FR2977649A1

FR2977649A1 - Actionneur lineaire

Info

Publication number: FR2977649A1
Application number: FR1102156A
Authority: FR
Inventors: Olivier Duplouy
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-11
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CA2777564A1; FR2977649B1; US8973460B2; US20130118281A1; CA2777564C

Abstract

La présente invention concerne un actionneur linéaire (2) apte à mobiliser une charge (3), comportant : • une jambe (4) liée à la charge (3) par une de ses extrémités à une rotule à trois degrés de liberté en rotation ; • un plateau mobile en translation (6) suivant un axe (5) appartenant à un plan d'un support (9) de l'actionneur (2), ledit plateau mobile (6) étant mécaniquement lié à la jambe (4) par son autre extrémité. L'actionneur linéaire comporte en outre au moins un premier câble élastique (7), fixé par l'une de ses extrémités au plateau mobile (6), et fixé par son autre extrémité sur le support (9), s'engageant dans une première poulie fixée sur le support (9). L'actionneur selon l'invention est notamment utilisé pour mobiliser une plateforme de simulation montée sur un hexapode.

Description

Actionneur linéaire La présente invention concerne un actionneur linéaire, notamment utilisé pour mobiliser une plateforme de simulation montée sur un hexapode.

L'invention se situe dans le domaine des actionneurs de systèmes de mouvement utilisés par exemple pour: des simulateurs de vol, de conduite de véhicule. Les simulateurs pour lesquels l'invention s'applique sont des simulateurs comportant par exemple une cabine de pilotage, de conduite, réelle. L'utilisation d'une cabine réelle implique que le simulateur a un poids et une dimension importants.

Pour des raisons de maintenance des simulateurs, de réduction de coût des infrastructures dans lesquelles sont placées les simulateurs, ainsi que de coût de l'énergie à fournir pour mobiliser un simulateur, il est de plus en plus courant d'utiliser des actionneurs à mouvement électrique à la place d'actionneurs à mouvement hydraulique.

Un des problèmes liés à l'utilisation d'actionneurs à mouvement électrique, se situe dans la prise en compte des efforts statiques liés à la charge déplacée et des efforts dynamiques liés à la masse et à l'inertie de la charge déplacée. Différentes solutions de compensation existent, comme : une 20 compensation pneumatique, une compensation hydraulique. Un système de compensation pneumatique fonctionne notamment avec des accumulateurs et un compresseur. Le compresseur comprime un gaz dans les accumulateurs. Les accumulateurs sont par ailleurs reliés à un actionneur ou à un vérin de compensation. Le système de compensation 25 pneumatique fournit un effort unidirectionnel, relativement constant. Un système de compensation hydraulique fonctionne notamment avec des accumulateurs et une centrale hydraulique. La centrale hydraulique comprime une solution huileuse dans les accumulateurs. Les accumulateurs sont reliés à l'actionneur. Le système de compensation hydraulique fournit 30 également un effort unidirectionnel, relativement constant. Les solutions de compensation pneumatique et hydraulique ont pour principaux défauts : - un fort encombrement au sol ; - un coût important de fabrication et de maintenance ; - d'être soumis aux normes d'utilisation des équipements sous pression qui sont très contraignantes ; - d'être peu adaptable en fonction des variations de l'effort statique appliqué à l'actionneur du fait que l'effort de compensation est relativement constant. De plus les systèmes de compensation pneumatiques sont relativement longs à mettre en route, ajoutant une contrainte supplémentaire pour l'utilisation du simulateur.

Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un actionneur linéaire apte à mobiliser une charge. Ledit actionneur linéaire comporte : - une jambe liée à la charge par une de ses extrémités à une rotule à trois degrés de liberté en rotation ; - un plateau mobile en translation suivant un axe appartenant à un plan d'un support de l'actionneur, ledit plateau mobile étant mécaniquement lié à la jambe par son autre extrémité, Ledit actionneur comporte en outre au moins un premier câble élastique, fixé par l'une de ses extrémités au plateau mobile, et fixé par son autre extrémité sur le support, s'engageant dans une première poulie fixée sur le support. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le premier câble élastique et la première poulie peuvent être agencés de façon à obtenir un équilibre stable pour l'actionneur linéaire. Dans un autre mode de réalisation, le premier câble élastique peut être fixé sur une première partie latérale du plateau mobile. L'actionneur linéaire peut comporter au moins un deuxième câble élastique fixé par l'une de ses extrémités sur une deuxième partie latérale du plateau mobile, et fixé par son autre extrémité sur le support. Le deuxième câble élastique s'engage dans une deuxième poulie fixée sur le support. Les premier et deuxième câbles élastiques, la première poulie et la deuxième poulie sont agencées de façon à obtenir un équilibre stable pour l'actionneur linéaire. Le premier câble élastique et le deuxième câble élastique peuvent agir sur le plateau mobile dans le même sens.

Dans une autre réalisation de l'invention le premier câble élastique et le deuxième câble élastique peuvent agir sur le plateau mobile en sens opposé. Les câbles élastiques peuvent être des sandows.

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le premier câble et le deuxième câble peuvent avoir une raideur différente. L'invention a en outre pour objet un actionneur hexapode, comportant au moins un actionneur linéaire selon l'invention. Avantageusement, l'actionneur hexapode peut être adapté à la 10 mobilisation d'une plateforme de simulation. Avantageusement, l'actionneur hexapode peut être adapté à la mobilisation d'une plateforme de simulation d'un poste de pilotage d'un mobile.

15 L'invention a notamment pour principaux avantages d'être fiable et de fournir une bonne tenue dans le temps.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite 20 en regard des dessins annexés qui représentent : - la figure 1 : un positionneur hexapode utilisant au moins un actionneur selon l'invention ; - la figure 2 : un actionneur selon l'invention ; - la figure 3 : un système de compensation de l'actionneur selon 25 l'invention ; - la figure 4 : un exemple de dimensionnement du système de compensation de l'actionneur selon l'invention ; - la figure 5 : un autre mode de réalisation d'un système de compensation de l'actionneur selon l'invention. 30 La figure 1 représente un positionneur hexapode 1 comportant au moins un actionneur 2 selon l'invention. Le positionneur hexapode 1 peut mettre en mouvement une plateforme mobile 3. Le positionneur hexapode 1 peut être réalisé selon le concept de plate-forme de Stewart permettant un 35 mouvement de la plateforme mobile 3 selon six degrés de liberté : trois degrés de liberté en translation, trois degrés de liberté en rotation selon des angles de tangage, de roulis et de lacet, autrement nommés angles d'Euler. Les plateformes de Stewart sont notamment utilisées pour réaliser des simulateurs d'après une conception de K. Cappel. Les plateformes de Stewart font parties de la famille des robots parallèles.

