FR2474619A1 - Systeme mobile a trois ou quatre degres de liberte de mouvement - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SYSTEME MOBILE PERMETTANT DES MOUVEMENTS A TROIS OU QUATRE DEGRES DE LIBERTE. CE SYSTEME COMPREND UNE PLATE-FORME 18 QUI PRESENTE QUATRE POINTS 20, 30, 32, 34 SITUES DANS UN PLAN, UNE EMBASE 10 DE SUPPORT QUI PRESENTE TROIS POINTS 24, 26, 28 SITUES DANS UN AUTRE PLAN, UNE COLONNE 22 DE SUPPORT QUI S'ELEVE DE L'EMBASE 10 JUSQU'AU POINT CENTRAL 20 DE LA PLATE-FORME 18, ET DES ELEMENTS EXTENSIBLES 36, 38, 40 DISPOSES ENTRE LES TROIS AUTRES POINTS 30, 32, 34, DE LA PLATE-FORME 18 ET LES TROIS POINTS 24, 26, 28 DE L'EMBASE 10. LA PLATE-FORME 18 PEUT PIVOTER DANS TOUTES LES DIRECTIONS AUTOUR DU POINT 20 ET LES ELEMENTS EXTENSIBLES 36, 38, 40 SONT ARTICULES CHACUN PAR LEURS DEUX EXTREMITES SUR L'EMBASE 10 ET SUR LA PLATE-FORME 18, DE MANIERE QU'IL SOIT POSSIBLE DE PRODUIRE DES MOUVEMENTS A TROIS DEGRES DE LIBERTE, EN PARTICULIER DES MOUVEMENTS DE ROULIS, DE LACET ET DE TANGAGE, OU TOUTE COMBINAISON DE CES MOUVEMENTS. DOMAINE D'APPLICATION: SIMULATEURS DE VOL, ETC.

Description

1. L'invention concerne un dispositif destiné à produire un mouvement à

effets de vitesse et d'accélération, et s'appliquant en particulier à des simulateurs et appareils d'entraînement pour aéronefs, hélicoptères et autres types de véhicules. Dans sa forme la plus simple, le dispositif selon l'invention comprend une plate-forme sur laquelle une cabine de pilotage ou toute autre structure souhaitée peut être montée et qui produit des mouvements de tangage, de roulis, de

lacet ou de translation ou toute combinaison de ces mouve-

ments en même temps.

Divers types de systèmes mobiles ont été conçus

dans l'art antérieur. L'un des systèmes de montage de plate-

forme les plus anciens et encore largement utilisé est un système à trois cardans tels que celui communément utilisé pour stabiliser des gyroscopes et autres. Le système à trois

cardans produit évidemment, en fait, des composantes diffé-

rentes de mouvement de rotation entre des plates-formes successives jusqu'à ce que les trois degrés du mouvement de rotation aient été obtenus. Etant donné qu'il est nécessaire de superposer les plates-formes, ce système est sujet, de par sa nature, à un poids "mort" excessif risquant de compromettre sa tenue dynamique, en particulier lors des applications à

réponse de vitesse élevée.

Un autre système antérieur connu qui, de même que le système selon l'invention trouve son utilisation principale comme système mobile pour simulateur de vol, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 295 224, déposé le 3 janvier 1967 par K.L. Cappel sous le titre "Motion Simulator". Ce système est un dispositif à six degrés de

liberté et il est largement utilisé et donne satisfaction.

Cependant, de par sa nature, ce système est coûteux, notamment en raison du fait qu'il implique l'utilisation de six éléments extensibles actionnés et commandés pour produire son mouvement et supporter son propre poids dans différentes positions. Pour qu'il soit possible d'effectuer différentes combinaisons de mouvements, les éléments d'extension doivent être largement dimensionnés et doivent avoir une très grande course

d'extension, ce qui accroît encore sensiblement le coût.

