WO2013189946A1 - Actionneur a actionnement hybride pour interface a retour de forces - Google Patents

Actionneur a actionnement hybride pour interface a retour de forces Download PDF

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WO2013189946A1
WO2013189946A1 PCT/EP2013/062655 EP2013062655W WO2013189946A1 WO 2013189946 A1 WO2013189946 A1 WO 2013189946A1 EP 2013062655 W EP2013062655 W EP 2013062655W WO 2013189946 A1 WO2013189946 A1 WO 2013189946A1
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WO
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shaft
force
rotation
actuator
braking
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/062655
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Carlos ROSSA
José LOZADA
Alain Micaelli
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G5/00—Means for preventing, limiting or returning the movements of parts of a control mechanism, e.g. locking controlling member
    • G05G5/03—Means for enhancing the operator's awareness of arrival of the controlling member at a command or datum position; Providing feel, e.g. means for creating a counterforce
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D41/00—Freewheels or freewheel clutches
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D67/00—Combinations of couplings and brakes; Combinations of clutches and brakes
    • F16D67/02—Clutch-brake combinations
    • F16D67/06—Clutch-brake combinations electromagnetically actuated
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2121/00—Type of actuator operation force
    • F16D2121/18—Electric or magnetic
    • F16D2121/28—Electric or magnetic using electrostrictive or magnetostrictive elements, e.g. piezoelectric elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D41/00—Freewheels or freewheel clutches
    • F16D41/06—Freewheels or freewheel clutches with intermediate wedging coupling members between an inner and an outer surface
    • F16D41/064—Freewheels or freewheel clutches with intermediate wedging coupling members between an inner and an outer surface the intermediate members wedging by rolling and having a circular cross-section, e.g. balls

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid actuator for a force feedback interface and to an interface comprising such an actuator.
  • the force feedback interfaces of the state of the art can implement controllable motors or brakes to generate the interaction forces.
  • Interfaces were therefore implemented using hybrid actuators combining a DC motor with a controllable brake.
  • the motor then provides active behavior to the interface while the brake is used to ensure system stability or to dissipate large amounts of energy.
  • the brake and the motor are used simultaneously, the active behavior of the engine is naturally canceled by the brake.
  • the interface In a haptic interface with two degrees of freedom for example, it becomes impossible to recreate interaction forces in a wide range of direction using the brakes and the engine at the same time.
  • the force imposed by user is less than the set force imposed by the actuator, the interface must have a predominant effect on the user. This occurs naturally when haptic rendering is provided by the engine but remains imperceptible in the case where the brake is activated.
  • the actuation of the system is controlled by a simple comparison between the sign of the instruction and that of the force stored by the spring. If the signs coincide, the setpoint torque is controlled by the brake and the error between the setpoint and the spring torque is compensated by the motor. However, if the signs of the instruction and that of the force stored by the spring are different, it is necessary to release the brake in order to cancel the stored energy and the motor assumes the instruction. When the spring energy becomes zero, it is again possible to actuate the brake and the system returns to the first mode of operation. The addition of an elastic element in the actuator considerably reduces the controllable bandwidth of the manipulator. The response time of the brake is significantly affected.
  • PADyC A synergistic robot for cardiac puncturing
  • Each wheel is connected to a motor programmed to rotate only in the free direction of the wheel associated with it.
  • Both freewheels are activated when both motors are inactive, in this case no movement of the axis of rotation is possible.
  • both engines are in rotation, the two free wheels are inactivated, any movement of the axis is then allowed.
  • the rotation of the axis is then allowed in the direction of rotation of the motor activated.
  • the rotation speed of the motors it is possible to control the amplitude of the movements of the axes. Actuation of the motors thus allows the movement of the axis of rotation in one direction. As a result, the system is non-motorized because the motors do not provide active torque.
  • an actuator comprising an electric motor driving a shaft adapted to rotate about its axis and able to transmit the forces to an operator, and freewheeling means able to apply a braking force to the operator. shaft so that the motor can drive the shaft in a direction opposite to that in which the braking force is exerted.
  • the actuator according to the invention can then provide the interface with active or dissipative torque without adding any element likely to harm the bandwidth of the system.
  • the active torque can be added to the dissipative torque.
  • the motor can exert an active force on the shaft without it being canceled by the dissipative forces generated by the activated braking system, since the shaft can be free to rotate in the opposite direction to the the one in which the braking force is exerted
  • the actuator can be force controlled by analog or digital controllers. Thanks to the invention, only the measurement of the position of the axis of rotation is required.
  • the mathematical model of the elements to be simulated is implemented in the simulator and the overall system can be controlled by a microcontroller which realizes the division of tasks between the brakes and the engine.
  • the tactile simulation interface according to the invention has the advantage of being able to operate without prior knowledge of the elements to be simulated.
  • the driving torque is transmitted directly to the output of the shaft in interaction with the operator, and the actuator comprises a freewheel and a braking system which applies a braking to the shaft via the freewheel.
  • the actuator comprises a freewheel and a braking system which applies a braking to the shaft via the freewheel.
  • the engine torque is transmitted directly to the output of the shaft in interaction with the operator, and the actuator comprises two freewheels mounted in opposition and a braking system associated with each wheel. free. Unidirectional rotation braking is applied to the shaft via the freewheels. As a result, the braking torque of the brake is transmitted to the axis only in the blocking direction of the freewheel associated with it.
  • the motor is connected directly to the output shaft and can drive the output shaft in either direction. For force feedback applications, this makes it possible to combine the significant braking forces provided by the brakes with the active behavior of the engine without the latter being canceled by the brakes.
  • This actuator operates in both directions of rotation.
  • means connect the first and second shafts and are such that they reverse the direction of rotation of the shaft.
  • the shaft For example it is a gearbox.
  • the system or systems are magneto-rheological.
  • the invention makes it possible to combine the dissipative forces of the braking systems and the active forces of the engine without the latter being canceled by the dissipative component.
  • the braking system and the motor can be activated simultaneously.
  • this actuator makes it possible to improve the performances of the interfaces.
  • the subject of the present invention is therefore an actuator for a force feedback interface comprising a first shaft intended to be integral in rotation with an interaction member of said interface, an electric motor capable of rotating the first shaft in a clockwise and counterclockwise direction, a first freewheel device mounted on said first shaft and a first braking system adapted to brake the rotation of said first shaft through the freewheel device.
  • the actuator may comprise a second freewheel device mounted on said first shaft in opposition to the first freewheel device, a second braking system capable of braking the rotation of said first shaft by means of the second freewheel device. in a direction opposite to that of the first braking system.