Le positionneur hexapode 1 comporte notamment six actionneurs. La charge de la plateforme 3 est répartie sur les six actionneurs du positionneur hexapode 1. Par exemple, les six actionneurs peuvent être des actionneurs 2 selon l'invention. Dans un autre exemple de réalisation, un positionneur hexapode peut comporter au moins un actionneur 2 selon l'invention et d'autres actionneurs selon l'état de la technique. Un actionneur 2 selon l'invention comporte notamment une jambe 4, pouvant par exemple être réalisée par une bielle et avoir une longueur fixe, ou par un vérin et avoir une longueur variable. Chaque jambe 4 est reliée par une extrémité supérieure à la plateforme mobile 3 par l'intermédiaire d'une rotule à trois degrés de liberté en rotation, non représentée sur la figure 1. La rotule est fixée sur la plateforme mobile 3. Les extrémités inférieures de chaque jambe peuvent se déplacer selon un segment de droite. Le segment de droite peut être réalisé par une rampe 5, par exemple inclinée, sur laquelle se déplace un chariot 6. Le chariot 6 se déplace donc selon un axe sensiblement parallèle à la rampe 5. L'extrémité inférieure de la jambe 4 peut être montée sur le chariot de manière à avoir un degré de liberté en rotation, selon un axe par exemple sensiblement perpendiculaire à la rampe 5. L'actionneur 2 selon l'invention peut également comporter un premier dispositif de compensation élastique, comportant au moins un câble élastique 7, 8. Sur la figure 1 et pour l'exemple le premier dispositif de compensation comporte deux câbles élastiques 7, 8. Un premier câble 7 du premier dispositif de compensation élastique peut être relié par une de ses extrémités, par exemple sur une première partie latérale d'un socle 9 sur lequel est fixée la rampe 5. Le socle 9 peut par exemple être posé directement sur le sol. Le socle 9 est immobile par définition. Le premier câble 7 du premier dispositif de compensation élastique peut être relié selon une autre de ses extrémités sur un premier côté du chariot 6. Un deuxième câble élastique 8 du premier dispositif de compensation élastique peut être relié par une de ses extrémités par exemple sur une deuxième partie latérale d'un socle 9 par un premier point d'attache fixe 10. Le deuxième câble élastique 8 du premier dispositif de compensation élastique peut être relié selon une autre de ses extrémités sur un deuxième côté du chariot 6. Les différents points d'attache des câbles élastiques du premier dispositif de compensation sur le socle 9 et sur le chariot 6 sont donnés à titre d'exemple et peuvent être adaptés selon une d'autres configurations du positionneur hexapode 1. Sur la figure 1, le compensateur élastique selon l'invention est représenté selon deux parmi l'ensemble des positions possibles : une première position 71, 81 dans laquelle le chariot 6 est à une première extrémité de la rampe 5, une deuxième position 72, 82 dans laquelle le chariot est à une deuxième extrémité de la rampe 5.

La figure 2 représente une vue partielle d'un actionneur 2 selon l'invention. Sur la figure 2 sont notamment représentés le premier et le deuxième câble élastique 7, 8, tel que représentés sur la figure 1.

La figure 2 représente également deux parmi des positions possibles du chariot 6 sur la rampe 5 : une première position 71, 81 dans laquelle le chariot est à une première extrémité de la rampe 5, une deuxième position 72, 82 dans laquelle le chariot est à une deuxième extrémité de la rampe 5. La première position 71, 81 peut être une position dite « basse » et la deuxième position 81, 82 peut être une position dite « haute ». Une première poulie 20 est fixée sur la première partie latérale du socle 9. Le deuxième câble élastique 8 s'engage dans la première poulie 20 pour suivre le mouvement du chariot 6 le long de la rampe 5 depuis la première position 71, par exemple une position basse, jusqu'à la deuxième position 81, par exemple une position haute. La première poulie 20 est notamment une poulie de renvoi. Une deuxième poulie, non représentée sur la figure 2, est fixée sur la deuxième partie latérale du socle 9. Le premier câble élastique 7 s'engage dans la deuxième poulie pour suivre le mouvement du chariot 6 le long de la rampe 5 depuis la première position basse 71, jusqu'à la deuxième position haute 81. La deuxième poulie est notamment une poulie de renvoi. Une telle configuration du dispositif de compensation permet avantageusement d'appliquer sur le chariot une force de rappel variant selon la position du chariot 6 sur la rampe 5. La force de rappel est exercée par les premier et deuxième câbles élastiques qui agissent dans le même sens sur la figure 2. Par exemple pour un dispositif tel que représenté sur la figure 2, la force de rappel est : - maximale lorsque le chariot 6 est à la première position basse 71 ; - nulle lorsque le chariot 6 est à la verticale des première et deuxième poulies 20 ; - inversée lorsque le chariot 6 est à la deuxième position haute 81. Avantageusement un tel dispositif de compensation permet de ramener le chariot 6 dans une position d'équilibre stable, c'est-à-dire à une position pour laquelle la force de rappel est nulle, sans fournir d'énergie supplémentaire. Une telle capacité permet d'accroitre la sécurité du positionneur, en effet, si un problème survient, les actionneurs selon l'invention reviennent à un équilibre stable sans nécessiter d'apport d'énergie. Ceci est particulièrement avantageux lorsque les sources d'énergie sont défaillantes.

