FR2639700A1 - Systeme d'actionneur sans inertie - Google Patents

Abstract

La conception d'un système d'actionneur à basse vitesse sans inertie nécessite au moins deux roues dentées 1, 5, coaxiales l'une par rapport à l'autre et engrenées, dont l'une est flexible et peut être déformée en ovale. Les 2 axes principaux de la roue dentée flexible 5, déformée en ovale, entraînent l'engrenage des 2 roues dentées. La rotation des axes principaux se fait magnétiquement au moyen des forces divergentes agissant sur la roue dentée flexible et ce de l'intérieur vers l'extérieur. Le système d'actionneur à basse vitesse sans inertie est particulièrement applicable en robotique.

Description

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Système d'actionneur sans inertie L'invention concerne un système d'actionneur sans inertie selon

le descriptif de la requête 1.

Spécialement en robotique, il est nécessaire d'utiliser des systèmes d'actionneur à basse vitesse. Les moteurs à haute vitesse utilisés habituellement pour cela, utilisent une botte de vitesse à très haut rapport de réduction, causant une grande

inertie, ce qui est un inconvénient considérable.

Des lents systèmes d'actionneur sans inertie existent par exemple sous la forme de "Système d'actionneur Harmonic Drive", décrit dans la publication "Musser, C.W.: The Harmonic drive, Maschine Design (1960) pages 160-173" ou dans la DE-AS 11 35 259. Ces systèmes d'actionneur Harmonic Drive habituels utilisent une première roue dentée circulaire fixe et une deuxième, nommée "dynamique", qui tourne lentement, est flexible et peut être déformée en ovale si nécessaire. Ces roues dentées sont aussi nommées (dans les publications techniques): "Circular Spline (CS), "Dynamic Spline (DS)" et "Flex Spline (FS)". Les dents extérieures s'enfoncent aux pôles de l'ellipse dans les deux

autres roues dentées et alignent là les dents de ces deux roues.

Habituellement, pour faire tourner les axes principaux de l'ellipse, un corps ovale monté sur l'axe d'erntraînement déforme mécaniquement en ellipse la roue dentée ovale. Par contre, la

DE-AS 11 35 259 (figures 48 et 49) et la description

correspondante montrent aussi une déformation flexible et donc la rotation des axes principaux par des aimants, situés autour de la roue dentée flexible et décalés l'uns par rapport aux autres (avec écarts équidistants). Dans ce cas, on excite toujours 2 aimants opposés. Pour ce faire, la roue dentée flexible doit etre magnétiquement perméable pour assurer une déformation ovale de la roue dentée flexible et la création de 2

axes principaux.

Mais, en pratique, ce système présente des inconvénients considérables qui ne doivent pas être sous-estimés. La construction avec beaucoup d'aimants, décalés les uns par rapport aux autres est assez encombrante. Et de plus, la roue dentée flexible doit être ferromagnétique pour assurer la déformation causée par l'excitation des aimants. Si la roue dentée est mince, les forces magnétiques sont trop faibles pour

assurer sa déformation mais également la bonne progression du.

point d'appui sur l'autre roue dentée. Par contre, si la roue dentée flexible est ferromagnétique et épaisse, elle est plus difficile à déformer. Ceci exige normalement des aimants plus importants pour obtenir de plus grandes forces magnétiques, ce qui rend le système plus encombrant, plus cher et moins fiable à

cause de la flexibilité trop réduite.

De plus, les lignes de champs magnétiques passeraient à travers l'engrenage (à travers les points d'appui) ce qui réduit considérablement l'efficacité et le bon fonctionnement du système. Le but de cette invention est donc d'éviter les désavantages techniques des systèmes habituels et de créer un système d'actionneur d'une grande simplicité, très peu encombrant et de

très haute fiabilité.

