FR3038630A1 - Texture de materiau deformable pour mouvements previsibles et repetitifs - Google Patents

Abstract

L'invention a pour but de créer une famille de matériaux, capables d'un « geste », c'est-à-dire d'un mouvement prévisible et répétitif, grâce à sa texture tridimensionnelle déformable selon des degrés de liberté prédéterminés. La texture tridimensionnelle du matériau est réalisée à partir de maillons (micropoutres ) formés d'un corps central terminé en ses extrémités par une zone d'accrochage, qui vient se fixer par une liaison de type rotule avec les micropoutres adjacentes ; les maillons (micro-poutres) sont assemblés pour réaliser des micro-édifices polyédriques (micro-édifices articulés) qui sont déformables en fonction des degrés de liberté des polyèdres et des caractéristiques mécaniques des micro-poutres ; les micro-édifices articulés sont ensuite imbriqués pour obtenir une structure globale qui se déforme selon un mouvement programmé répétitif.

Description

TEXTURE DE MATERIAU DEFORMABLE POUR MOUVEMENTS PREVISIBLES ET REPETITIFS

La présente invention se rapporte à la réalisation d’une texture tridimensionnelle de matériau suffisamment et spécialement déformable pour qu’on puisse obtenir, de la part d’un monobloc constitué d’un tel matériau, un mouvement prévisible et répétitif. L’invention permet en particulier de constituer une texture capable, par l’effet des déformations internes hétérogènes qu’elle organise dans le matériau, de générer une déformation globale complexe de l’objet, indépendante de sa forme géométrique globale, et de la géométrie d’inserts rigides.

Grâce à un tel matériau, on peut obtenir de façon fiable un geste programmé complexe de la part d’un objet déformable qui a la forme d’une coque, d’une enveloppe ou d’un ensemble plus complexe, sans articulation mécanique, sans actionneur interne, et sans automatisme compliqué.

On sait que les maillages sont généralement déformables soit sous l’action de la gravité, soit sous l’effet de sollicitations mécaniques. Les maillons sont souvent simples et identiques, liés les uns aux autres par des connexions facilement reproductibles. Ce genre de maillage, notamment lorsqu’il constitue une coque ou une enveloppe, est difficile à déformer de façon programmée, répétitive et ne résultant pas essentiellement de la forme globale de l’objet ; la déformation du maillage tridimensionnel due à l’élasticité ne peut induire qu’une déformation faible, notamment en cas d’isotropie et de formes arrondies ; une déformation suffisamment importante pour constituer un geste utile nécessiterait une action sur une constellation de maillons.

Pour obtenir de la part d’objets des mouvements qui s’articulent pour produire un mouvement prévisible et répétitif, on fait appel généralement à des mécaniques plus ou moins complexes selon la complexité des mouvements souhaités: articulations, rotules, bielles, engrenages... Lorsque les sous-ensembles concourant à un mouvement sont multiples, articulés mécaniquement avec besoin fréquent de synchronisation de plusieurs actionneurs, il faut faire appel à des programmes informatiques qui coordonnent les mouvements des différents sous-ensembles. Ces organes mécaniques, sollicités de façon répétitive, sont sujets à l’usure et à la fatigue, pouvant aller jusqu’à fa rupture ; ces endommagements, même réparés, peuvent altérer la précision et la répétitivité des mouvements.

On fait souvent appel à la robotique dans les installations complexes, par exemple dans les domaines de la mécanique lourde, de la chimie ou du nucléaire, afin de réaliser les opérations de maintenance et de contrôle qui font souvent appel à des gestes complexes pour saisir ou acheminer des instruments d’observation, des outils ou des composants mécaniques ou de mesure. L’utilisation d’un robot standard est le cas le plus fréquent. Pour réaliser avec un robot les gestes complexes envisagés, il faut à ce robot des bras multi-membres avec un nombre important d’actionneurs, de capteurs et d’articulations mécaniques pour réaliser la cinématique du geste. Ces robots ont des coûts de réalisation et de maintenance très importants, à défaut d’une grande fiabilité. En effet, bien que le coût d’acquisition des ensembles automatisés ou robotisés ait pu être diminué par la numérisation de certaines fonctions dynamiques (assortie de suppression d’organes tels que les variateurs mécaniques, des différentiels mécaniques...), les développements de logiciels nécessaires à certaines fonctions dynamiques et de synchronisation induisent des coûts importants en investissement et en maintenance. La rapidité des changements des technologies électroniques et numériques de base amplifie ces coûts.

Dans les domaines de la biomécanique, les orthèses (gaines déformables), qui doivent accompagner les mouvements d’un membre devraient être capables non seulement de coiffer fermement les membres et les articulations, mais aussi d’assurer un guidage du mouvement souhaité, avec résistance aux mouvements déviants à éviter, de réaliser un délestage sélectif des efforts tendino-musculaires sur des éléments de l’articulation. Répondre à ces besoins avec les techniques actuelles est excessivement coûteux. Les produits standards de biomécanique actuellement sur le marché, ne peuvent pas répondre de façon satisfaisante à ces besoins, notamment en termes de précision et de fluidité des mouvements.

Les technologies orthopédiques actuelles utilisent souvent la faculté de résilience des tissus vivants en reconstruction ; dans ce cas, l’orthèse est apposée après une opération chirurgicale ; l’opération est suivie d’une période d’adaptation longue et pénible pour le patient ; sous la pression de contention ou sous l’action du guidage inadapté exercé par l’orthèse, la résilience peut s’installer dans un mouvement sensiblement différent du mouvement originel ; elle peut rendre impossible un geste normal, voire mettre fin à une dextérité professionnelle ou à une virtuosité artistique à laquelle le patient avait abouti.