  • the subject of the present invention is also an actuator for a force feedback interface
  • a first shaft designed to be integral in rotation with an interaction member of said interface, an electric motor capable of rotating the first shaft in one direction. counterclockwise, a second integral shaft in motion of the first shaft, a first freewheel device mounted on the second shaft and a first braking system adapted to slow the rotation of the second shaft via the wheel device. free, and means connecting the second shaft to the first shaft, said means being such that the direction of rotation of the first and second shaft are the same or opposite.
  • the means for selecting the direction in which the first shaft is braked are advantageously formed by a gearbox.
  • the gearbox may have different transmission ratios.
  • the first and / or the second braking system are magneto-rheological braking systems.
  • the motor is a DC motor.
  • the actuator may comprise a position sensor of the first shaft.
  • the braking system or systems has (s) a higher torque capacity than the engine.
  • the present invention also relates to an interface comprising at least one actuator according to the invention, an interaction member with the operator rotatably connected to the first shaft and a controller controlling the engine and the braking system or systems.
  • the actuator can be advantageously controlled by force.
  • the controller may comprise means for comparing the sign of the speed of the first shaft and that of the setpoint.
  • the controller controls one of the braking systems and the motor so that they both brake the rotation of the first shaft.
  • the motor can participate in braking only when the measured speed is zero or when an active effort is required.
  • the present invention also relates to a method of controlling an actuator of a force feedback interface according to the invention, comprising the steps:
  • one or the other of the braking systems is activated to exert a dissipative force and the motor is activated to provide an active effort.
  • the motor and one or the other of the braking systems can be activated simultaneously.
  • the motor provides a dissipative force and one or the other of the braking systems are activated when the engine reaches its saturation regime.
  • FIG. 1 is a schematic view of an actuator according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic view of an actuator according to a second embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of an example of control of the actuator. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • the actuator that will be described in detail has a degree of freedom.
  • dissipative force means a force intended to oppose the speed (displacement) of the operator, and by “active effort” a force which is effected in the same direction as the speed of displacement of the operator.
  • the actuator A1 comprises a frame 2 in which a shaft 3 of axis X is mounted capable of rotating in rotation about its axis, a first freewheel 4 mounted on the shaft 3 and a second freewheel 6 mounted on the shaft 3.
  • the two freewheels 4, 6 are mounted in opposition. This is for example freewheels with rollers.
  • a freewheel is a mechanical device for unidirectional force transmission. This device is well known to those skilled in the art and will not be described in detail.
  • the first freewheel 4 transmits the rotational movement in the clockwise direction and the second freewheel 6 transmits the rotational movement counterclockwise.
  • the actuator A1 also comprises first 8 and second 10 braking systems associated with each of the first 4 and second 6 freewheels respectively. So that, when a braking force is applied by the first braking system 8, the shaft 3 is braked in the clockwise direction and, when a braking force is applied by the second braking system 10, the shaft 3 is braked counterclockwise.
  • braking system means a system capable of applying a dissipative force to reduce the rotational speed of a shaft, the reduced speed being non-zero or zero.
  • the first 8 and second 10 braking systems are magneto-rheological braking systems.
  • the first system comprises a sleeve of ferromagnetic material 12 integral with the outer periphery of the first freewheel 4 and a magnetic field generator 14, a coil in the example shown.
  • a radial clearance is provided between the outer periphery of the sleeve 12 and the coil 14 defining an annular space 16.
  • a magneto-rheological liquid 17 fills the annular space 16.
  • the first braking system 8 operates as follows: when a magnetic flux is generated by the coil 14 in the space 16, the ferromagnetic particles that make up the fluid align with the orientation of the magnetic flux and constitute chains between the walls of the fixed and moving parts. Therefore, to force the movement between the walls of the fluid layer, it is necessary to impose a force greater than the interaction force of the particles in order to break the chains that have formed. This results in resistance to the rotation of the freewheels relative to the frame, this resistance is proportional to the intensity of the magnetic flux generated by the coil.
  • the coil is integral with the freewheel.
  • the volume of magnetorheological fluid is shared between the two braking systems, however two separate volumes could be provided. Any other magneto-rheological brake geometry is conceivable.
  • controllable braking systems can also be used, for example of the powder brake type, shoe brake, disc brake, eddy current brake, electrorheological brakes ...
  • the shaft 3 is through and has two longitudinal ends 3.1, 3.2 protruding from both sides of the frame 2.
  • An electric motor 18 is engaged with the shaft 3 at the from the end 3.1, the motor 4 can turn clockwise and counterclockwise. This is for example a DC motor.
  • the implementation of a traversing shaft makes it possible to simply connect the motor directly at the output of the shaft.
  • the end 3.2 of the shaft 3 carries an interaction member with the operator, for example a lever (not shown).
  • the actuator A1 also comprises an angular position sensor of the shaft 3, the sensor is for example of the rotary encoder type.
  • Other sensors are however usable, such as: inductive sensors, capacitive sensors, potentiometers, optical sensors, etc. It is also possible to use an angular speed sensor or angular acceleration.
  • the actuator is force controlled by one or more analog or digital controllers.
  • the force feedback interface according to the invention comprises at least one actuator according to the invention and a control member which ensures the sharing of tasks between the controllable organs and which realizes the division of tasks between the braking systems and the engine.
  • the control organ is for example a computer or any other control system.
  • the term "simulator” is understood to mean the virtual environment that contains the mathematical model used for computing the interaction force instructions.
  • the virtual environment calculates the setpoints as a function of the measured position and / or the speed which can be deduced from it and in particular according to the behavior of the virtual elements to be simulated, for example the torque in a force feedback wheel in a racing game.
  • the simulator is independent of the rest of the system. It varies according to the applications and is not implemented in the operating system described.
  • the microcontroller 22 receives the instructions calculated by the virtual environment and uses the position measurement to calculate the speed or a direct measurement of the speed. It is part of the system and is responsible for sharing the deposit between the different actuators. As a result, the actuation system is adaptable in a large number of haptic applications since it is independent of any simulation.
  • the first braking system 8 is activated: it imposes a force resistant to the rotation of the shaft in the clockwise direction of rotation.
  • the shaft 3 can rotate freely counterclockwise.
  • the second braking system 10 is activated: it imposes a force resistant to the rotation of the shaft 3 in the counterclockwise direction of rotation.
  • the shaft 3 can rotate freely clockwise.
  • the motor 18 is activated counterclockwise and the first braking system 8 is activated: the first braking system 8 and the motor impose a resistance to the rotation in the clockwise direction. Counterclockwise, the motor 18 can drive the shaft 3.
  • the motor 18 is activated in the clockwise direction and the first braking system 8 is activated: the engine torque is braked by the first braking system 8. The difference between the engine torque and the braking torque is transmitted to the output .