Dans cette invention, ce but est atteint voir les caractéristiques mentionnées à la requete 1. On pourra trouver

les principaux avantages de cette invention dans les sous-

A requetes. Le système d'actionneur sans inertie présenté ici contient plusieurs systèmes d'aimants qui, par leur disposition, peuvent appliquer des forces divergentes sur la roue dentée flexible, de l'intérieur vers l'extérieur. Ceci se fait par le mouvement de l'induit (noyau) de chaque système d'aimant ou inversement par son bottier, car les aimants sont positionnés directement au niveau de la roue dentée. Tout particulièrement en cas d'utilisation d'aimants en forme de cloche. chaque système d'aimant peut sans problème générer un couple de forces divergent qui actionne immédiatement la roue dentée flexible et donc génère deux axes principaux d'ellipse. Dans ce cas, la trajectoire des lignes de force des aimants en forme de cloche est courte. De plus, cela réduit de moitié le nombre d'aimants nécessaire car chaque système d'aimant génère un couple d'axes

principaux opposés.

Autre performance de ce système: les aimants peuvent actionner la roue dentée flexible aussi par des leviers. Les forces divergentes fournies par les aimants et qui causent la déformation sont appliquées à la roue dentée flexible par des leviers. Dans ce cas aussi, des aimants, en forme de cloche, peuvent appliquer des forces de déformation de l'intérieur vers l'extérieur, l'une en sens opposé à l'autre; ces forces, par un

couple de leviers, déforment la roue dentée flexible.

D'autres avantages, détails et caractéristiques sont présentés ensuite dans l'exemple de réalisation à l'aide de dessins. Les figures montrent les détails suivants: Figure 1: schéma montrant une moitié du système en coupe;, Figure 2: vue partielle de front du système d'actionneur sans inertie selon l'invention, la ligne de coupure étant II-II dans la figure 1; Figure 3: coupe partielle longitudinale d'une "boite de réduction harmonic drive en forme de cloche"; Figure 4: schéma montrant un exemple de réalisation supplémentaire aux aimants disposés à l'intérieur de la roue dentée flexible, en cas d'excitation d'un seul aimant; Figure 5 variation de la figure 4 montrant deux aimants étant excité simultanément de façon partielle;

Figure 6: schéma montrant un aimant utilisé en figure 4 et 5.

Les figures 1 et 2 montrent une roue dentée 1 et une roue dentée 3: les deux roues sont, de forme circulaire et de diamètres intérieurs égaux, munies de dentures intérieures. La roue dentée 1 ayant par exemple 200 dents et la roue dentée 3 en ayant 202, elles ont un nombre de dents légèrement différent. Ces 2 roues dentées sont disposées de façon coaxiale, immédiatement voisines. Elles sont en contact avec une roue dentée flexible 5 qui se trouve à l'intérieur des roues 1 et 3; la roue 5 possède une denture à l'extérieur, qui, vue de face, est ovale, et a la meme longueur que l'ensemble des roues dentées 1 et 3; la roue 5 a le même nombre de dents que la roue dentée 1. Les éléments sus-mentionnés utilisent un système de denture contenant des

éléments du type plat de la botte de réduction "harmonic drive".

Les roues dentées 1 à 5 sont aussi nommées (dans la littérature)

"Circular Spline (CS), Dynamic Spline (DS) et Flex Spline (FS)".

Un système électromagnétique de manipulation assure par une déformation (ceci sera détaillé) la rotation des axes principaux (HS) pour faire tourner la roue dentée dynamique 3 par rapport à

la roue dentée 1, qui elle, est fixe.

Ce système d'actionneur électromagnétique se compose (voir 3) d'aimants, nommés aimants en forme de cloche 10. Ils sont fixés dans un cylindre de support 7 grace à des alaisages radiaux, repérés 9. Chacun des aimants 10 est formé d'un capot 13, un induit 15 s'insérant axialement dans l'aimant, une chemise de guidage de l'aimant 17, une charnière 19 et le bobinage électromagnétique 21. L'induit 15 est séparé du bobinage par la chemise de guidage de l'aimant 17. Une broche filetée 23, fixée radialement à la cloche extérieure de l'aimant par un pointeau,

tient le couvercle extérieur 1' de l'aimant électrique.

La partie axiale intérieure de l'induit 15 porte une plaquette

évitant l'effet d'adhésion magnétique 25.