La figure 3 représente de manière schématique une partie de l'actionneur selon l'invention en vue de profil. Sur la figure 3 sont notamment représentées : le deuxième câble élastique 8, le socle 9, le chariot 6 dans les deux positions extrêmes 81, 82, la deuxième poulie 20.

Dans un exemple de réalisation particulièrement avantageux du premier dispositif de compensation, les câbles élastiques 7, 8 peuvent être des sandows, c'est-à-dire des câbles élastiques composés d'une âme en caoutchouc et d'une enveloppe par exemple en textile, comportant par exemple des crochets à chaque extrémité pour les arrimer.

Les câbles élastiques 7, 8 du premier dispositif de compensation ont une fonction de rappel. Ainsi tout dispositif de rappel comme un ressort peut être utilisé à la place des câbles élastique 7, 8. Cependant l'utilisation par exemple de câbles réalisés en élastomère est avantageusement peu coûteuse. Avantageusement, un dimensionnement et une configuration du premier dispositif de compensation peuvent être réalisés selon les caractéristiques, notamment l'élasticité, de l'élastomère utilisé. De la même manière, les caractéristiques de l'élastomère utilisé peuvent être choisies en fonction des dimensions et caractéristique de l'actionneur selon l'invention et plus généralement du positionneur dans lequel s'intègre l'actionneur selon l'invention. Avantageusement, le premier dispositif de compensation représenté sur la figure 3 comprend peu de composants.

La figure 4 représente un exemple de positionnement des câbles élastiques 7, 8 par rapport à l'actionneur selon l'invention afin de pouvoir générer des efforts de compensation dans les deux sens de déplacement du chariot 6 de l'actionneur linéaire 2 selon l'invention. La figure 4 représente comme la figure 3 une vue de profil du dispositif. Le positionnement du premier câble 7 s'effectue de la même manière que le positionnement du deuxième câble 8 tel que décrit ci-après. Le positionnement et le dimensionnement des câbles 7, 8 peut être définis de la manière suivante : - définition des efforts statiques à fournir par les câbles 7, 8 en fonction du déplacement du chariot 6 pour obtenir une compensation la mieux 15 adaptée à l'actionneur linéaire selon l'invention ; - définir un positionnement des câbles 7, 8 permettant de reproduire ces efforts. Les formules permettant de dimensionner l'actionneur selon l'invention peuvent être les suivantes : 20

dans lesquels : - P peut être une position de la deuxième poulie 20, projetée sur l'axe 25 de déplacement du chariot 6, P étant par exemple mesurée par rapport au point d'accroche du deuxième câble 8 sur le chariot 6 lorsque le chariot 6 est à la deuxième position basse 82, P peut être indépendante de la course du chariot ; - A peut être une position de la deuxième poulie 20 projetée sur un axe 30 sensiblement orthogonal à l'axe de déplacement du chariot 6, P étant mesurée par rapport au point d'accroche du deuxième câble 8 sur le chariot 6, A peut être indépendante de la course du chariot ; - L peut être une longueur entre le premier point d'attache fixe 10 du deuxième câble 8 sur le socle 9 et la poulie 20, L pouvant être 35 indépendante de la course du chariot 6 ; - 1 = L + sgrt( A2 + (P-c)2) (1000) - sin(a) = A / (PL) = A / sgrt( A2 + (P-c)2) (1001) - f = FO/ 10) * cos(a) (1002) - c peut représenter la longueur de la course du chariot 6 : lorsque le chariot est à la deuxième position basse 82, c vaut par exemple zéro et lorsque le chariot est à la première position haute 81, c vaut par exemple cmax ; - a peut être un angle entre l'axe de déplacement du chariot 6 et une droite passant par le centre de la deuxième poulie 20 et le premier point d'attache fixe 10 ; - 1 peut être la longueur de l'élastomère entre la deuxième poulie 20 et le point d'accroche du deuxième câble 8, 1 variant selon la position du chariot 6 sur la rampe 5 ; - l0 peut être la longueur à vide du deuxième câble 8, c'est-à-dire la longueur du deuxième câble 8 lorsque celui-ci n'est pas accroché ; - F peut être la force de rappel exercée par le câble 8 sur le chariot 6, la force de rappel peut dépendre de la longueur du câble 8 et notamment du rapport I/lo et de l'élasticité du câble 8, l'élasticité dépendant du matériau utilisé pour réaliser le câble 8, F peut donc être une fonction dépendant de 1/l0 ; - f peut être une projection sur l'axe de déplacement de la force de rappel exercée par le deuxième câble 8 sur le chariot 6.