  • the motor is activated clockwise and the second braking system 10 is activated: the second braking system 10 and the motor 18 impose a rotation resistance in the counterclockwise direction. In the clockwise direction, the motor 18 can drive the shaft 3.
  • the motor is activated counterclockwise and the second braking system 10 is activated: the engine torque is braked by the second braking system 10. The difference between the engine torque and the braking torque is transmitted to the output.
  • the speed of the shaft is determined.
  • the sign of the speed thus determined and that of the target force are then compared.
  • the haptic interface must provide a dissipative effort.
  • the first or second braking system or the motor is activated.
  • a magnetic field is produced in space C, the magneto-rheological fluid particles align and oppose a resistance to the rotation of the shaft.
  • the setpoint is sent to the motor 18 so that it provides an active force and, instead, that the actuator generates a force opposing the force. rotation of the tree, it imposes a force accompanying the rotation of the shaft. Since no braking system is activated, the shaft is free to turn in either direction.
  • the braking systems are chosen so as to have a considerably greater torque capacity than that of the engine, which makes it possible to avoid the potential risks to the user that would exist if the engine were able to impose active effort too important.
  • the actuator can be controlled in the following advantageous ways.
  • the motor is used only to provide an active torque. Except in the case where the measured speed is zero, the appropriate motor and braking system are activated.
  • the setpoint is sent to the motor.
  • the difference between the setpoint and the saturation of the motor is sent to the braking system.
  • the brake system completes the maximum torque that the engine can deliver to provide the force required by the setpoint.
  • This operation allows more use of the braking systems to dissipate energy, while the engine is activated only to provide active effort or when the speed is zero. The energy consumption is also reduced.
  • This first control method advantageously makes it possible to make the actuator active when the operator releases the lever and is also capable of eliminating the sticking phenomenon in the simulation of a virtual wall, a phenomenon that appears when the actuator is of the type only dissipative. Indeed, when the engine has the same torque capacity as that of the brakes, since the shaft can rotate thanks to the implementation of the freewheel, the motor can impose an active torque which eliminates the delay occurring with the passive actuators. when the operator moves back towards the virtual wall.
  • the motor provides a dissipative effort as long as the torque required by the setpoint is lower than the saturation of the motor.
  • the braking system is activated to compensate for the difference between the setpoint and the saturation of the engine.
  • the motor is used to provide modest forces, which may be active or dissipative, while the braking system is used solely to provide high strengths of resistance.
  • the engine is therefore used to dissipate energy as long as the efforts are weak. This technique allows the actuator to have an active behavior in low force regime, ie forces limited to the saturation of the engine not presenting any potential risks for the user.
  • the second control method has the advantage of being sufficient for controlling interfaces with one or two degrees of freedom.
  • the first control method is sufficient for the control of interfaces with a degree of freedom.
  • the actuator and its control methods are adaptable to a wide range of force feedback interfaces and can improve the performance of such devices and reduce the energy required to synthesize haptic rendering.
  • the torque / volume ratio of a magnetorheological brake can be up to 50 times that of a DC motor.
  • the size of an interface implementing such an actuator can be substantially reduced.
  • an actuator operating only in a direction of rotation it comprises a motor, a braking system and a freewheel connecting the braking system and the engine.
  • the organ handled by the operator is in direct contact with the motor shaft. If the operator turns the lever in the locking direction of the freewheel, the braking torque applied by the brake opposes the movement of the member. If the operator turns the lever in the unlocking direction of the freewheel, the body turns freely.
  • the motor on the axis of which the member is in direct engagement can exert a torque on the member in both directions of rotation. The control methods of this actuator are similar to those described above.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an actuator according to the invention in which one of the braking systems and the associated freewheel are replaced by a system 124 capable of reversing the direction of rotation, by example a gearbox.
  • the actuator comprises a first shaft 103 on which is mounted a freewheel 104 and a braking system 108, a second shaft 203 forms the traversing shaft of a motor 218, one end of which is intended to be connected to an actuator member. interaction with the operator (not shown).
  • the reversing system 24 connects the first shaft 103 and the second shaft 203.
  • the braking system 108 brakes the shaft 103 in one direction only and it is the inversion system that allows the actuator A2 to operate similarly to the actuator A1 and to have the same advantages. Indeed, the inversion system is controlled so that it controls the direction of braking and thanks to the freewheel 104, the motor 118 can rotate in the opposite direction.
  • control methods are similar to those described for the first mode of operation. However, instead of controlling a second braking system to impose a dissipative force in the opposite direction to that imposed by the braking system 108 and the freewheel 104, the gearbox 124 is controlled to reverse the direction of rotation. rotation transmitted between the first shaft 103 and the second shaft 203.
  • the gearbox has different transmission ratios and a neutral position, which increases the braking capacity of the braking system and uncoupling the inertia of the input.
  • This embodiment eliminates the inertia of a second freewheel and a second braking system. It also makes it possible to decouple the inertia of the braking system when only the engine is used.
  • two or three actuators are associated with a degree of freedom according to the invention respectively.
  • the actuator according to the invention can be implemented to make haptic feedback-force interfaces, such as, for example, force-feedback wheels for video games or steer-by-wire systems, force return joysticks, programmable force feedback buttons, medical training devices, manipulator arms for remote operation, etc.
  • haptic feedback-force interfaces such as, for example, force-feedback wheels for video games or steer-by-wire systems, force return joysticks, programmable force feedback buttons, medical training devices, manipulator arms for remote operation, etc.

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Abstract

Actionneur pour interface à retour de forces comportant un arbre solidaire en rotation d'un organe d'interaction de ladite interface, un moteur électrique entraînant en rotation l'arbre (3) dans un sens horaire et dans un sens antihoraire, un premier dispositif à roue libre (4) monté sur l'arbre (3) et un premier système de freinage (8) apte à freiner la rotation de l'arbre (3) par l'intermédiaire du dispositif à roue libre (8), un deuxième dispositif à roue libre (6) monté sur l'arbre (3) en opposition par rapport au premier dispositif à roue libre (4), un deuxième système de freinage (10) apte à freiner la rotation de l'arbre (3) par l'intermédiaire du deuxième dispositif à roue libre (6) dans un sens opposé à celui du premier système de freinage (8). Le moteur pouvant appliquer un effort actif à l'arbre (3) dans le sens opposé à celui de la force de freinage.

Description

ACTIONNEUR A ACTIONNEMENT HYBRIDE POUR INTERFACE A RETOUR DE FORCES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un actionneur à actionnement hybride pour interface à retour de forces et à une interface comportant un tel actionneur.