2. Pour de nombreuses applications, les mouvements demandés à un tel dispositif peuvent être limités au roulis, au tangage et au lacet, ainsi qu'à un mouvement unique de translation, le cas échéant. Le système selon l'invention présente un degré élevé de manoeuvrabilité tout en comportant un nombre limité d'éléments extensibles actionnés et commandés, reliant la plate-forme à une embase de support et produisant le mouvement demandé. Dans une forme de réalisation à trois degrés de liberté-, une colonne centrale de longueur fixe et seulement trois de ces éléments sont nécessaires, et la course d'extension de ces éléments peut être relativement limitée, tout en permettant l'obtention d'une large gamme d'effets limités aux trois degrés de liberté de roulis, de tangage et de lacet, et- de leurs combinaisons. La colonne centrale est fixée rigidement à l'embase et elle peut être de

conception relativement simple et peu coûteuse tout en suppor-

tant une grande partie du poids de la plate-forme, ce qui permet d'alléger les éléments extensibles actionnés et commandés. Dans les formes de réalisation à quatre degrés de liberté, qui peuvent être utilisées si un mouvement limité de translation est également demandé, un quatrième élément extensible actionné et commandé est ajouté et la colonne centrale fixe de la forme de réalisation à trois degrés de liberté est transformée en une colonne ou entretoise rigide de longueur fixe, qui est articulée sur l'embase de manière à pouvoir tourner autour- d'un axe dans le plan horizontal de l'embase ou proche de ce plan. Cette caractéristique permet de produire un mouvement limité de translation dans une direction horizontale et perpendiculaire à l'axe des articulations supportant la colonne mobile sur l'embase, ce mouvement de translation s'accompagnant d'une petite variation de la

distance verticale comprise entre la plate-forme et l'embase.

Cette forme de réalisation peut exiger qu'au moins certains des actionneurs soient légèrement plus longs que ceux utilisés dans la forme de réalisation à trois degrés de liberté, mais les éléments extensibles peuvent être plus petits, plus légers et moins nombreux et, par conséquent, beaucoup moins coûteux 3. que ceux utilisés dans le dispositif décrit dans le brevet

n0 3 295 224 précité.

En particulier, l'invention concerne un système mobile pouvant produire des mouvements de rotation à au moins trois degrés de liberté, ainsi que diverses combinaisons de ces mouvements. Une embase de support établit au moins trois points dans un plan. Une colonne rigide de support est fixée à cette embase, à l'intérieur des trois points. La plate-forme qui est mobile établit au moins trois points dans un plan, autour d'un joint universel auquel est reliée la colonne supportée par l'embase, ce joint permettant à la plate-forme de tourner librement dans toutes les directions. Au moins trois éléments extensibles, actionnés et commandés sont prévus, chaque élément étant relié par une première extrémité à un point de l'embase de support et par son autre extrémité à un point de la plate-forme, les points de liaison permettant un mouvement de rotation essentiellement universel afin de faciliter le mouvement de la plateforme par rapport à son point de support sur la colonne sous l'effet de modifications

choisies de la longueur des éléments extensibles. Un dispo-

sitif de commande fait varier sélectivement la longueur des éléments extensibles afin de produire le mouvement choisi et

des effets d'accélération.

Dans un système mobile à trois degrés de liberté, la colonne est fixée à l'embase et elle conserve une position fixe qui empêche tout mouvement de translation. Elle est en général de forme conique et porte un palier universel à son extrémité supérieure ou sommet. Seulement trois éléments extensibles de commande doivent être utilisés et, si la course qui leur est autorisée est suffisante, dans des limites relativement étroites, ils peuvent produire un roulis, un

tangage et un lacet, ou bien des combinaisons de ces mouve-

ments dans des plages relativement étendues et comparables à celles obtenues avec le dispositif décrit dans le brevet

n0 3 295 224 précité.