Une tige filetée 27 dépasse, en sens axial, l'induit 15 lui-meme débordant le couvercle de l'aimant 13. Cette tige conduitsant à la fourche de charnière 19 sus-mentionnée, est fixée par une cheville cylindrique 29 à un levier 37. Un écrou 31 bloque la tige filetée 17 à l'induit 15. Dans l'exemple de réalisation présenté, dans une rainure longitudinale 33, une autre cheville cylindrique 35 sert de support au levier 37 dont le bras libre agit sur une plaque d'appui 43 fixée dans un bottier (composé par une partie inférieure et un couvercle, 39 et 41). La surface de la plaque d'appui 43, orientée radialement vers l'extérieur, entrafne immédiatement la roue dentée flexible 5, dont les dents engendrent le mouvement de la denture intérieure des roues fixe

et flexible (1 et 3).

Les deux autres aimants en forme de cloche ne diffèrent que par la longueur des bras différents du levier 37, dont l'extrémité

libre aboutit au centre de la plaque d'appui 43 en question.

Les détails suivants sont importants pour une meilleure compréhension. Les aimants en forme de cloche sus-mentionnés se trouvent dans un alaisage radial traversant le cylindre de support 7. La construction dessinée à droite de la figure 1 se trouve, symétriquement, à gauche. Chaque aimant peut donc actionner deux leviers opposés 37 (chacun par une partie de l'induit 15 qui avance dans l'aimant et dont l'extrémité donnant 25. vers l'intérieur (côté front) se trouve près de l'autre partie

de l'induit 15, face cachée dans le dessin de la figure 1).

Par l'excitation de l'aimant en forme de cloche sus-mentionné, deux leviers opposés sont manipulés, chacun par sa partie d'induit 15, vers l'axe de symétrie du cylindre de support 7 afin que les autres extrémités des leviers soient amenées contre la plaque d'appui 43 aux endroits opposés. Les axes principaux

de l'ellipse montrés (voir figures 2 et 3) sont ainsi crées.

Par l'excitation successive des aimants les couples de leviers engendrent le mouvement rotatif des axes principaux de l'ellipse

EH 45. L'angle de rotation dépend de la disposition des aimants.

Dans l'exemple de réalisation présenté il est de 60 degrés.

Autour des pôles de l'ellipse, le chevauchement de dents est engendré par la roue fixe 1 (pouvant, au moyen d'autres dispositifs, être attachée au couvercle 41 ou & la base 39) et la roue flexible 3. Il se déplace progressivement le long de la circonférence. Donc, si la roue dentée 1 (première) et la roue dentée flexible 5 restent fixes, le système statique d'aimants déforme seulement la roue dentée flexible 5, et un demi tour de l'axe principal de l'ellipse fait progresser la (seconde) roue dentée dynamique d'une dent par rapport à la roue dentée (première). Cette "rotation primaire' du couple de vecteurs se

produit sans inertie.

Dans l'exemple de réalisation présenté, la rotation des vecteurs se fait de manière discontinue par pas angulaires constants, (6 pas par tour), les aimants en forme de cloche ayant entre eux un angle de 120 degrés. Par contre, les modules des vecteurs varient afin d'assurer un déroulement de la roue dentée flexible sur la denture intérieure de la première et la deuxième roue dentée 1, 3. Par ordinateur, on peut imposer la fonction de la tension par rapport au temps (pendant la commutation) afin d'assurer le bon déroulement de la roue dentée flexible (FS) sur la roue dentée circulaire (CS). Un chevauchement entre la croissance et la décroissance des excitations peut ainsi produire la quasi-continuité de la "rotation primaire" du couple de vecteurs de force et donc des axes principaux de l'ellipse en question. L'exemple de réalisation cité présente, dans sa partie de base

(39 en figure 1 à gauche), un espace 47 o la rotation sus-

mentionnée de la deuxième roue dentée dynamique 3 (si elle porte une denture à sa surface extérieure) peut entrainer, par une roue intermédiaire, un dispositif quelconque. Il est aussi possible de supprimer partiellement la base du bottier 39 afin que la deuxième roue dentée dynamique 3 mise en rotation

fournisse son énergie par l'intermédiaire d'un axe coaxial.