Les interfaces à retour de forces de l'état de la technique peuvent mettre en œuvre des moteurs ou des freins contrôlables pour générer les forces d'interaction.
Dans le cas où un moteur est utilisé, il existe un compromis entre la raideur et la stabilité de l'interface via les gains d'asservissement.
Dans le cas où un frein est utilisé, le système est intrinsèquement stable mais il est impossible de restituer de l'énergie à l'utilisateur.
Il a donc été réalisé des interfaces mettant en ouvre des actionneurs hybrides associant un moteur à courant continu à un frein contrôlable. Le moteur fournit alors un comportement actif à l'interface tandis que le frein est utilisé pour assurer la stabilité du système ou pour dissiper des quantités importantes d'énergie. Cependant, si le frein et le moteur sont utilisés simultanément, le comportement actif du moteur est naturellement annulé par le frein. Dans une interface haptique à deux degrés de liberté par exemple, il devient impossible de recréer des forces d'interaction dans une large plage de direction en utilisant les freins et le moteur en même temps. En outre, si l'effort imposé par utilisateur est inférieur à la force de consigne imposée par l'actionneur, l'interface doit avoir un effet prédominant sur l'utilisateur. Ceci s'effectue naturellement lorsque le rendu haptique est assuré par le moteur mais reste imperceptible dans le cas où le frein est activé. Afin d'assurer un rendu haptique réaliste, il est alors nécessaire de combiner à l'actionneur hybride un capteur de force d'interaction, ce qui rend le système volumineux et considérablement plus coûteux.
Le document F. Conti and 0. Khatib, "A new actuation approach for haptic Interface Design" - In The international Journal of Robotics Research 2009 décrit un actionneur appelé « H20 » combinant l'utilisation d'un ressort angulaire, un frein et un moteur dans une configuration parallèle, avec deux capteurs de position qui mesurent la compression du ressort. La sortie de l'actionneur est caractérisée par la somme des couples générés par chaque actionneur. En introduisant un ressort, il est possible de stocker de l'énergie provenant de l'extérieur par l'actionnement du frein. Lorsque le frein est relâché, l'utilisateur peut faire tourner l'axe principal sans résistance. Cependant, lorsque le frein est activé, une force proportionnelle au déplacement est imposée à la sortie. Le moteur est activé pour compenser le couple de sortie et la consigne.
L'actionnement du système est contrôlé par une simple comparaison entre le signe de la consigne et celui de la force stockée par le ressort. Si les signes coïncident, le couple de consigne est commandé par le frein et l'erreur entre la consigne et le couple ressort est compensée par le moteur. Toutefois si les signes de la consigne et celui de la force stockée par le ressort sont différents il est nécessaire de lâcher le frein afin d'annuler l'énergie stockée et le moteur assume la consigne. Lorsque l'énergie du ressort devient nulle, il est à nouveau possible d'actionner le frein et le système revient dans le premier mode de fonctionnement. L'ajout d'un élément élastique dans l'actionneur réduit considérablement la bande passante contrôlable du manipulateur. Le temps de réponse du frein est considérablement affecté.
Le document O.Schneider et J. Troccaz. « PADyC: A synergistic robot for cardiac puncturing » - In Proceedings of the 2000 IEEE international conférence on robotics & automation décrit le mécanisme « PADyC » associant deux roues libres montées en parallèle. Chaque roue est connectée à un moteur programmé pour tourner uniquement dans le sens libre de la roue qui lui est associée. Les deux roues libres sont activées lorsque les deux moteurs sont inactifs, dans ce cas aucun mouvement de l'axe de rotation n'est possible. Lorsque les deux moteurs sont en rotation, les deux roues libres sont inactivées, tout mouvement de l'axe est alors permis. Si uniquement une des roues libres est active, i.e. le moteur associé à la roue libre est à l'arrêt tandis que le moteur de l'autre roue est actif, la rotation de l'axe est alors permise dans le sens de rotation du moteur activé. En contrôlant la vitesse de rotation des moteurs il est possible de contrôler l'amplitude des mouvements des axes. L'actionnement des moteurs permet ainsi le mouvement de l'axe de rotation dans une direction. De ce fait, le système est non motorisé car les moteurs ne fournissent pas de couple actif.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un actionneur pour interface à retour d'effort capable de fournir un couple actif ou dissipatif avec un nombre d'éléments sensiblement proche de celui des actionneurs de l'état de la technique et présentant un encombrement réduit
Le but de la présente invention est atteint par un actionneur comportant un moteur électrique entraînant un arbre apte à tourner autour de son axe et apte à transmettre les forces à un opérateur, et des moyens à roue libre aptes à appliquer un effort de freinage sur l'arbre de telle sorte que le moteur peut entraîner l'arbre dans un sens opposé à celui dans lequel s'exerce l'effort de freinage. L'actionneur selon l'invention peut alors fournir à l'interface un couple actif ou dissipatif sans ajouter aucun élément susceptible de nuire à la bande passante du système. Le couple actif peut s'ajouter au couple dissipatif.
En d'autres termes, le moteur peut exercer un effort actif sur l'arbre sans que celui-ci soit annulé par les efforts dissipatifs générés par le système de freinage activé, puisque l'arbre peut être libre en rotation dans le sens opposé à celui dans lequel s'exerce l'effort de freinage
L'actionneur peut être asservi en force par des contrôleurs analogiques ou digitaux. Grâce à l'invention, seule la mesure de la position de l'axe de rotation est requise. Le modèle mathématique des éléments à simuler est implémenté dans le simulateur et le système global peut être contrôlé par un microcontrôleur qui réalise le partage des tâches entre les freins et le moteur.
L'interface de simulation tactile selon l'invention présente l'avantage de pouvoir fonctionner sans connaissance a priori des éléments à simuler.
Selon un exemple d'un premier mode de réalisation, le couple moteur est transmis directement à la sortie de l'arbre en interaction avec l'opérateur, et l'actionneur comporte une roue libre et un système de freinage qui applique un freinage à l'arbre par l'intermédiaire de la roue libre. Pour les applications de retour de force, ceci permet de combiner les forces de freinage importantes fournies par le frein au comportement actif du moteur sans que ce dernier ne soit annulé par le frein. Cet actionneur ne fonctionne que dans un seul sens de rotation.