La variante à quatre degrés de liberté exige que la colonne soit articulée sur l'embase de support afin que la plate-forme puisse exécuter un mouvement horizontal limité par 4. rapport à l'embase, ainsi qu'unepetite composante de mouvement vertical, à peu près perpendiculaire à l'axe de l'articulation. Le joint universel de liaison de la colonne articulée est de préférence et de même que précédemment placé à un sommet, dans ce cas celui d'une colonne triangulaire au lieu d'une colonne conique. Quatre éléments extensibles sont

utilisés pour assurer la stabilité dans toutes les positions.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et, sur lesquels

- la figure 1 est une vue en perspective, relativement schéma-

tique, d'un système -mobile permettant un mouvement de rotation de tous types à trois degrés de liberté; - la figure 2 est une vue en perspective schématique, analogue à celle de la figure 1, d'un système mobile à quatre degrés de liberté, permettant certains mouvements limités de translation ainsi qu'un- mouvement universel de rotation de divers types; - la figure 3 est une vue en perspective schématique d'une variante du système mobile représenté sur la figure 1; et - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une

variante du système mobile représenté sur la figure 2.

La figure 1 représente une embase 10 destinée à supporter la partie restante de la structure. Cette embase doit être suffisamment lourde et rigide, ou bien elle doit être fixée au sol afin de pouvoir supporter la structure. Dans ce cas, l'embase de support est représentée sous la forme d'un plateau plan et lourd 12,-reposant sur des longerons 14 de support. La plate-forme 18 exécute le mouvement à simuler et elle supporte une cabine ou toute autre superstructure de simulateur de vol, ou encore tout autre appareil soumis à des mouvements et à des effets d'accélération. Dans ce cas, la plate-forme 18 est une plaque métallique triangulaire ou tout

autre élément sensiblement rigide et convenable de structure.

Un élément de liaison, situé en un point 20 se trouvant à peu près au centre du triangle, permet un mouvement universel de rotation autour de ce point 20 et est situé à l'extrémité 5. supérieure d'une colonne conique rigide 22 dont la base est fixée rigidement à l'embase 10 de support sur le plateau 12, afin de maintenir le point de liaison, autour duquel le mouvement de rotation de la plate-forme 18 se produit, à une distance fixe au moins de l'embase 10. La base de la colonne 22 est dans ce cas de forme circulaire, car la colonne se présente sous la forme d'un cône circulaire droit et son axe

est orienté à peu près perpendiculairement au plateau 12.

Des points de fixation 24, 26 et 28 sont situés sur le plateau de support ou à proximité de ce dernier, autour de la colonne centrale 22. Des points de fixation 30, 32 et 34 sont établis sur la plate-forme 18 ou légèrement au-dessous de cette plate-forme de manière à être répartis autour du point reposant sur la colonne rigide, ces points 30, 32 et 34 étant avantageusement proches des sommets de la plate-forme triangulaire. Il convient de noter que les points 24, 26 et 2.8 peuvent ne pas se trouver exactement dans un plan de base défini par la surface supérieure du plateau 12 de base, mais qu'ils peuvent être élevés au-dessus de ce plan, par exemple, en raison de la présence des organes de liaison. De même, les points de liaison 30, 32 et 34 peuvent ne pas être situés

directement sur la plate-forme, mais ils sont plus généra-

lement légèrement espacés au-dessous de cette plate-forme par les organes de liaison, ces points étant de préférence placés à des distances égales de la plate-forme afin de définir un plan parallèle à celui de la plateforme. Trois éléments extensibles actionnés et commandés 36, 38 et 40 sont montés entre les points du plateau et ceux de la plate-forme. Dans ce cas, l'élément extensible 36 est monté entre les points 28 et 30, l'élément extensible 38 entre les points 26 et 32 et

l'élément extensible 40 entre les points 24 et 34.

On peut voir que les liaisons sont prévues sous la forme de joints universels ou d'une combinaison de joints mécaniques permettant un mouvement pratiquement universel qui autorise toutes les positions permises par la géométrie du dispositif, y compris la totalité de la course possible

d'extension et les positions de contact des éléments exten-

sibles. Ces éléments 36, 38 et 40 peuvent être de types 6. analogues à ceux décrits dans le brevet n0 3 295 224 précité et leurs liaisons peuvent être également de types analogues à celles décrites dans le brevet précité. Les actionneurs peuvent également être mis en mouvement au moyen d'un dispositif d'entraînement analogue à celui représenté sur la figure 16 du brevet précité. Comme indiqué, il est évident que, dans l'état actuel de la technique, de nombreux moyens connus peuvent être mis en oeuvre à cet effet-et tout moyen convenable peut être utilisé. Il est évidemment préférable de

commander les mouvements réels du système à l'aide d'un calcu-

lateur, conformément à des-programmes établis par un analyste.