Aucune des solutions actuelles, notamment dans les domaines de la robotique et de la biomécanique, n’est complètement adaptée pour réaliser durablement, par la simple construction d’une texture du matériau spécifique, la déformation répétitive prévue à partir d’une sollicitation mécanique déterminée. Le niveau d’adaptation qui se présente actuellement à coût accessible est notamment insuffisant lorsqu’il s’agit d’apporter une motricité en composant précisément avec le geste naturel d’un organe vivant et des contraintes de guidage. L’invention a pour but, surtout, de créer une famille de matériaux nouveaux, capables d’un « geste », c’est-à-dire un mouvement prévisible et répétitif, grâce à sa texture tridimensionnelle déformable selon des degrés de liberté prédéterminés.

Selon l’invention, la texture tridimensionnelle du matériau est réalisée à partir de maillons, appelés par la suite « micro-poutres » formés d’un corps central terminé en ses extrémités par une zone d’accrochage, qui vient se fixer par une liaison de type rotule avec les micro-poutres adjacentes, - les maillons (micro-poutres) sont assemblés pour réaliser des micro-édifices polyédriques (micro-édifices articulés) qui sont déformables en fonction des degrés de liberté des polyèdres et des caractéristiques mécaniques des micro-poutres, - les micro-édifices articulés sont ensuite imbriqués pour obtenir une structure globale qui se déforme selon un mouvement programmé répétitif.

Le maillon élémentaire pour réaliser la texture du matériau est la micro-poutre. Une micro-poutre est un ensemble constitué d’un corps principal généralement cylindrique, terminé à ses extrémités par une zone d’accrochage. La réalisation du corps central dépend des propriétés recherchées pour la micro-poutre. Il est avantageusement réalisé à partir de fibres.

Les fibres utilisées pour la réalisation de la micro-poutre sont courtes, leur longueur pouvant varier de quelques centimètres à une fraction de millimètre. On choisit la nature de la fibre en fonction de la flexibilité et de la résistance souhaitées, parmi les fils métalliques, les fils végétaux et/ou synthétiques ; les fibres peuvent être « monobrins » ou « multibrins » (noyées et extrudées et/ou toronnées préalablement) selon les techniques connus en filature ou en extrusion.

Avantageusement, les fibres sont mises en forme d’hélices (dès le stade de l’extrusion le cas échéant), puis assemblées à plusieurs, préférablement en jeu de 3 ou en nombre multiple de 3.

Selon un premier mode de réalisation, le corps central est constitué d’un « jeu principal » de n hélices imbriquées, n étant avantageusement égal à 3 ou à un multiple de 3, et d’une enveloppe formée d’un « jeu secondaire » de p hélices imbriquées , sélectionnées parmi des fibres hélicées en sens inverse , et de diamètre à peine supérieur pour assurer une pression de contact de précontrainte sur le « jeu principal », le tout formant, sur la longueur du « corps principal », un treillage cylindrique en précontrainte, rigide aussi bien en flexion qu’en traction ou en compression ;

Selon un deuxième mode de réalisation, le corps central est constitué de deux « jeux principaux » d’hélices imbriquées, solidaires d’un fourreau cylindrique : un jeu principal court pour chaque extrémité du fourreau, lequel est fileté préférablement extérieurement, (ou intérieurement si l’héliçage est de pas inversé) en portée égale au moins à un diamètre du corps central (filetage ou galetage à trois filets pour n=3).

Les deux modes de réalisations décrits ci-dessus sont choisis préférablement pour réaliser une micro-poutre de corps rigide longitudinalement.

Selon un troisième mode de réalisation, le corps central est constitué d’un seul « jeu principal » de n hélices contenu dans un fourreau cylindrique ; le diamètre extérieur des spires est inférieur au diamètre intérieur du fourreau pour permettre la variation de diamètre de ce jeu principal » entraînée par une compression axiale de la micro-poutre ; pour ne pas dégrader le guidage du « jeu principal» d’hélices par le jeu mécanique entre le diamètre intérieur du fourreau cylindrique rigide et le diamètre extérieur des spires que ce fourreau guide, on peut intercaler deux « jeux auxiliaires » d’hélices de courte portée (spires de même sens, mais courtes, intercalées en entretoise entre les premières spires « du jeu principal » rencontrées à partir de chaque extrémité du fourreau. Ces deux montages constituent deux glissières cylindriques : une dans chaque extrémité du corps principal cylindrique de micro-poutre ; ce mode de réalisation est choisi préférablement pour réaliser une micro-poutre de corps élastique longitudinalement.

Selon un quatrième mode de réalisation, le fourreau rigide cylindrique est fileté intérieurement (ou gaieté intérieur-extérieur) et peut contenir deux jeux de spires imbriquées (si n=3, le fourreau est à filet triple) séparés longitudinalement par un segment libre au milieu du corps de la micro-poutre. Selon ce mode de réalisation, la longueur d’une micro-poutre peut être variable, soit pour un préréglage avant montage, soit en utilisation initiale en phase de ductilité temporaire, pour une mise au point spécifique à partir d’une réalisation standard.

Ces modes de réalisation du corps central sont donnés à titre d’exemple et ne sauraient être limitatifs. A chacune de ses deux extrémités, la micro-poutre se termine par une zone d’accrochage autour d’un noyau ; cette zone d’accrochage est constituée avantageusement par une corolle ; les corolles sont les dernières spires de chacune des hélices formant le ou les deux « jeux principaux » du corps principal. Ces spires s’étranglent en sortie du corps principal pour constituer, éventuellement serrées sur un manchon élastique, un court segment de liaison flexible (liaison de type rotule), puis s’écartent pour constituer un pavillon sphéroïdal qui entre dans la zone de nouage pour une liaison avec les corolles des micro-poutres adjacentes ayant le même sommet polyédrique.