Selon un autre exemple du premier mode de réalisation, le couple moteur est transmis directement à la sortie de l'arbre en interaction avec l'opérateur, et l'actionneur comporte deux roues libres montées en opposition et un système de freinage associé à chaque roue libre. Le freinage en rotation unidirectionnel est appliqué à l'arbre par l'intermédiaire des roues libres. De ce fait le couple de freinage du frein n'est transmis à l'axe que dans le sens de blocage de la roue libre qui lui est associée. Le moteur est connecté directement à l'axe de sortie et peut entraîner ce dernier dans le deux sens. Pour les applications de retour de force, ceci permet de combiner les forces de freinage importantes fournies par les freins au comportement actif du moteur sans que ce dernier ne soit annulé par les freins. Cet actionneur fonctionne dans les deux sens de rotation.
Dans un deuxième mode de réalisation, des moyens connectent le premier et le deuxième arbre et sont tels qu'ils inversent les sens de rotation de l'arbre. Par exemple il s'agit d'une boîte de vitesse.
Par exemple, le ou les systèmes sont magnéto-rhéologiques.
L'invention permet de combiner les efforts dissipatifs des systèmes de freinage et les efforts actifs du moteur sans que ce dernier ne soit annulé par le composant dissipatif. De ce fait, le système de freinage et le moteur peuvent être activés simultanément. Etant adaptable à une large gamme d'applications haptique, cet actionneur permet d'améliorer les performances des interfaces. En outre, il devient possible d'associer un système de freinage ayant une capacité de couple beaucoup plus importante que celle du moteur, ce qui minimise l'énergie nécessaire à la synthèse d'un rendu haptique.
La présente invention a alors pour objet un actionneur pour interface à retour de forces comportant un premier arbre destiné à être solidaire en rotation d'un organe d'interaction de ladite interface, un moteur électrique apte à mettre en rotation le premier arbre dans un sens horaire et dans un sens antihoraire, un premier dispositif à roue libre monté sur ledit premier arbre et un premier système de freinage apte à freiner la rotation dudit premier arbre par l'intermédiaire du dispositif à roue libre.
L'actionneur peut comporter un deuxième dispositif à roue libre monté sur ledit premier arbre en opposition par rapport au premier dispositif à roue libre, un deuxième système de freinage apte à freiner la rotation dudit premier arbre par l'intermédiaire du deuxième dispositif à roue libre dans un sens opposé à celui du premier système de freinage.
La présente invention a également pour objet un actionneur pour interface à retour de forces comportant un premier arbre destiné à être solidaire en rotation d'un organe d'interaction de ladite interface, un moteur électrique apte à mettre en rotation le premier arbre dans un sens horaire et dans un sens antihoraire, un deuxième arbre solidaire en mouvement du premier arbre, un premier dispositif à roue libre monté sur le deuxième arbre et un premier système de freinage apte à freiner la rotation du deuxième arbre par l'intermédiaire du dispositif à roue libre, et des moyens connectant le deuxième arbre au premier arbre, lesdits moyens étant tels que le sens de rotation du premier et du deuxième arbre sont identiques ou opposés.
Les moyens pour sélectionner le sens dans lequel le premier arbre est freiné sont formés avantageusement par une boîte de vitesse. La boîte de vitesse peut posséder différents rapports de transmission.
Dans un exemple de réalisation, le premier et/ou le deuxième système de freinage sont des systèmes de freinage magnéto-rhéologiques.
De préférence, le moteur est un moteur à courant continu.
Selon une caractéristique de l'invention, l'actionneur peut comporter un capteur de position du premier arbre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le ou les systèmes de freinage présente(nt) une capacité de couple supérieure à celle du moteur.
La présente invention a également pour objet une interface comportant au moins un actionneur selon l'invention, un organe d'interaction avec l'opérateur solidaire en rotation du premier arbre et un contrôleur commandant le moteur et le ou les systèmes de freinage.
L'actionneur peut être avantageusement asservi en force.
Le contrôleur peut comporter des moyens pour comparer le signe de la vitesse du premier arbre et celui de la consigne.
Dans un exemple de réalisation, le contrôleur commande l'un des systèmes de freinage et le moteur pour qu'ils freinent tous deux la rotation du premier arbre.
Selon une caractéristique de l'invention, le moteur peut participer au freinage uniquement quand la vitesse mesurée est nulle ou quand un effort actif est requis.
La présente invention a également pour objet un procédé de commande d'un actionneur d'une interface à retour de forces selon l'invention, comportant les étapes :
- comparaison du signe de la vitesse de rotation du premier arbre portant l'organe d'interaction avec l'opérateur avec le signe de la force de consigne,
- envoi d'un ordre de commande au moteur et/ou à l'un des systèmes de freinage,
- application d'un effort dissipatif et/ou d'un effort actif audit premier bras.
Dans un exemple de réalisation, pour une vitesse mesurée du premier arbre non nulle, l'un ou l'autre des systèmes de freinage est activé pour exercer un effort dissipatif et le moteur est activé pour fournir un effort actif. Lorsque la vitesse du premier arbre mesurée est nulle, le moteur et l'un ou l'autre des systèmes de freinage peuvent être activés simultanément.
Dans un autre exemple de réalisation, le moteur fournit un effort dissipatif et l'un ou l'autre des systèmes de freinage sont activés lorsque le moteur atteint son régime de saturation. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels :
la figure 1 est une vue schématique d'un actionneur selon un premier mode de réalisation,
la figure 2 est une vue schématique d'un actionneur selon un deuxième mode de réalisation,
la figure 3 est une représentation schéma d'un exemple de commande de l'actionneur. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'actionneur qui va être décrit en détail présente un degré de liberté.
Dans la présente demande, on entend par « effort dissipatif » un effort destiné à s'opposer à la vitesse (déplacement) de l'opérateur, et par « effort actif » un effort qui s'effectue dans le même sens que la vitesse de déplacement de l'operateur.
Sur la figure 1, on peut voir une représentation schématique d'un actionneur Al selon un premier mode de réalisation.
L'actionneur Al comporte un bâti 2 dans lequel un arbre 3 d'axe X est monté apte à tourner en rotation autour de son axe, une première roue libre 4 montée sur l'arbre 3 et une deuxième roue libre 6 montée sur l'arbre 3. Les deux roues libres 4, 6 sont montées en opposition. I l s'agit par exemple de roues libres à rouleaux.
Pour rappel, une roue libre est un dispositif mécanique de transmission d'effort unidirectionnel. Ce dispositif est bien connu de l'homme du métier et ne sera pas décrit en détail.
Par exemple, la première roue libre 4 transmet le mouvement de rotation dans le sens horaire et la deuxième roue libre 6 transmet le mouvement de rotation dans le sens antihoraire.
L'actionneur Al comporte également des premier 8 et deuxième 10 systèmes de freinage associés à chacune des première 4 et deuxième 6 roues libres respectivement. De sorte que, lorsqu'un effort de freinage est appliqué par le premier système de freinage 8, l'arbre 3 est freiné dans le sens horaire et, lorsqu'un effort de freinage est appliqué par le deuxième système de freinage 10, l'arbre 3 est freiné dans le sens antihoraire.