La figure 2 représente une variante qui permet un certain mouvement de translation. Ce dispositif est parfois connu sous le nom de dispositif à quatre degrés de liberté et il est conçu pour permettre les trois degrés de liberté de rotation, c'est-à-dire le roulis, le tangage et le lacet ou toute combinaison de ces mouvements, ainsi qu'un mouvement de translation permis par un déplacement sur la colonne articulée,

comme décrit ci-après.

Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 2, l'embase 50 de support est représentée sous la forme d'un élément plein qui peut être déplacé, ou bien qui peut

être constitué d'une partie d'une fondation coulée en béton.

La plate-forme 52 du système mobile, à peu près parallèle à l'embase 50 de support, supporte elle-même une cabine ou toute autre structure devant être animée d'un certain mouvement. Une colonne triangulaire articulée 54, montée entre l'embase 50 et la plate-forme 52, est reliée à l'embase 50 par un bord du triangle à l'aide de charnières convenables 56 qui permettent un mouvement limité de rotation de la colonne 54 par rapport à l'embase 50, autour de l'axe défini par les charnières 56. La colonne triangulaire 54 est de préférence une structure de support dont l'épaisseur est relativement faible par rapport à ses dimensions globales, cette épaisseur étant cependant suffisante pour que la colonne puisse supporter la plate-forme 52. L'axe d'articulation est situé dans la surface de l'embase ou à proximité immédiate de cette surface. Outre qu'elle peut pivoter autour d'un axe constitué par les broches des 7, charnières 56, la colonne triangulaire 54 réalise également avec la plateforme 52 un joint 58 autour duquel un mouvement universel est possible. Ce joint doit également supporter le poids de la plate-forme et il est de préférence situé au centre de cette plate-forme 52, dans la surface inférieure ou

légèrement au-dessous de la surface inférieure de la plate-

forme. Des supports de joints universels espacés sur le pourtour de l'embase, permettent un mouvement de rotation autour de points 60, 62, 64 et 66 situés dans l'embase ou à proximité de l'embase. Ces points sont de préférence disposés

en carré qui contient la base articulée de la colonne triangu-

laire 54. De même, des supports convenables établissent quatre points 68, 70, 72 et 74 situés dans la surface ou légèrement au-dessous de la surface de la plate-forme 52 et auxquels les éléments extensibles sont reliés. De même que précédemment, ces points sont de préférence disposés sensiblement en carré au centre duquel se trouve le point 58 d'articulation universel du sommet de la colonne. La plate-forme peut avoir avantageusement la forme d'un carré à proximité des quatre angles duquel se trouvent les points de liaison. Un élément extensible, actionné et commandé 76 est monté éntre les points 62 et 68. Un élément extensible, actionné et analogue 78 est monté entre les points 64 et 70. Un élément extensible actionné et analogue 80 est monté entre les points 66 et 72 et un élément extensible, actionné et analogue 82 est monté entre

les points 60 et 74. Les liaisons avec l'embase et la plate-

forme peuvent être à l'extérieur de la surface des zones correspondantes, mais elles sont avantageusement disposées

dans des plans parallèles à cette embase et à cette plate-

forme. Les liaisons sont réalisées par des moyens analogues à ceux décrits dans le brevet n0 3 295 224 précité et par des

moyens permettant un mouvement universel.

Dans cette forme de réalisation, qui permet un mouvement de rotation autour de l'articulation 58, cette dernière peut en outre effectuer un mouvement de translation latéral et perpendiculaire à l'axe de rotation des broches des charnières 56, ce mouvement de translation provoquant la descente ou la montée de la plate-forme sur une petite 8. distance. De même que dans la forme de réalisation décrite précédemment, les éléments de commande 76, 78, 80 et 82 ont une course limitée qui peut être très réduite par rapport à celle normalement demandée pour un simulateur du type à siX degrés de liberté tel que celui décrit dans le brevet précité.