Dans l'exemple de réalisation, le nombre d'aimants en forme de cloche sont décalés entre eux d'un angle de 120 degrés. Mais leur nombre peut tre augmenté librement à condition qu'un nombre pair soit maintenu afin d'assurer constamment un couple de forces diamétrales déterminant l'àxe principal de l'ellipse. Il est aussi possible qu'un dispositif de type "wave-generator" génère la rotation primaire de l'axe principal de l'ellipse de façon continue ou quasi-continue car les vecteurs de force (croissant et décroissant), tournent de la meme façon selon

l'excitation.

Dans le cas du système présenté, la roue dentée flexible 5 fournit également, par son élasticité, la force de retour en position de repos des leviers dont les aimants correspondants ont été désexcités. La figure 1 montre le levier 37 à droite en cas d'excitation de son aimant 10. Les parties intérieures des induits ne sont donc séparées l'une de l'autre que par la

plaquette évitant l'effet d'adhésion magnétique 25.

Par la désexcitation de cet aimant, le levier 37, en figure 1 à droite, tenu par son axe 35 bouge vers l'extérieur (en sens

horaire). En effet, l'excitation de l'aimant suivant entraîne.

par la roue dentée flexible 5, l'extrémité libre du levier (en bas de la figure 1) en sens trigonométrique vers l'axe central

du système (à gauche).

Des éléments de ressorts supplémentaires peuvent etre montés,

mais celA n'est pas nécessaire.

A la place d'un seul aimant en forme de cloche actionnant deux leviers par l'intermédiaire de deux induits 15 qui s'enfoncent, 2 aimants opposés peuvent étre installés et excités simultanément pour déterminer un axe principal de l'ellipse de

la roue dentée flexible 5.

Bien que les aimants en forme de cloche avec leurs induits orientés radialement (pour actionner une paire de leviers 37) soient pour des raisons de reduction du volume décalés l'un par rapport à l'autre en sens axial dans le cylindre de support 7, d'autres constructions sont possibles, mais elles seraient alors

plus encombrantes.

Dans le cas de la réalisation présentée, les deux premières roues dentées portent leur denture à l'intérieur et la roue dentée flexible à l'extérieur. Inversement, il est possible de réaliser le système avec les deux premières roues portant des dentures extérieures et la roue dentée flexible 5 une denture intérieure. Dans ce cas, l'engrenage se produit au niveau de l'axe principal court de l'ellipse. Les 3 roues (1, 3 et la roue

dentée flexible 5) peuvent avoir un nombre de dents différent.

Un nombre plus important d'aimants peut affiner le déroulement.

Il est même possible de prévoir, à l'intérieur de la roue dentée flexible 5, beaucoup d'aimants arrangés en forme d'étoile qui interagissent avec des aimants permanents ou des aimants électriques de petite hauteur (situés en dessous de la roue dentée flexible) de telle façon que l'excitation de certains aimants cause des forces de répulsion entre les aimants orientés radialement dans le cylindre de support 7 et la plaque d'appui

fixée en dessous ou à 1 intérieur de la roue dentée flexible 5.

L'excitation cyclique de ces aimants électriques peut alors causer des forces de répulsion tournantes et donc assurer un axe

principal d'ellipse qui tourne.

Dans le cas de l'exemple de réalisation présenté, on crée deux axes principaux par la déformation ovale de la roue dentée flexible 5. Néanmoins, d'autres déformations géométriques de la roue dentée flexible 5, telles les déformations en triangle ou en rectangle, sont possibles afin de créer, par exemple, 3 pôles d'axes principaux décalés de 120 degrés ou 4 pôles d'axes principaux décalés de 90 degrés au niveau desquels s'engrènent la roue dentée flexible 5 et les deux roues 1 et 3 qui l'entourent. Par principe, un seul point d'engrenage permettrait déjà le fonctionnement, mais dans ce cas les forces ne seraient

pas symétriques, ce qui serait un inconvénient majeur.