Dans la présente demande, on entend par "système de freinage" un système apte à appliquer un effort dissipatif visant à réduire la vitesse de rotation d'un arbre, la vitesse réduite pouvant être non nulle ou nulle.
Dans l'exemple représenté, les premier 8 et deuxième 10 systèmes de freinage sont des systèmes de freinage magnéto-rhéologiques.
Les deux systèmes de freinage étant similaires, seul le premier sera décrit en détail.
Le premier système comporte un manchon en matériau ferromagnétique 12 solidaire de la périphérie extérieure de la première roue libre 4 et un générateur de champ magnétique 14, une bobine dans l'exemple représenté. Un jeu radial est prévu entre la périphérie extérieure du manchon 12 et la bobine 14 délimitant une espace annulaire 16. Un liquide magnéto-rhéologique 17 remplit l'espace annulaire 16.
Le premier système de freinage 8 fonctionne de la manière suivante : lorsqu'un flux magnétique est généré par la bobine 14 dans l'espace 16, les particules ferromagnétiques qui composent le fluide s'alignent selon l'orientation du flux magnétique et constituent des chaînes entre les parois des parties fixes et mobiles. De ce fait, pour forcer le mouvement entre les parois de la couche de fluide, il faut imposer une force supérieure à la force d'interaction des particules afin de casser les chaînes qui se sont formées. Ceci se traduit par une résistance à la rotation des roues libres par rapport au bâti, cette résistance est proportionnelle à l'intensité du flux magnétique généré par la bobine.
En variante, on pourrait envisager que la bobine soit solidaire de la roue libre. Dans l'exemple représenté, le volume de fluide magnéto-rhéologique est partagé entre les deux systèmes de freinage, cependant on pourrait prévoir deux volumes distincts. Toute autre géométrie de frein magnéto-rhéologique est envisageable.
D'autres systèmes de freinage contrôlables peuvent également être utilisés, par exemple du type frein à poudre, frein à sabot, frein à disque, frein à courant de Foucault, freins électro-rhéologiques...
Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse, l'arbre 3 est traversant et comporte deux extrémités longitudinales 3.1, 3.2 faisant saillie de part et d'autre du bâti 2. Un moteur électrique 18 est en prise avec l'arbre 3 au niveau de l'extrémité 3.1, le moteur 4 peut tourner dans le sens horaire et dans le sens antihoraire. Il s'agit par exemple d'un moteur à courant continu. La mise en œuvre d'un arbre traversant permet de connecter simplement le moteur directement en sortie de l'arbre.
L'extrémité 3.2 de l'arbre 3 porte un organe d'interaction avec l'opérateur, par exemple un levier (non représenté).
Grâce à l'invention, si une force résistante à la rotation de l'arbre 3 dans le sens horaire est imposée, cette force est contrôlée en intensité par l'actionnement du premier système de freinage 8 qui agit sur la première roue libre 4. Cependant, grâce à la première roue libre 4, l'arbre 3 peut tourner librement dans le sens antihoraire.
L'actionneur Al comporte également un capteur de position angulaire de l'arbre 3, le capteur est par exemple du type codeur rotatif. D'autres capteurs sont cependant utilisables, tels que : capteurs inductifs, capteurs capacitifs, potentiomètres, capteurs optiques etc. On peut également prévoir d'utiliser un capteur de vitesse angulaire ou d'accélération angulaire.
L'actionneur est asservi en force par un ou des contrôleurs analogiques ou digitaux.
L'interface à retour de forces selon l'invention comporte au moins un actionneur selon l'invention et un organe de contrôle qui assure le partage des tâches entre les organes contrôlables et qui réalise le partage des tâches entre les systèmes de freinage et le moteur. L'organe de contrôle est par exemple un ordinateur ou tout autre système de contrôle.
Sur la figure 3, on peut voir un exemple du schéma de commande de l'actionneur. La commande de l'actionneur se base sur l'analyse de l'énergie d'interaction. En comparant les signes de la vitesse mesurée sur l'arbre 3 avec les signes des consignes de simulation émises par un simulateur 21 au microcontrôleur 22, on détermine si l'interface à retour d'effort requiert une commande pour dissiper de l'énergie ou pour présenter un comportement actif. Les consignes de simulation sont envoyées par le microcontrôleur 22 soit à l'un des systèmes de freinage 8, 10 et/ou au moteur 18. L'un des systèmes de freinage 8, 10 et/ou le moteur 18 imposent une force de réaction à l'arbre 3. Ensuite, la position de l'arbre est mesurée, information qui est envoyée au simulateur et au contrôleur pour corriger ou non l'action de l'un des systèmes de freinage et/ou du moteur. Le choix de la consigne des systèmes de freinage et/ou du moteur dépend du sens de la vitesse de rotation de l'arbre.
On entend par "simulateur" l'environnement virtuel qui contient le modèle mathématique utilisé pour le calcul des consignes de forces d'interaction. L'environnement virtuel calcule les consignes en fonction de la position mesurée et/ou de la vitesse qui peut en être déduite et en particulier en fonction du comportement des éléments virtuels à simuler, par exemple le couple dans un volant à retour d'effort dans un jeu de course. Le simulateur est indépendant du reste du système. Il varie selon les applications et n'est pas implémenté dans le système d'actionnement décrit. Le microcontrôleur 22, quant à lui, reçoit les consignes calculées par l'environnement virtuel et utilise la mesure de position pour calculer la vitesse ou une mesure directe de la vitesse. Il fait partie du système et est responsable du partage de la consigne entre les différents actionneurs. De ce fait, le système d'actionnement est adaptable dans un grand nombre d'applications haptiques puisqu'il est indépendant de toute simulation.
Les différentes possibilités de fonctionnement de l'actionneur sont les suivantes :
A - Les deux systèmes de freinage sont activés : le système impose une force résistante à la rotation de l'arbre 3 dans les deux directions.
B- Le premier système de freinage 8 est activé : il impose une force résistante à la rotation de l'arbre dans le sens horaire de rotation. L'arbre 3 peut tourner librement dans le sens antihoraire. C - Le deuxième système de freinage 10 est activé : il impose une force résistante à la rotation de l'arbre 3 dans le sens antihoraire de rotation. L'arbre 3 peut tourner librement dans le sens horaire.
D - Le moteur 18 est activé dans le sens antihoraire et le premier système de freinage 8 est activé : le premier système de freinage 8 et le moteur imposent une résistance à la rotation dans le sens horaire. Dans le sens antihoraire, le moteur 18 peut entraîner l'arbre 3.