Parmi ces paramètres, c dépend des conditions d'utilisation de l'actionneur selon l'invention. c est donc un paramètre fixé. De la même manière les valeurs de f pour c=0 et c=cmax dépendent de l'utilisation de l'actionneur selon l'invention, f est donc fixée. Pour faciliter le montage de l'actionneur selon l'invention, lo peut être choisi 25 tel que 10=L+A : de cette manière f pour c=P vaut zéro. II est a noter que le dimensionnement de l'actionneur s'effectue de la même manière en utilisant un câble ou deux câbles. Les forces étant distribuées de la même manière sur les deux câbles.

30 La figure 5 représente un exemple d'un deuxième mode de réalisation de l'actionneur linéaire selon l'invention. La figure 5 est une représentation de profil d'une partie de l'actionneur 2 selon l'invention. Le deuxième mode de réalisation de l'actionneur linéaire 2 selon l'invention tel que représenté sur la figure 2 par exemple, peut comporter un 35 deuxième dispositif de compensation comportant quatre câbles élastiques 41, 51. Les quatre câbles élastiques 41, 51 remplacent les premiers et deuxièmes câbles élastiques 7, 8, représentés sur les figures 1, 2, 3, 4. Sur la figure 5, seules deux câbles 41, 51 sont représentés pour l'exemple, les deux autres câbles étant disposés de manière symétrique aux troisième et quatrième câbles élastiques 41, 51, par rapport à l'axe de déplacement du chariot 6. Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'utiliser uniquement deux câbles élastiques 41, 51, les deux câbles élastiques étant positionnés de manière à agir comme les quatre câbles élastiques cités dans l'exemple.

Le deuxième dispositif de compensation notamment un troisième câble 41. Le troisième câble 41 peut être fixé d'une part sur le chariot 6 et d'autre part sur le socle 9 par un deuxième point d'attache fixe 42. Le troisième câble 41 s'engage dans une troisième poulie 40 fixée sur le socle 9. La troisième poulie 40 peut se situer par exemple à la verticale d'une fin de course inférieure du chariot 6. D'autres positions peuvent également être envisagées sans préjudice des avantages apportés par le deuxième système de compensation. Le deuxième dispositif de compensation comporte en outre un quatrième câble 51 fixé d'une part sur le chariot 6 et d'autre part sur le socle 9 par un troisième point d'attache fixe 52. Le quatrième câble 51 s'engage dans une quatrième poulie 50 fixée sur le socle 9. Pour l'exemple, la quatrième poulie 50 est située en bout de course supérieure du chariot 6. D'autres positions peuvent également être envisagées sans préjudice des avantages apportés par le deuxième système de compensation.

Le deuxième dispositif de compensation offre les mêmes avantages que le premier dispositif de compensation. Le deuxième dispositif de compensation comporte en outre l'avantage de pouvoir utiliser des troisième et quatrième câble 41, 42 de raideurs différentes afin d'améliorer la gestion des forces de rappel. En effet, les troisième et quatrième câbles 41, 42 exercent une force de rappel en sens opposé. Un dispositif de compensation utilisé par un actionneur linéaire selon l'invention peut être dimensionné et défini de la manière suivante : - Définition des efforts statiques à compenser en fonction du déplacement du chariot 6, afin de définir une compensation optimale 35 pour l'actionneur linéaire 2 ; - Définition d'une combinaison de câbles élastiques permettant de reproduire les efforts statiques précédemment définis.