De plus, il est possible de prévoir des butées limitant égale-

ment le mouvement de la plate-forme par rapport à l'embase ou

par rapport à l'un quelconque des actionneurs ou des supports.

De même que précédemment, les actionneurs peuvent être du type décrit dans le brevet n0 3 295 224 précité et ces actionneurs peuvent être commandés par un système hydraulique, pneumatique ou électromécanique similaire à celui décrit dans

le brevet précité.

La figure 3 représente une variante du système mobile de la figure 1 dont la colonne centrale est elle-même un élément extensible, actionné et commandé. La structure de la forme de réalisation -de la figure 3 est en tous autres points très proche de la forme de réalisation de la figure 1 mais, du fait de la présence de quatre éléments extensibles actionnés et commandés, on dispose également de quatre degrés de liberté. Etant donné que les pièces montrées sur la figure 3 correspondent étroitement à celles montrées sur la figure 1, les références numériques correspondantes sont utilisées pour désigner les pièces analogues, assumant la-même fonction ou des fonctions très voisines, les références

numériques portant cependant un signe "prime" sur la figure 3.

La différence principale concerne la colonne centrale 22' qui comporte un point 20' d'articulation situé à son extrémité supérieure et autour duquel un mouvement universel de rotation est possible. Cependant, la différence est que le point ou joint universel 20' se trouve à présent à l'extrémité d'un élément extensible 84 dont la partie fixe peut être encastrée

dans un support tronconique 86 fixé rigidement à l'embase 10'.

Il apparait ainsi clairement que, lorsque l'élément extensible

et actionné 84 change de longueur, il se produit- inévita-

blement une variation de la hauteur ou distance verticale comprise entre l'embase 10' et la plate-forme 18', ce qui se traduit par un mouvement purement vertical. Ce mouvement 9. vertical doit évidemment être suivi par les autres éléments

extensibles 36', 38' et 40'. Cependant, l'addition du mouve-

ment vertical permet à ce système mobile de simuler non seulement le roulis, le tangage et le lacet, mais également les mouvements de montée et de descente, ce qui peut être

extrêmement important dans certaines applications.

La figure 4 représente un système très voisin de celui montré sur la figure 2 et comportant un grand nombre d'éléments analogues à ceux représentés sur la figure 2. Etant donné que ces éléments sont similaires, ils portent les mêmes références numériques auxquelles cependant un signe "prime' est ajouté sur la figure 4. Toutefois, la forme de réalisation de la figure 4 diffère de celle de la figure 2 par le fait que la colonne triangulaire et articulée 54 de support est remplacée, dans ce cas, par une colonne 54' ayant la forme d'un V retourné, qui maintient à une valeur fixe l'écartement vertical entre la plate-forme 52' et l'embase 50' qui sont parallèles, et empêche ainsi toute variation de cet écartement vertical. Dans ce cas, la colonne 54' est une colonne rigide qui, au lieu d'être articulée sur l'embase, est reliée à cette embase 50' par l'intermédiaire de pistes ou chemins 88 de

guidage qui sont identiques, parallèles entre eux et suffisam-

ment espacés l'un de l'autre pour assurer la stabilité. Ces pistes reçoivent étroitement des lames 90 situées aux extrémités inférieures des jambes séparées de la colonne 54' en V retourné. Les lames 90 se logent dans les pistes 88 qui comportent des paliers linéaires permettant un mouvement horizontal linéaire dans un sens ou dans l'autre, suivant une ligne droite. Aucune commande supplémentaire n'est nécessaire. Une telle structure permet un mouvement purement horizontal. Par conséquent, ce système à quatre degrés de liberté de mouvements permet des rotations à trois degrés de liberté, à savoir des mouvements de roulis, de tangage et de lacet autour de l'articulation 58', et un mouvement linéaire horizontal provoquant en fait un déplacement de l'articulation

58' par rapport à l'embase.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté sans

sortir du cadre de l'invention.