E - Le moteur 18 est activé dans le sens horaire et le premier système de freinage 8 est activé : le couple moteur est freiné par le premier système de freinage 8. La différence entre le couple moteur et le couple de freinage est transmise à la sortie.
F - Le moteur est activé dans le sens horaire et le deuxième système de freinage 10 est activé : le deuxième système de freinage 10 et le moteur 18 imposent une résistance à la rotation dans le sens antihoraire. Dans le sens horaire, le moteur 18 peut entraîner l'arbre 3.
G - Le moteur est activé dans le sens antihoraire et le deuxième système de freinage 10 est activé : le couple moteur est freiné par le deuxième système de freinage 10. La différence entre le couple moteur et le couple de freinage est transmise à la sortie.
Il est à noter que les modes de fonctionnement E et G présentent un moindre intérêt.
Le fonctionnement de l'actionneur de la figure 1 selon l'invention va maintenant être décrit.
Tout d'abord à partir de la mesure de la position de l'arbre 3, la vitesse de l'arbre est déterminée. On compare ensuite le signe de la vitesse ainsi déterminée et celle de la force de consigne.
Si la force de consigne a le même signe que la vitesse mesurée, on en conclut que l'interface haptique doit fournir un effort dissipatif. Suivant le signe de la force de la consigne, le premier ou deuxième système de freinage ou le moteur est activé. Un champ magnétique est produit dans l'espace C, les particules du fluide magnéto- rhéologique s'alignent et opposent une résistance à la rotation de l'arbre. Si au contraire, le signe de la vitesse et celui de la force de consigne sont différents, la consigne est envoyée au moteur 18 afin qu'il fournisse un effort actif et, au lieu que l'actionneur génère une force s'opposant à la rotation de l'arbre, il impose une force accompagnant la rotation de l'arbre. Puisqu'aucun système de freinage n'est activé, l'arbre est libre de tourné dans l'un ou l'autre sens.
De manière avantageuse, les systèmes de freinage sont choisis de sorte à présenter une capacité de couple considérablement plus importante que celle du moteur, ce qui permet d'éviter les risques potentiels pour l'utilisateur qui existeraient si le moteur était capable d'imposer un effort actif trop important.
Dans le cas où le moteur présente une capacité de couple réduite par rapport à celle des systèmes de freinage, l'actionneur peut être commandé selon les manières avantageuses suivantes.
Selon une première méthode de commande, le moteur est utilisé uniquement pour fournir un couple actif. Sauf dans le cas où la vitesse mesurée est nulle, le moteur et le système de freinage adaptés sont activés. La consigne est envoyée au moteur. La différence entre la consigne et la saturation du moteur est envoyée au système de freinage. Le système de freinage complète le couple maximal que peut fournir le moteur pour fournir la force requise par la consigne.
Ce fonctionnement permet d'utiliser davantage les systèmes de freinage pour dissiper de l'énergie, tandis que le moteur est activé uniquement pour fournir un effort actif ou lorsque la vitesse est nulle. La consommation d'énergie est également réduite. Cette première méthode de commande permet avantageusement de rendre l'actionneur actif lorsque l'opérateur relâche le levier et est également capable d'éliminer le phénomène de collage dans la simulation d'un mur virtuel, phénomène qui apparaît lorsque l'actionneur est du type uniquement dissipatif. En effet, lorsque le moteur a la même capacité de couple que celle des freins, puisque l'arbre peut tourner grâce à la mise en œuvre de la roue libre, le moteur peut imposer un couple actif qui supprime le retard apparaissant avec les actionneurs passifs lorsque l'opérateur recule face au mur virtuel. Selon une deuxième méthode de commande, quelle que soit la vitesse mesurée, le moteur fournit un effort dissipatif tant que le couple requis par la consigne est inférieur à la saturation du moteur. Une fois la saturation du moteur dépassée, le système de freinage est activé pour compenser la différence entre la consigne et la saturation du moteur. De ce fait, le moteur est utilisé pour fournir des efforts modestes, qui peuvent être actifs ou dissipatifs, tandis que le système de freinage est utilisé uniquement pour fournir des grandes forces de résistance. Le moteur est donc utilisé pour dissiper de l'énergie tant que les efforts sont faibles. Cette technique permet que l'actionneur ait un comportement actif en faible régime de forces, i.e. forces limitées à la saturation du moteur ne présentant pas de risques potentiels pour l'utilisateur.
Par exemple pour une application aux systèmes de conduite du type steer-by-wire, il est alors possible de transmettre de vibrations contrôlables au volant.
Dans les deux méthodes de commande, le couple moteur n'est pas annulé par le frein.
La deuxième méthode de commande présente l'avantage d'être suffisante pour la commande d'interfaces à un ou deux degrés de liberté. La première méthode de commande est suffisante pour la commande d'interfaces à un degré de liberté.
Ces deux méthodes de commandes sont basées seulement sur deux éléments d'information, la vitesse mesurée et la force calculée par le simulateur. Il en résulte que la commande est indépendante de la simulation et n'a pas besoin de mesure de la force d'interaction. Par conséquent, l'actionneur et ses méthodes de commande sont adaptables à une large gamme d'interfaces à retour de forces et peuvent améliorer les performances de tels dispositifs et réduire l'énergie nécessaire à la synthèse d'un rendu haptique.
Il a été constaté que le rapport couple/volume d'un frein magnéto- rhéologique peut atteindre 50 fois celui d'un moteur à courant continu. L'encombrement d'une interface mettant en œuvre un tel actionneur peut donc être sensiblement réduit.
Dans le cas où l'on souhaite un actionneur ne fonctionnant que dans un sens de rotation, celui-ci comporte un moteur, un système de freinage et une roue libre reliant le système de freinage et le moteur. L'organe que manipule l'opérateur est en prise directe avec l'arbre du moteur. Si l'opérateur tourne le levier dans le sens de verrouillage de la roue libre, le couple de freinage appliqué par le frein s'oppose au déplacement de l'organe. Si l'opérateur tourne le levier dans le sens de déverrouillage de la roue libre, l'organe tourne librement. En revanche, le moteur sur l'axe duquel l'organe est en prise direct peut exercer un couple sur l'organe dans les deux sens de rotation. Les méthodes de commande de cet actionneur sont similaires celles décrites ci-dessus.
Sur la figure 2, on peut voir un deuxième mode de réalisation d'un actionneur selon l'invention dans lequel l'un des systèmes de freinage et la roue libre associé sont remplacés par un système 124 apte à inverser le sens de rotation, par exemple une boîte de vitesse.