Avantageusement, les nouages s’effectuent avec appui sur des noyaux sphéroïdaux.

Selon un premier mode de nouage, les corolles s’appuient sur la surface extérieure d’un noyau. Les corolles d’une micro-poutre peuvent être de deux natures géométriques différentes selon leur placement dans la séquence de nouages touchant à un noyau : - Les « corolles d’accostage » sont destinées à recevoir un nouveau noyau (placé après plusieurs micro-poutres convergeant à sa place) ; ces corolles sont de forme ouverte ou de forme sub-hémisphérique. - Les « corolles de clipsage » sont conçues pour compléter et stabiliser le nouage sphéroïdal en s’appuyant sur un noyau déjà placé; ces corolles sont de forme davantage fermée ou de forme super-hémisphérique.

En variante, notamment pour certaines applications se traduisant par une forte traction entre certaines micro-poutres, des boucles d’accrochage sont noyées dans les noyaux, permettant une liaison renforcée des corolles entre elles, les extrémités des corolles prenant appui, par exemple par soudure, par brasage ou par collage, sur les boucles d’accrochage.

Selon un deuxième mode de réalisation des nouages, le noyau est creux et armé de quelques arceaux croisés sur sa face intérieure. Ce noyau est traversé par des conduits de forme hélicoïdale, afin que les brins de corolles puissent s’y insinuer.

Les brins des corolles sont tous courts, et le diamètre correspondant aux extrémités de ces brins, déterminé par l’appui sur la face intérieure du noyau et ses arceaux, est inférieur au diamètre du corps central de la micro-poutre. Pour des nouages devant répondre à des conditions sévères de sollicitation mécanique, les appuis sur arceaux se prêteront à du collage, du brasage, ou de la soudure.

Selon l’invention, les micro-poutres sont noués pour obtenir des microédifices polyédriques espacés, aisément déformables grâce à un type d’organisation de leurs arêtes et de leurs articulations qui maîtrise les degrés de libertés de déformation dans la texture globale du matériau ; c’est donc ce type d’organisation microstructurale, pseudo-solide et anisotrope qui permet au matériau de se déformer selon des degrés de libertés prédéterminés. Ces microédifices articulés seront désignés par la suite par « MEDA ». L’assemblage des micro-poutres est réalisé selon les séquences itératives suivantes : - on positionne les noyaux de nouage sphéroïdaux sur lesquels les corolles seront entrelacées ; pour le démarrage de la fabrication d’un objet, sur une zone de surface choisie, on dispose les premiers noyaux dans un râtelier souple temporaire, spécialement mis en forme selon cette zone de l’objet. - on positionne et on oriente les trajectoires d’insertion de micro-poutres, par sous-ensemble vers un ou plusieurs noyaux, - on réalise les nouages par des entrelacements précontraints grâce à la possibilité d’appuyer les corolles sur les noyaux.

Les micro-édifices articulés (MEDA) ainsi obtenus sont dotés des degrés de liberté de déformation que définit chaque type d’édifice et de couplage entre édifices adjacents.

En variante, on peut utiliser des noyaux temporaires de nouage, fabriqués en matière fusible ou soluble, qui peuvent être éliminés à la fin des nouages.

Selon l’invention, les micro-édifices articulés sont assemblées pour réaliser une structure déformable ; les textures obtenues présentent une grande déformabilité grâce à la technique de liaisons « rotules nouées » et aux faibles couples de résistances aux variations angulaires entre micro-poutres du réseau polyédrique construit.

La texture globale que l’on cherche généralement à obtenir est anisotrope (contrairement à une structure d’une matière dite monocristalline), parcourue de veinages ou de nappes homogènes quant au degré de liberté de déformation de leurs micro-édifices articulés, de telle sorte que l’objet, sollicité mécaniquement en une extrémité ou bien déformé mécaniquement dans une zone partielle (par exemple lors du roulage de l’objet sur une piste), se déforme selon un geste d’ensemble de façon répétitive et prévisible. L’objet peut être monobloc, même pour obtenir un geste programmé complexe, combinant flexions et torsions d’amplitude différenciée selon la position considérée dans l’objet. La déformation correspondant au geste programmé peut être conçue en étant peu tributaire de la forme générale de surface de l’objet.

Les déformations de la texture globale peuvent être programmées par des variations de plusieurs natures parmi les caractéristiques des micro-édifices articulées et parmi les configurations de couplage (face à face, coude, ramification en deux branches, couplage de n voies...) dans la construction de la texture polyédrique. L’anisotropie est organisée pour obtenir le plus souvent selon tous les axes de la texture tridimensionnelle, des variations continues à la fois : - dans la géométrie polyédrique, - dans les caractéristiques mécaniques des micro-poutres : leurs longueurs et leurs élasticités sont différenciés, mais évoluent progressivement dans l’espace, -dans le degré de liberté de déformation propre à chaque édifice polyédrique et son degré de liberté de déformation disponible selon la configuration de son imbrication dans la texture globale.

Avantageusement, pour obtenir une texture espacée, les corps principaux des micro-poutres sont plus longs que les diamètres des zones de d’accrochage, rotules incluses, par exemple plus de 5 fois ; les zones d’accrochage peuvent avoir un diamètre supérieur au diamètre des corps principaux des micro-poutres, par exemple plus de 20% de dépassement en diamètre.

Préférablement, on choisit des polyèdres type tétraèdres, octaèdres (pyramides irrégulières), cubes ou rhombes, dodécaèdres...à agréger éventuellement selon des « configurations » répétitives.