L'exemple de réalisation présenté selon les figures 1 et 2 décrit un système d'actionneur "harmonic drive" à 3 roues dentées comparable à la "bolte de vitesse harmonic drive de

forme plate".

La figure 3 montre de façon schématique qu'on peut imaginer un "système d'actionneur harmonic drive en forme de cloche". Cela n'exige qu'une roue dentée extérieure 1 et une roue dentée intérieure flexible 5. Si la roue dentée extérieure 1 est fixée, la rotation de l'axe principal entralne une rotation lente (dans l'autre sens) de la roue dentée flexible 5 qui peut etre liée au fond rigide de la cloche 5' de la roue dentée flexible 5 ou au dispositif central 5''. Si, inversement, on fixe la roue dentée flexible, la roue dentée extérieure 1 tourne et on peut emparer l'énergie de rotation d'une cloche comparable. La construction

serait semblable à la construction de la figure 2.

Les figures 4 et 5 montrent des variantes o les systèmes d'aimants 10 ne sont pas déportés axialement hors de la roue dentée flexible 5 mais à l'intérieur de cette dernière. Il s'agit d'aimants en forme de cloche 10, contenant des induits 15 rallongé radialement vers un côté et ayant, en sens opposé, un dispositif d'appui 15' qui touche à la plaque d'appui 43 et donc à la roue dentée flexible 5. Des petites pièces courbées (au niveau du centre) permettent à la prolongation des induits des différents aimants 10 passant l'un à côté de l'autre de ne pas

se toucher.

La présentation selon figure 4 montre l'aimant en forme de cloche inférieure 10 en excitation, ce qui cause un couple de forces divergeant par la répulsion (vers l'extérieur) de l'induit 15 par rapport au dispositif d'appui radial 15'. L'axe principal dessiné verticalement dans la figure 4 avec ses pôles en haut et en bas détermine donc la déformation de la roue

dentée flexible 5.

Ensuite, on excite successivement les trois aimants 10 et obtient le déroulement de la roue dentée flexible 5 par rapport

la roue dentée fixe 1 respectivement 3.

La présentation figure 5 montre, en cas du déroulement en sens horaire de la roue dentée 5 déformée en ovale, l'aimant 10 (voir figure 4, du bas à gauche vers le haut à droite) avec son induit et son dispositif d'appui radial 15' en phase d'excitation décroissante (mais encore partiellement excité). L'autre aimant (voir figure 4, du bas à droite vers le haut à gauche) avec son induit 15 et son dispositif d'appui radial 15' est en phase d'excitation croissante. Il y a un chevauchement des excitations qui assure une rotation continue de l'axe principal. La figure 5 montre l'axe principal au moment o les deux aimants sont

excités pareillement.

La figure 6 montre schématiquement un exemple de réalisation d'un système d'aimant permettant une telle double-fonction. En cas d'excitation, l'induit 5 est tiré vers l'intérieur du bobinage 21 et, en même temps, le dispositif d'appui radial 15' %15 situé en face s'appuiant au bottier ou au bobinage 21 est bougé en sens opposé. Ce mouvement de répulsion crée les axes principaux. Après la désexcitation de l'aimant un système de ressort (non présenté ici) retire l'induit 5 vers l'intérieur du bobinage 21. Le rapprochement de l'induit 5 au dispositif d'appui 15' (situé en face et s'appuiant au bottier) réduit la longueur de ce système de répulsion et il ne déforme plus la

roue dentée flexible.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Système d'actionneur sans inertie contenant 2 roues dentées (dentées à l'intérieur) (1, 5), dont la différence de nombres de dents est de préférence minime, comparé avec le nombre de dents total. L'une (5) de ces roues dentées est flexible et peut donc être déformée de telle façon qu'elle s'appuie à la roue dentée première (1) selon le nombre, la position et l'orientation de ses axes principaux. En conséquence, la rotation d'au moins deux axes principaux de la roue dentée flexible (5) cause un

%0 mouvement rotatorique relatif entre les 2 roues dentées (1, 5).

