélativement la tension dans le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 augmente ce qui a pour effet de bloquer la roue libre 23. Lorsque le moto-réducteur 2 n'applique plus d'effort sur la première sertissure 9, le bras 90 n'applique plus aucun effort sur la butée 91. Les tensions dans le premier brin de câble 30, le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 s'établissent alors à la valeur de la tension de précharge TO. [0051] De même, en cours de fonctionnement, lorsque le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50 se détendent en dessous de la tension de montage t,', le couple C2g de torsion produit par le ressort 28 devient suffisant pour provoquer une rotation relative de la couronne extérieure 24 par rapport à la couronne intérieure 26 ce qui amène la tension dans le brin de câble concerné à une valeur sensiblement constante légèrement inférieure à t. La roue libre 23 en se bloquant permet de maintenir la tension dans le deuxième brin de câble 40 et le troisième brin de câble 50, cette tension étant la somme de la valeur de précharge To augmentée de la tension produite par le motoréducteur 2. [0052] Le fonctionnement du dispositif 20 d'ajustement automatique de la précharge va être décrit dans le cadre d'une détente du troisième brin de câble 50. Le fonctionnement est similaire lors d'une détente du deuxième brin de câble 40. [0053] Comme visible en figure 4, une détente du troisième brin de câble 50 provoque un déséquilibre entre la tension T21 appliquée au troisième point de liaison 21 et la tension T22 appliquée au quatrième point de liaison 22. Un déséquilibre apparaît entre les efforts appliqués sur la spire d'entrée 28.1 et la spire de sortie 28.2 du ressort 28. Le ressort 28 applique alors un couple qui provoque un déplacement de la deuxième poulie 60 dans le sens S1 jusqu'à ce que le déséquilibre entre la spire d'entrée 28.1 et la spire de sortie 28.2 soit résorbé, établissant la tension de précharge dans le troisième brin de câble 50 à la valeur de la tension de précharge de référence To. [0054] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrit mais 7 englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention. [0055] En particulier, [0056] - bien qu'ici l'actionneur comprenne un motoréducteur électrique, l'invention s'applique également à d'autres types d'unités de motorisation comme par exemple un moteur hydraulique, pneumatique ou un actionneur linéaire ; [0057] - bien qu'ici le motoréducteur entraîne en rotation un écrou qui déplace une vis, l'invention s'applique également à d'autres types de mécanismes vis-écrou comme par exemple un motoréducteur qui entraîne en rotation une vis sur laquelle est montée un écrou bloqué en rotation ; [0058] - bien qu'ici le premier brin de câble soit serti à l'intérieur du logement tubulaire de la vis, l'invention s'applique également à d'autres types de point de liaison à la sortie de l'unité d'actionnement comme par exemple une boucle de câble passée dans un oeillet rapporté par soudage sur la vis, un ou plusieurs tours mors, voire un noeud ; [0059] - bien qu'ici le deuxième et le troisième brin de câble soit serti sur les poulies et roue libre, l'invention s'applique également à d'autres types de point de liaison comme par exemple une boucle de câble passée dans un oeillet, un ou plusieurs tours mors, voire un noeud ; [0060] - bien qu'ici l'actionneur comprenne un premier, un deuxième et un troisième brin de câble représentés comme ayant tous la même section, l'invention s'applique également à des portions d'autres types d'élément de transmission mécanique comme par exemple une ou plusieurs bielle, des câbles de section différente, une ou plusieurs sangles, un ou plusieurs rubans métallique ou en matériau composite, un élément de transmission mixte comprenant des portions réalisées dans des matériaux et sous des formes (ruban, bielle, sangle, câble) différentes ; [0061] - bien que représentées sous la forme de deux poulie distinctes reliées par un arbre, les gorges de la première poulie peuvent être rassemblées dans une première poulie à deux gorges ou dans une poulie à gorge unique dans laquelle le premier point de liaison et le deuxième point de liaison peuvent être ou non confondus ; [0062] - bien qu'ici le dispositif d'ajustement de la précharge comprenne une roue libre à cames, l'invention s'applique également à d'autres types de dispositifs d'anti-retour comme par exemple une roue libre à cliquet, une roue libre à rouleaux ; [0063] - bien qu'ici le dispositif d'ajustement de la précharge comprenne un ressort hé- licoïdal, l'invention s'applique également à d'autres moyens de relier élastiquement le troisième et le quatrième point de liaison pour appliquer un effort de rappel comme par exemple une barre de torsion, un ressort linéaire reliant le troisième et quatrième point, un ressort en spirale, un bloc de caoutchouc, un ressort à gaz ; [0064] - bien qu'ici le ressort exerce un couple de rappel, l'invention s'applique également à d'autres types d'effort de rappel comme par exemple une force de rappel ; 8 [0065] - bien qu'ici l'effort exercé par le ressort provoque une rotation du troisième point de liaison relativement au quatrième point de liaison, l'invention s'applique également à d'autres types de déplacements comme par exemple une translation du troisième point de liaison relativement au quatrième point de liaison ; [0066] - bien qu'ici le ressort de torsion soit relié à la roue libre par un premier arbre et à la deuxième poulie par un deuxième arbre, l'invention s'applique également à un dispositif dans lequel l'une des couronnes de la roue libre est confondue avec la deuxième poulie et dans lequel le ressort de torsion est intégré à la deuxième poulie ; [0067] - bien qu'ici un bras d'exosquelette soit solidaire en rotation de la première poulie, l'invention s'applique également à d'autres type d'éléments actionnés comme par exemple une jambe, une hanche ou un genou d'un exosquelette, ou d'un robot collaboratif. L'élément actionné pouvant être alternativement solidaire d'un élément solidaire en rotation de la première poulie tel qu'un arbre, ou solidaire d'un des éléments de transmission mécanique comme une sertissure sur le deuxième brin de câble par exemple ; [0068] - bien qu'ici la rotation de la première poulie soit bloquée par amenée du bras contre une butée, l'invention s'applique également à d'autre façons de bloquer la rotation de la première poulie comme par exemple une goupille traversant la première poulie et la solidarisant au bâti, une venue en butée d'un élément solidaire de l'un des brins de câble. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]