Certains micro-édifices articulés obtenu selon l’invention ont la propriété de transmettre de l’énergie de déformation nécessaire au « geste programmé » au sein de la texture polyédrique, et à l’action mécanique que l’on en attend. Ces micro-édifices articulés qui transmettent de l’énergie d’une surface déformable à une ou deux autres sont désignés par « MEDA-D ». A ces micro-édifices articulés dynamiques, on peut adjoindre un gainage ou un remplissage constitué de micro-édifices articulés élastiques de géométrie compatible (tétraèdres, rhombes élastiques ou de degrés de liberté étendus) pour obtenir la robustesse de l’organe construit et du tonus dans ses déformations fonctionnelles. Ces micro-édifices articulés sont à la fois générateurs de tonus par précontrainte, et résistants aux efforts qui contrarieraient la déformation dirigée par les MEDA-D ; ces micro-édifices articulés qui ne transmettent pas de l’énergie, mais qui sont réactifs sont désignés par « MEDA-R ».

Toujours suivant l’invention, des facteurs périodiques de désalignement peuvent être intégrés dans les paramètres des séquences de production de la texture, là où l’anisotropie géométrique laisserait subsister une veine ou une nappe de fragilité et/ou d’aspérité. On peut par exemple faire onduler des nappes polyédriques pour : - éviter la construction d’arêtes tranchantes qui résulteraient d’alignement long entre dièdres de polyèdres contigus, - réduire les vibrations de résonnance, - augmenter les latitudes d’élongation /contraction induite dans les zones éloignées de la courbe ou de la nappe directrice en flexion ou en torsion, -confiner les endommagements à l’échelle de quelques micro-édifices articulés et faciliter les intrusions (réparation, inserts temporaires) par plus de souplesse interne, - augmenter les seuils de flambement.

Pour concevoir un objet à geste programmé matériellement, utilisant le matériau selon l’invention, il faut dans un premier temps prendre en compte les données du problème de geste : - La morphologie globale de l’objet

Par exemple, si l’objet à concevoir est une coque d’accompagnement d’un membre, le membre et ses articulations enveloppés par la coque font partie de l’ensemble à représenter, et sont donc intégrés dans le modèle géométrique global initial. - La définition mécanique globale du geste : • La cinématique de l’ensemble : les contraintes sur les trajectoires sont à prendre en compte, et en particulier la définition des phases d’appui sur des surfaces externes dans le cas où l’objet en rencontre lors de sa déformation, • La suite de « postures » de l’ensemble : on utilise à cet effet des « courbes directrices de geste » (désignées par la suite par CDG), c’est-à-dire des courbes invariantes en longueur, caractérisées par un nombre de degrés de liberté cinématique homogène sur toute leur longueur ; leurs formes imposées successives sont décrites aux étapes particulières de la déformation de l’Ensemble. On distingue les « courbes directrices de geste maîtresses » (désignées par la suite par CDGM), qui se déforment en similitude en raison de leurs interconnections par l’intermédiaire de micro-édifices articulés dynamiques (MEDA-D) et les « courbes directrices de geste associées » (désignées par la suite par CDGA), qui croisent les CDGM et qui constituent avec elles une texture en macro-mailles surfaciques ou volumiques. • La caractérisation des déformations :

Il suffit de fournir les trois données suivantes, pour chacune des CDG (ou pour les segments de CGD sur lesquelles ces données caractéristiques des MEDAs sont constantes ou varient sans discontinuité) : 1. Type polyédrique de MEDA et variante (en continuité avec le type, par différences de une à trois diagonales) ; 2. Longueurs des micro-poutres dans un ordre fixé pour le type de MEDA. Ces longueurs peuvent être données avec des paramètres de variation pour tout un ensemble de MEDAs successifs sur la CDG ; 3. Modules d’élasticité longitudinale des micro-poutres (facultatif car sur une CDGM, les micro-poutres sont rigides. • La spécification de texture additionnelle : pour les espaces non occupés par les réseaux de CDG, on développe des nappes élastiques de remplissage, généralement en MEDA-R ; dans ce garnissage, on peut disposer de degrés de liberté additionnels et de l’élasticité sur certaines arêtes, de telle sorte que les déformations du garnissage accompagnent celles des CDG et confèrent à l’ensemble de la texture du tonus de résistance aux efforts déviants. A ce stade, les paramètres de texturation sont définis, et on obtient une véritable programmation matérielle de geste, dans la masse de l’objet. - La définition des dynamiques possibles du geste

On recense les sources extérieures de sollicitation, en incluant les appuis rencontrés, qui sont sources d’efforts de réaction ; on recherche également les sources d’énergie, en termes de contraintes mécaniques élémentaires (compression/traction, torsion, cisaillement), avec quantification des forces appliquées (ou de couples de torsion) et leur dynamique de puissance à l’échelle de temps d’un geste. A ce stade, la définition de l’objet et de son fonctionnement est terminée. On peut alors simuler le comportement cinématique de l’objet. - Modélisation et visualisation des comportements

Cette étape peut être nécessaire pour que la conception de l’objet prenne en compte des phénomènes extra-mécaniques (électriques, thermiques, électromagnétiques,... ).

Pour simuler le comportement de l’objet avec les logiciels CAO disponibles, on le décompose en sous-ensembles fonctionnels, c'est-à-dire les plus homogènes possibles du point de vue architecture des degrés de liberté et du point de vue des degrés d’élasticité dans la texturation des éléments situés dans l’objet à réaliser.

Pour délimiter de tels sous-ensembles homogènes, on pourra s’appuyer sur des CDG, en particulier pour tenir compte de leurs discontinuités.