Pour cela, des systèmes d'aimant électrique (10) créent les axes principaux en fonction de la flexibilité géométrique choisie de la roue dentée flexible. Ces systèmes d'aimant (10) sont fixés (au moins indirectement) à la roue dentée flexible (5), chaque système étant décalé par rapport à l'autre. Ces systèmes d'aimant (10) peuvent être exités de façon cyclique l'un après l'autre afin d'assurer une rotation ou une quasi-rotation des axes principaux, caractérisé par le fait que surtout un aimant en forme de cloche applique un couple de forces de divergent [à un point d'appui progressant sur cette roue dentée (5)] afin

d'assurer la déformation de cette dernière.

A

2. Système d'actionneur sans inertie selon requete 1, caractérisé par le fait que le système d'aimant (10) manipule les bouts des leviers dont les autres bouts s'appuient (aux points d'appui progressants) à la roue dentée flexible (5) et la

déforment ainsi en ovale.

3. Système d'actior.nneur sans inertie selcon requête 1 ou 2.

caractérisé par le fait que chaque système d'aimant (10) génère un couple de forces dû-ergent lesquelles s'appliquent (en direction diamétrale) à la roue dentée flexible (5) et génèrent !ú ainsi les 2 axes principaux de cette dernière et donc sa forme ovale. A

4. Système d'actionneur sans inertie selon requete 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'à chaque point d'appui, entre l'extrémité du levier (37) [qui est manipulé, à son autre bout, par le système d'aimants (10)] et la roue dentée flexible (5),

se trouve une plaque d'appui (43).

5. Système d'actionneur sans inertie selon une des requetes 2 à 4, caractérisé par le fait que les leviers, dont les roulements

sont excentriques, atténuent les forces d'appui.

6. Système d'actionneur sans inertie selon une des requêtes 1 à , caractérisé par le fait que les systèmes d'aimants (10) sont situés dans un support cylindrique (7) à l'intérieur de la 2ème

roue dentée (5).

7. Système d'actionneur sans inertie selon requete 4 ou 6, caractérisé par le fait que les plaques d'appui (43) qui peuvent etre préchargées par les leviers (37), s'encastrent dans des

orifices (33) du support cylindrique (7).

8. Système d'actionneur sans inertie selon une des requêtes 1 à 7, caractérisé par le fait que les systèmes d'aimants (10) sont déplacés l'un par rapport de l'autre en sens axial et, étant de préférence des transducteurs mécaniques en forme de leviers manipulables, afin de créer, à la 2ème roue dentée flexible (5), actionnent des vecteurs de force vers l'extérieur et donc les

axes principaux de l'ellipse.

9. Système d'actionneur sans inertie selon une des requetes 1 à 8, caractérisé par le fait que les aimants des systèmes d'aimants (10) peuvent être excités de telle façon que, malgré leur discontinuité, la rotation des vecteurs de forces (générés par voie électromagnétique) et donc des axes principaux soit quasi-continue.

10. Système d'actionneur sans inertie selon requete 9, caractérisé par le fait que les systèmes d'aimants (10) peuvent A être excités successivement, pendant que, au moins partiellement, le champ croissant et décroissant se chevauchent

afin d'assurer un roulement et une rotation continus.

A

11. Système d'actionneur sans inertie selon une des requetes 1 & _ 10 caractérisé par le fait que la 2ème roue dentée (5) s'engrène (à un point d'engrenage variable) dans 2 roues (1, 3), dentées à

l'intérieur ou l'extérieur, dont une est la roue d'aval.

12. Système d'actionneur sans inertie selon une des requetes 1 à caractérisé par le fait que la lère ou la 2ème roue dentée

1 (1, 3; 5) est la roue d'aval.

13. Système d'actionneur sans inertie selon une des requêtes 1, 3, 8 ou 9 caractérisé par le fait que le système d'aimants (10) se trouve à l'intérieur de la (deuxième) roue dentée flexible (5) et que les induits des aimants (15) [ou les induits des aimants (15) avec leur contredispositif d'appui radial (15') si l'aimant génère un couple de forces] acionent, s'ils sont excités afin de générer des axes principaux,, la

roue dentée flexible (5) de l'intérieur vers l'extérieur.