Avantageusement, la compensation des efforts statiques par un dispositif de compensation passif tel que décrit dans l'invention permet de réduire le dimensionnement d'une chaine de motorisation de l'actionneur selon l'invention. Une génération d'effort capable de compenser un effort statique s'appliquant sur l'actionneur selon l'invention permet également de réduire au maximum la consommation d'énergie de l'actionneur selon l'invention. Avantageusement l'actionneur selon l'invention permet de générer un effort variable, car l'effort statique à compenser varie en fonction de la configuration dynamique de l'actionneur selon l'invention. Dans l'actionneur selon l'invention, l'effort de compensation peut avantageusement s'inverser, ce qui permet au dispositif de compensation d'être efficace pour toutes les configurations de fonctionnement de l'actionneur. Avantageusement, le système de compensation lui-même ne consomme aucune énergie.

L'actionneur selon l'invention offre également une sécurité accrue par rapport à des actionneurs comprenant des dispositifs de compensation sous pression. En effet l'actionneur selon l'invention permet avantageusement d'éviter que l'actionneur ne rejoigne sa position d'équilibre stable à pleine vitesse.

Avantageusement, l'actionneur selon l'invention permet de ne pas avoir de course morte. Avantageusement chaque câble élastique peut être réalisé par un ou plusieurs câbles élastiques, ou sandows, afin de pouvoir adapter la compensation de manière très fine par rapport aux forces en jeu pour mobiliser la plate-forme de simulation.

Claims

REVENDICATIONS1. Actionneur linéaire (2) apte à mobiliser une charge (3), comportant : - une jambe (4) liée à la charge (3) par une de ses extrémités à une 5 rotule à trois degrés de liberté en rotation ; - un plateau mobile en translation (6) suivant un axe (5) appartenant à un plan d'un support (9) de l'actionneur (2), ledit plateau mobile (6) étant mécaniquement lié à la jambe (4) par son autre extrémité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un premier câble 10 élastique (7, 41), fixé par l'une de ses extrémités au plateau mobile (6), et fixé par son autre extrémité sur le support (9), s'engageant dans une première poulie (20, 50) fixée sur le support (9).
2. Actionneur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce ledit premier 15 câble élastique (7) et ladite première poulie (20) sont agencés de façon à obtenir un équilibre stable pour l'actionneur linéaire (2).
3. Actionneur linéaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier câble élastique (7, 41) étant fixé sur une première partie latérale du 20 plateau mobile (6), ledit actionneur linéaire comporte au moins un deuxième câble élastique (8, 51) fixé par l'une de ses extrémités sur une deuxième partie latérale du plateau mobile (6), et fixé par son autre extrémité sur le support (9), s'engageant dans une deuxième poulie fixée sur le support (9), lesdits premier câble élastique (7), deuxième câble élastique (8), première 25 poulie (20), deuxième poulie étant agencée de façon à obtenir un équilibre stable pour l'actionneur linéaire (2).
4. Actionneur linéaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier câble élastique (7) et le deuxième câble élastique (8) agissent sur le 30 plateau mobile (6) dans le même sens.
5. Actionneur linéaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier câble élastique (41) et le deuxième câble élastique (51) agissent sur le plateau mobile (6) en sens opposé.
6. Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les câbles élastiques (7, 8, 41, 51) sont 5 des sandows.
7. Actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 5, 6 caractérisé en ce que le premier câble (41) et le deuxième câble (51) ont une raideur différente.
8. Actionneur hexapode, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un actionneur linéaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Actionneur hexapode, selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est 15 adapté à la mobilisation d'une plateforme de simulation.
10. Actionneur hexapode, selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est adapté à la mobilisation d'une plateforme de simulation d'un poste de pilotage d'un mobile. 10 20