Enfin, on convertit les caractérisations précédentes pour deux aspects : 1. On transpose la caractérisation des déformations et des élasticités en caractères mécaniques : modules d’élasticité en torsion, en flexion, en allongement et en contrainteilimite^le rupture, 2. On identifie les frontières des sous-ensembles homogènes (de solide ou de coque) en utilisant les surfaces formées par les réseaux de CDG ainsi que les surfaces transverses correspondant au balisage en « points singuliers » sur ces CDG. On obtient ainsi une recomposition de l’objet ; il se compose alors de solides (structurés éventuellement en strates correspondant à des familles de CDG ou en séries de gaines concentriques autour d’un CDGM) ou se compose de coques (structurées éventuellement en sandwich) ; ces sous-ensembles peuvent être modélisés dans les logiciels courants de CAO-3D mécanique selon une échelle de maillage librement choisie, pour calculer les répartitions d’efforts et de fatigues dans l’objet, pour utiliser les interfaces et les restitutions graphiques de ces logiciels afin de montrer les déformations en simulant le geste dans différentes dynamiques de sollicitation.

Le séquencement ci-dessus des étapes de conception n’est pas à considérer comme une démarche de conception exclusive, mais seulement comme un exemple cohérent qui n’est pas limitatif.

Pour les maillages à moyenne échelle (micro-poutres de quelques millimètres à quelques centimètres), en particulier pour fabriquer des objets maquettes ou prototypes, on pourra envisager une réalisation manuelle ou semi-numérisée, permettant d’adapter la structure polyédrique, d’obtenir la forme, les flexibilités, les déformations élastiques ou les aspects de peau (bouclés, maillés, feutrés, fibrés,...) de l’objet final.

Pour les maillages à petite échelle (micro-poutres de longueur inférieure au millimètre), ou pour des objets très grands (de plusieurs dizaines de centimètres), il faut envisager une réalisation automatisée pour des phases du maillage tridimensionnel.

Une réalisation est facilitée si elle part d’une amorce réalisée (manuellement par exemple) en MEDA, ou d’un râtelier sur lequel on peut placer une amorce de nappe de noyaux.

Les têtes distributrices de noyaux et de micro-poutres peuvent être véhiculées par des machines à commande numérique, voire des imprimantes 3D. Le découpage de la géométrie de l’objet en « domaine de continuité » qui a permis de conduire à l’utilisation de logiciels de CAO permet de conduire à des modules de CFAO pour élaborer les commandes de ces machines à commande numérique.

Cependant, l’architecture des MEDAs et la configuration des CDG seront exploitées pour piloter les orientations des têtes distributrices dans la traversée de chacun de ces domaines de continuité. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui n’est nullement limitatif.

Fig. 1 représente un exemple de micro-poutre selon l’invention avec un seul jeu d’hélices et une gaine rigide cylindrique.

Fig. 2 représente un exemple de micro-poutre selon l’invention avec deux jeux d’hélices, hélicés en sens contraire, une seule hélice de chaque jeu est représentée.

Fig. 3 représente un noyau avec des boucles d’accrochage.

Fig. 4 représente un micro-édifice articulé (MEDA) dont le type polyédrique est le rhomboèdre, à zéro degré de liberté.

Fig. 5 représente un micro-édifice articulé (MEDA) à un degré de liberté à transmission d’énergie frontale.

Fig. 6 représente un micro-édifice articulé (MEDA) à un degré de liberté à transmission d’énergie latérale.

Fig. 7 et Fig. 8 illustrent les deux approches pour déterminer la déformation directrice et la transmission d’énergie frontale.

Fig.9 et Fig. 10 illustrent la conception d’un bras déformable.

Fig. 11 représente le jumelage de deux MEDAs antisymétriques pour une jonction formant une coque.

Fig 12 et Fig 13 schématisent la déformation de la jonction formant une coque.

Fig. 14 représente un exemple de réalisation de coque pour une minerve.

En se reportant à la Fig.1, on peut voir une micro-poutre 1 selon l’invention, constitué d’un corps principal 2 et de deux zones d’accrochage 3 et 4 à chaque extrémité. Le corps principal est constitué d’un tube cylindrique 5 traversé par un jeu de fibres 6 ; à la sortie du tube cylindrique 5, les spires se resserrent dans les zones 3a et 4a puis s’écartent pour former les corolles 3b et 4b permettant l’accrochage sur un noyau 7. La corolle 3b est une corolle d’accostage destinée à recevoir un nouveau noyau ; elle est ouverte ou subhémisphérique ; la corolle 4b est une corolle de clipsage venant verrouiller un nouage sur un noyau ; elle est davantage fermée ou super-hémisphérique.

La Fig.2 représente une micro-poutre selon l’invention, dont le tube cylindrique 5 est traversé par deux faisceaux de fibres 6.1 et 6.2 hélicés en sens inverse.

La Figure 3 montre une variante d’accrochage sur le noyau qui peut être utile pour certaines applications où les efforts de traction sur le matériau fini sont très intenses et oscillatoires à haute fréquence.

Dans de tels cas, on peut utiliser des boucles qui émergent du noyau, et sur lesquelles viennent se fixer les extrémités de tout ou partie des corolles. La liaison peut être renforcée par collage, brasage ou soudage. En général, on utilise un jeu de 3 boucles élastiques ; sur la figure il n’est représenté qu’une seule boucle.

Cette boucle, dans sa position initiale, est repérée 8.1 ; elle est initialement corsetés en boucle étranglée dans le diamètre 01, contrainte par le corset 9 et noyée dans le noyau à l’exception d’un feston d’accrochage 10.

Lorsque l’entrelacs de nouage des corolles autour du noyau est terminé, le noyau et le corset sont dissous, et la boucle devient l’arceau 8.2, libre de s’expanser selon la sphère 7 à l’intérieur de l’entrelacs. On procède ensuite à quelques points de soudure, de brasage ou de collage liant les festons 10 à quelques corolles en des points proches de leur extrémité.