10.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. - Système mobile permettant des mouvements à trois degrés de liberté, en particulier des mouvements de roulis, de lacet et de tangage, ou toute combinaison de ces mouvements, caractérisé en ce qu'il comporte une plateforme (18) qui présente quatre points (20, 30, 32, 34) situés dans un plan, une embase (10) de support qui présente trois points (24, 26, 28) situés dans un autre plan, une colonne (22) de support qui s'élève de l'embase jusqu'à un point à peu près central (20) de la plate-forme et qui comporte des organes de liaison permettant un mouvement de rotation de tout type autour de ce point qui est en position fixe dans l'espace, des éléments extensibles (36, 38, 40) montés entre les trois autres points (30, 32, 34) de la plate-forme et les trois points (24, 26, 28) de l'embase de support au moyen de joints

permettant tout mouvement relatif entre ces éléments exten-

sibles, et un dispositif -de commande destiné à faire changer sélectivement la longueur des éléments extensibles afin de

produire un mouvement.

2. - Système mobile capable de produire des mouve-

ments de rotation ayant au moins trois degrés de liberté, ainsi que diverses combinaisons de ces mouvements, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (10) de support qui présente trois points (24, 26, 28) situés dans un plan, une colonne (22) de support fixée à l'embase, à l'intérieur des trois points, une plate-forme -(18) reliée à la colonne supportée par l'embase, la liaison permettant à la plate-forme de tourner librement dans toutes les directions, cette plate-forme présentant trois points (30, 32, 34) situés dans un plan et entourant un point (20) de liaison universelle, trois éléments extensibles (36, 38, 40) étant reliés par une première extrémité à un point de l'embase de support et par leur autre extrémité à un point de la plate-forme, les points de liaison constituant des articulations sensiblement universelles afin de faciliter le mouvement de la plate-forme par rapport à son point de support sur la colonne sous l'effet de variations

choisies de la longueur des éléments extensibles.

1 1.

3. - Système selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que les éléments extensibles sont actionnés et commandés, un dispositif de commande faisant varier

sélectivement la longueur de ces éléments extensibles.

4. - Système selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la colonne de support est une colonne (22) fixée rigidement à l'embase de manière que le point (20) de liaison de cette colonne avec la plate-forme permette un mouvement universel de rotation uniquement par rapport à ce point fixe de la plate-formé, la colonne pouvant notamment avoir la forme d'un cône dont le sommet constitue le point de liaison avec la plate- forme, la colonne s'étendant vers le bas

de ce sommet jusqu'à l'embase.

5. - Système selon la revendication 3, carac-

térisé en ce que la colonne <54') comporte des organes (88,

) qui la supportent dans une orientation verticale fixe,.

mais qui lui permettent de se déplacer horizontalement par rapport à l'embase (50'), la colonne pouvant notamment comporter des organes (90) pouvant parcourir des pistes parallèles et espacées (88) situées sur l'embase afin de

permettre un mouvement linéaire horizontal de-la colonne.

6. - Système selon la revendication 3, carac-

térisé en ce que la colonne (22') peut exécuter un mouvement

limité par rapport à son embase (10') de support.

7. - Système selon la revendication 6, carac-

térisé en ce que le mouvement pouvant être exécuté par la colonne est limité à un mouvement vertical, la colonne pouvant notamment comporter un élément extensible et actionné (84) qui permet de régler verticalement la hauteur de la plate-forme (18'), mais qui est maintenu dans une orientation verticale

fixe par rapport à l'embase (10').

8. - Système selon la revendication 3, carac-

térisé en ce que la colonne (54) est montée sur des organes (56) de. support qui permettent une rotation autour d'un axe situé dans l'embase (50) ou parallèle, à très peu de distance, à cette embase (50), afin de permettre un mouvement d'articulation autour dudit axe et, par conséquent, un mouvement horizontal de translation, perpendiculairement à 12.

l'axe, ainsi qu'un petit déplacement vertical entre la plate-

forme <52) et l'embase (50), la colonne de support pouvant notamment avoir sensiblement la forme d'un triangle dont un bord est articulé sur l'embase et dont le sommet de l'angle opposé est relié par un point (58) de liaison universelle à la plate-forme.

9. - Système selon la revendication 8, carac-

térisé en ce que la colonne de support est un élément rigide

d'épaisseur limitée.