L'actionneur comporte un premier arbre 103 sur lequel est montée une roue libre 104 et un système de freinage 108, un deuxième arbre 203 forme l'arbre traversant d'un moteur 218 dont une extrémité est destinée à être connectée à un organe d'interaction avec l'opérateur (non représenté). Le système d'inversion 24 connecte le premier arbre 103 et le deuxième arbre 203.
Le système de freinage 108 freine l'arbre 103 dans un seul sens et c'est le système d'inversion qui permet à l'actionneur A2 de fonctionner de manière similaire à l'actionneur Al et de présenter les mêmes avantages. En effet, le système d'inversion est commandé de telle sorte qu'il commande le sens de freinage et grâce à la roue libre 104, le moteur 118 peut tourner dans le sens inverse.
Les méthodes de commande sont similaires celles décrites pour le premier mode de fonctionnement. Cependant au lieu de commander un deuxième système de freinage pour imposer un effort dissipatif dans le sens opposé à celui imposé par le système de freinage 108 et la roue libre 104, c'est la boîte de vitesse 124 qui est commandée pour inverser le sens de rotation transmis entre le premier arbre 103 et le deuxième arbre 203.
Dans un exemple avantageux, la boîte de vitesse possède différents rapports de transmission ainsi qu'une position neutre, ce qui permet d'augmenter la capacité de freinage du système de freinage et de découpler l'inertie de l'entrée. Ce mode de réalisation permet de supprimer l'inertie d'une seconde roue libre et d'un second système de freinage. Il permet également de découpler l'inertie de système de freinage lorsque, uniquement, le moteur est utilisé.
Afin de réaliser une interface à deux ou trois degrés de liberté, on associe deux ou trois actionneurs à un degré de liberté selon l'invention respectivement.
L'actionneur selon l'invention peut être mis en œuvre pour réaliser des interfaces haptiques à retour de force, comme par exemple les volants à retour d'effort pour les jeux vidéo ou les systèmes de conduite (steer-by-wire), les joysticks à retour de force, les boutons programmables à retour de force, les dispositifs de formation médicale, les bras manipulateur pour la télé-opération, etc..

Claims

REVENDICATIONS
1. Actionneur pour interface à retour de forces comportant un premier arbre (3) destiné à être solidaire en rotation d'un organe d'interaction de ladite interface, un moteur électrique (18) apte à mettre en rotation le premier arbre (3) dans un sens horaire et dans un sens antihoraire, un premier dispositif à roue libre (4) monté sur ledit premier arbre (3) et un premier système de freinage (8) apte à freiner la rotation dudit premier arbre (3) par l'intermédiaire du dispositif à roue libre (8), de sorte que le premier système de freinage impose une force résistante à la rotation au premier arbre dans un premier sens de rotation, ladite force étant contrôlée en intensité.
2. Actionneur selon la revendication 1, comportant un deuxième dispositif à roue libre (6) monté sur ledit premier arbre (3) en opposition par rapport au premier dispositif à roue libre (4), un deuxième système de freinage (10) apte à freiner la rotation dudit premier arbre (3) par l'intermédiaire du deuxième dispositif à roue libre (6) dans un sens opposé à celui du premier système de freinage (8).
3. Actionneur pour interface à retour de forces comportant un premier arbre (103) destiné à être solidaire en rotation d'un organe d'interaction de ladite interface, un moteur électrique (118) apte à mettre en rotation le premier arbre (103) dans un sens horaire et dans un sens antihoraire, un deuxième arbre (203) solidaire en mouvement du premier arbre (103), un premier dispositif à roue libre (104) monté sur le deuxième arbre (203) et un premier système de freinage (108) apte à freiner la rotation du deuxième arbre (203) par l'intermédiaire du dispositif à roue libre (104), et des moyens (124) connectant le deuxième arbre (203) au premier arbre (103), lesdits moyens (124) étant tels que le sens de rotation du premier (103) et du deuxième (203) arbre sont identiques ou opposés, de sorte que le premier système de freinage impose une force résistante à la rotation au premier arbre dans un premier sens de rotation, ladite force étant contrôlée en intensité.
4. Actionneur selon la revendication 3, dans lequel les moyens (124) pour sélectionner le sens dans lequel le premier arbre est freiné sont formés par une boîte de vitesse.
5. Actionneur selon la revendication 4, dans lequel la boîte de vitesse possède différents rapports de transmission.
6. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le premier (8, 108) et/ou le deuxième système (10) de freinage sont des systèmes de freinage magnéto-rhéologiques.
7. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le moteur (18, 118) est un moteur à courant continu.
8. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un capteur de position du premier arbre.
9. Actionneur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le ou les systèmes de freinage (8, 10, 10) présente(nt) une capacité de couple supérieure à celle du moteur.
10. Interface comportant au moins un actionneur (Al, A2) selon l'une des revendications 1 à 9, un organe d'interaction avec l'opérateur solidaire en rotation du premier arbre et un contrôleur (22) commandant le moteur et le ou les systèmes de freinage.
11. Interface selon la revendication 10 dans lequel l'actionneur (Al, A2) est asservi en force.
12. Interface selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le contrôleur (22) comporte des moyens pour comparer le signe de la vitesse du premier arbre et celui de la consigne.
13. Interface selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le contrôleur (22) commande l'un des systèmes de freinage (8, 10, 108) et le moteur (10, 118) pour qu'ils freinent tous deux la rotation du premier arbre.
14. Interface selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le moteur (108, 118) participe au freinage uniquement quand la vitesse mesurée est nulle ou quand un effort actif est requis.
15. Procédé de commande d'un actionneur d'une interface à retour de forces selon l'une des revendications 10 à 14, comportant les étapes :
- comparaison du signe de la vitesse de rotation du premier arbre portant l'organe d'interaction avec l'opérateur avec le signe de la force de consigne,
- envoi d'un ordre de commande au moteur et/ou à l'un des systèmes de freinage,
- application d'un effort dissipatif et/ou d'un effort actif audit premier bras.
16. Procédé de commande selon la revendication 15, dans lequel, pour une vitesse mesurée du premier arbre non nulle, l'un ou l'autre des systèmes de freinage est activé pour exercer un effort dissipatif et le moteur est activé pour fournir un effort actif.
17. Procédé de commande selon la revendication 16, dans lequel, lorsque la vitesse du premier arbre mesurée est nulle, le moteur et l'un ou l'autre des systèmes de freinage sont activés simultanément.
18. Procédé de commande selon la revendication 15, dans lequel le moteur fournit un effort dissipatif et l'un ou l'autre des systèmes de freinage sont activés lorsque le moteur atteint son régime de saturation.
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