Un jeu de 3 à 6 boucles instaure une structure soudée ou collée de façon clairsemée et qui reste donc souple, et établit, après élimination du noyau, une précontrainte supplémentaire de contention pour le nouage sphéroïdal entre les micro-poutres périphériques d’un objet.

La Fig.4 représente un micro-édifice articulé (MEDA) dont le polyèdre est un cube (ou, ce qui est équivalent du fait des articulations en rotules, un rhomboèdre) ; il est partiellement triangulé par des diagonales bi-sommets ou faciales (17-15,11-17 et 14-18) et une diagonale tri-sommets ou pivot (11-18).

Pour évaluer la densité des nouages aux sommets (sur les noyaux), on imagine ce MEDA prolongé sur chaque face par ses voisins. On obtient, avec une moyenne de 3x3 spires de contact corolle /2 noyaux par micro-poutre, soit au moins 5 spires de contact par micro-poutre : - 27 à 90 spires en nœud interne de l’objet, - 22 à 60 spires en nœud de surface d’objet.

En Figure 4, le MEDA présenté a 0 degré de liberté : c’est une structure solide, qui peut contribuer à construire les matériaux à geste, à condition que plus de 2 arêtes ou diagonales soient élastiques. Ce type de MEDA entrera dans la constitution de garnissage inter-fibres à « tonus ». Il permet également de générer une famille de variantes intéressantes de ce MEDA. En effet, plusieurs de ces variantes peuvent présenter un ou deux degrés de liberté isolés (famille comportant des MEDA-D et des MEDA-R). A cet effet il suffit de retrancher une ou deux diagonales judicieusement sélectionnées dans le rhomboèdre. Par exemple, la suppression de la micro-poutre joignant les sommets 11 et 17 donnera à la structure un degré de liberté.

Les figures 5 et 6, représentent deux MEDAs à un degré de liberté « isolé », donc de la famille des MEDA-Directeurs ; on en placera en entrée de « courbe directrice de geste »

Dans le cas de la Figure 5, la transmission de déformation et d’énergie est dite « frontale » : depuis le quadrilatère « entrée » : 15-16-17-18 vers le quadrilatère « sortie » : 11-12-13-14.

Dans le cas de la Figure 6, la transmission de déformation et d’énergie est dite «latérale » : depuis le même quadrilatère « entrée » : 15-16-17-18 vers le quadrilatère de « sortie » : 11-12-16-17.

On remarquera que le degré de liberté de la transmission frontale est obtenu (Fig 5) en supprimant du Rhomboèdre solide (Fig 4) la diagonale 15-17, tandis que la transmission latérale est obtenue (Fig 6) en supprimant la diagonale 11- 17 du rhomboèdre solide (Fig 4).

Pour déterminer simplement la « déformation directrice » et l’action « transmission d’énergie » de ces MEDAs à un degré de liberté, on présente un choix de deux approches de configuration du MEDA en polyèdres élémentaires simples dont les mouvements relatifs facilitent la compréhension et les calculs. L’illustration est faite pour la transmission frontale à partir des Figures 5, 7 et 8.

Une 1ère approche repose sur la présence de deux polyèdres composants du MEDA qui sont des structures polyédriques solides et articulées à un degré de liberté (Fig 7) : - le tétraèdre : 11-14-15-18, -le tétraèdre: 11-12-17-18,

La déformation du MEDA peut être vue comme conséquence d’un mouvement relatif simple entre ces deux solides car ils sont liés en rotation autour de l’axe 11-18 qui est leur arête commune.

Pour la définition cinématique, donc de la « courbe de geste », on composera les torseurs respectifs de ces solides avec le torseur « rotation simple » autour de l’axe 11-18. Le torseur résultant donnera les vecteurs « déplacement relatif» entre les sommets du MEDA, en particulier entre les sommets de référence pour définir les déformations et les transferts d’énergie ; par exemple, en transfert frontal (Fig 5), les couples 16-18 en face d’entrée, et 12- 14 en face de sortie.

La « courbe directrice de geste » passe par le barycentre du quadrilatère d’entrée et le barycentre du quadrilatère de sortie.

On peut de plus concrétiser la « sollicitation » du MEDA par un moyen mécanique de faire varier l’angle dièdre entre la face 11-17-18 du premier solide, et la face 11-15-18 du deuxième solide. Il suffit par exemple d’exercer une action : traction/compression entre les sommets 15 et 17 du quadrilatère d’entrée.

Une deuxième approche, plus commode pour la modélisation statique (répartition des forces), repose sur la présence de deux polyèdres composants du MEDA à un degré de liberté respectivement, et liés entre eux par une arête commune ; ce sont des octaèdres que nous appellerons pyramides ((Fig 8) ) : - la pyramide d’Entrée de sommet 11 et base 15-16-17-18, - la pyramide de Sortie de sommet 18 et de base 11-12-13-14.

Ces pyramides ont une seule arête commune : 11-18. Elles sont par ailleurs liées par 2 arêtes qu’on dira « symétriques » : dans le sens « Entrée-Sortie » : arête 12-17 et arête 14-15.

La figure 9 illustre une conception d’un bras cylindrique déformable (à grande échelle, afin de rendre visible la solution). La solution est à courbe directrice de geste unique, à deux familles de MEDA : - celle des pyramides, - celle des rhomboèdres décrite précédemment.

On voit dans la figure 9 un tel bras formé de trois rhomboèdres de taille identique en posture à peu près alignée. La face d’extrémité terminale du bras est le quadrilatère 27-31-35-39 du MEDA le plus éloigné du socle. La ligne longitudinale au centre du bras est la courbe directrice de geste. Elle traverse les faces de couplage entre les MEDAs en partant de la face d’entrée des sollicitations : quadrilatère 24-28-32-36.

Il est demandé au bras de s’incurver en chaque point (dans la longueur) selon un axe de flexion et un axe de torsion simultanément, donnant à l’extrémité finale du bras une direction choisie par exemple pour un instrument de contrôle ou pour un appui de montage escamotable. On voit un résultat type (héliçage le plus régulier possible) de la déformation souhaitée en figure 10.

Les forces exercées sur le bras sont : - son poids et les efforts (forces et couple) venant de la charge à l’extrémité finale, - les réactions du socle 21-22-23 sur les figures Fig.9 et Fig.10, et qui est solidaire à travers le triangle dont on voit le sommet 27. - l’action de sollicitation mécanique pour obtenir le geste porte sur le quadrilatère 24-28-32-36 de la face d’entrée. L’actionneur pourrait être un vérin entre deux sommets opposés de cette face, par exemple une force d’extension entre 24 et 32.

Pour faire le lien entre le geste souhaité de l’ensemble « bras » et la sollicitation, nous devons : 1- définir la courbe directrice de geste (CDG) qui reste de longueur constante ; c’est la ligne longitudinale au centre du bras car elle reste de longueur constante lors du geste. Cette courbe est en grande partie cachée. Elle joint les barycentres des quatre faces de couplage des MEDAs à partir de la face d’entrée. 2- définir la ou les postures utiles, et éventuellement des postures intermédiaires lorsque des contraintes de contournement sont à respecter.

Les MEDAs sont choisis, dans le cas présenté, de même taille, afin de répartir uniformément la déformation au long du bras. La posture de référence est celle de la figure 9 ; la CDG est ici une droite horizontale.

La posture limite est celle de de la figure 10. Dans cette posture, la CDG est un arc d’hélice.

Pour chaque face de couplage le long de cette CDG, au point situé au centre de cette face, un angle de rotation instantané est défini autour de cette CDG pour la torsion d’un MEDA, et un angle de flexion instantané est défini proportionnellement à l’angle de rotation précédent, autour d’un axe perpendiculaire à la CDG ; il reste à définir la direction de cette axe dans le plan perpendiculaire à la CDG. 3- La famille de MEDA étant donnée, on définit les variantes : -en MEDA-D d’entrée, rhomboèdre à degré de liberté = 1 version « transmission frontale », - en MEDA-D intermédiaire de CDG, rhomboèdre à degré de liberté = 2 ; couplé, le degré de liberté est 1, - en MEDA d’accompagnement (MEDA-R) dans les couches à additionner en périphérie du bras, rhomboèdres de degré de liberté = 3 au moins si les arêtes sont rigides, 2 ou 1 si des arêtes sont élastiques pour conférer du « tonus de résistance » à la texture. On peut inclure dans ces couches des hexaèdres, en particulier pour permettre d’appliquer des gradients de taille des MEDAs rhomboïdaux, chaque fois que l’on progresse vers la périphérie du membre.

Lorsque l’on veut conférer à un faisceau ou à un réseau de CDG une latitude d’allongement, ou conférer à une coque une déformabilité tridimensionnelle plus libre qu’un dépliage, on utilisera des couplages « frontaux alternés » où le choix de la diagonale pivot de MEDA change (alternance entre les pivots possibles dans un rhomboèdre) ; cette solution permet de conserver la fluidité de déformation des CDG de ce faisceau ou réseau de CDG (on ne génère pas de résistance élastique longitudinale). Par ailleurs, une taille des MEDA-R se réduisant graduellement vers la surface de l’objet peut lui conférer une surface peu vulnérable et capable de présenter des lignes de quadrilatères de sollicitation mécanique ou de restitution d’énergie. L’exemple suivant décrit une coque (monocoque) devant pouvoir prendre une forme gauche réalisée en matériau MEDA. Cette coque est innervée par un réseau de CDGM interconnecté en treillis avec un ou des réseaux de CDGA. L’exemple montre qu’on peut maîtriser mécaniquement une déformation de l’ensemble (donc obtenir un geste souhaité de la coque) en utilisant, pour réaliser chaque jonction entre une CDGM et une CDGA, le type d’édifice articulé décrit ci-dessous. L’exemple décrit une coque où les MEDAs des CDGM et ceux des CDGA appartiennent à la même famille polyédrique. Ce cas de figure est fréquent car il permet des déformations de types très différents selon qu’il s’agit des CDGMs d’une part, des CDGAs d’autre part.

La figure 11 représente une jonction pour constituer une coque. La jonction est constituée par le jumelage de deux MEDAs antisymétriques 40 et 41 qui sont de la même famille (même modèle que celui des CGM qu’ils connectent). Le couplage entre ces jumeaux se fait par une face commune repéré par ses sommets 42-43-44-45, disposant d’un degré de liberté.

Sur la figure 11, on voit qu’un des jumeaux fait partie de la CDGM qui est l’axe des entrées E1-E2, par où s’effectue l’action et la réaction, et que l’autre fait partie de la CDGA S1-S2 qui est l’axe des sorties. Une sollicitation transmise par la CDGM peut sortir par les 2 branches de la CDGA. Néanmoins, une branche de la CDGA peut être déjà mise en motricité par une jonction amont de la CDGA avec une CDGM qui appartient au même réseau cohérent que la CDGM vue plus haut.

On peut remarquer que l’homogénéité des MEDAs dans la CDGM fait que ce type de connexion ne crée pas de point de discontinuité des caractéristiques sur la CDGM.

Plus généralement, la jonction pour constituer la coque par les jumeaux présentés coordonne les déformations et motricités des quatre branches de treillis que l’on voit en Fig. 12 et en Fig. 13 , même si on change de variante de MEDA quand on passe de CDGM en CDGA.

La comparaison des deux dernières figures montre un cas de déformation complexe : . à dominante Torsion dans la CDGM, . à dominante Flexion dans la CDGA.

La figure 14 est un exemple d’application qui découle directement de l’invention : une minerve orthopédique assure un délestage des sept vertèbres cervicales pour le poids de la tête sans avoir la rigidité des minerves classiques du commerce actuel, vis-à-vis des inclinaisons de la tête ou de sa rotation.

Cette minerve orthopédique en matériau MEDA est obtenue à partir d’une modèle de base qui permet l’ensemble des trois degrés-de liberté. Elle est f adaptée en fonction de l’objectif recherché en la bridant par\jun/ou trois inserts qui déterminent le guidage attendu. La coque, qui moule de près le cou et le bas du crâne (mâchoire mobile exclue) est construite en grande partie sur un treillis croisant de façon très anisotropique un réseau de CDGM avec un ou des réseaux CDGA. Le treillis résultant se subdivise par des frontières où la variante de MEDA change pour une nouvelle sélection de degrés de liberté afin que la zone de coque parcourue prenne en compte la distribution très sélective des trois degrés de liberté de mouvement de la tête parmi les sept vertèbres cervicales, pour accompagner fidèlement et guider le cou.

Les applications industrielles de ce type de matériau déformable sont nombreuses et variées ; on peut citer deux domaines où il pourrait être utilisé avec avantages : - En robotique, pour réaliser des gestes complexes répétitifs - En biomécanique, pour réaliser des prothèses et des orthèses, comme il a été montré dans les exemples ci-dessus.

Des applications plus surprenantes sont possibles chaque fois qu’un solide plein ou sous forme de coque doit prendre des formes différentes ou bien se déformer de façon contrôlée sous l’efFet d’une action extérieure, avec des dynamiques adaptables.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS

   1. Texture tridimensionnelle d’un matériau déformable de façon prévisible et répétitive caractérisée en ce qu’elle comprend des maillons ou micropoutres (1) assemblés pour réaliser des micro-édifices polyédriques qui sont déformables en fonction des degrés de liberté des polyèdres et des caractéristiques mécaniques des micro-poutres (1), les maillons ou micropoutres (1) étant formés d’un corps central (2) terminé en ses extrémités par une zone d’accrochage (4), qui assure une liaison de type rotule avec les micro-poutres adjacentes ayant le même noyau (7), les micro-édifices articulés étant imbriqués pour obtenir une structure globale qui se déforme selon un mouvement programmé répétitif.
2. 2. Texture suivant la revendication 1 caractérisée en ce que le corps central (2) de la micro-poutre (1) est cylindrique et il est constitué d’un ou plusieurs jeux de fibres (6) mises en forme d’hélice.
3. 3. Texture suivant la revendication 2 caractérisée en ce que le corps central (2) de la micro-poutre (1) est constitué d’un « jeu principal » (6.1) de n hélices imbriquées, et d’une enveloppe (5) formée d’un « jeu secondaire » (6.2) de p hélices imbriquées, sélectionnées parmi des fibres hélicées en sens inverse.
4. 4. Texture suivant la revendication 2 caractérisée en ce que le corps central (2) de la micro-poutre (1) est constitué de deux «jeux principaux» d’hélices (6.1 et 6.2) imbriquées, solidaires d’un fourreau cylindrique (5).
5. 5. Texture suivant la revendication 2 caractérisée en ce que le corps central (2) de la micro-poutre (1) est constitué d’un seul «jeu principal» (6) de n hélices contenu dans un fourreau cylindrique (5).
6. 6. Texture suivant la revendication 2 caractérisée en ce que le fourreau rigide cylindrique (5) est fileté intérieurement et peut contenir deux ou trois jeux de spires imbriquées (6), séparés longitudinalement par un segment libre au milieu du corps de la micro-poutre.
7. 7. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que la zone d’accrochage (3 ou 4) des micro-poutres (1) est constituée par une corolle (3b ou 4b) formée par les dernières spires des hélices constituant le corps central (5).
8. 8. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que les spires (6) présentent un étranglement (3a ou 4a) entre le corps principal (5) et la corolle (3b ou 4b), pour constituer un court segment de liaison flexible de type rotule.
9. 9. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que des boucles d’accrochage (8.1 - 8.2) sont noyées dans les noyaux (7), permettant une liaison renforcée des corolles entre elles, les extrémités des corolles prenant appui par soudure, par brasage ou par collage, sur les boucles d’accrochage.
10. 10. Texture suivant la revendication 1 caractérisée en ce qu’elle comporte un treillis inclus dans une coque déformable, les veines du treillis étant constituées de micro-édifices articulés et disposant chacune de un degré de liberté, chaque jonction entre ces veines étant constituée de deux microédifices articulés couplés, la jonction étant capable de coordonner les déformations et les motricités dans quatre branches E1, E2, S1 et S2 de la texture.
11. 11. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle comprend une agrégation de micro-édifices articulés qui sont des polyèdres de type tétraèdres, cubes ou rhomboèdres, hexaèdres, octaèdres et dodécaèdres.
12. 12. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que des micro-édifices articulés de même type sont mis en ligne et forment dans la texture une veine à un degré de liberté capable de transmettre de l’énergie.
13. 13. Texture suivant l’une des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle contient des micro-édifices articulés comportant des micro-poutres (1) élastiques qui confèrent à l’ensemble de la texture un tonus pour réagir aux efforts déviants.