WO2017005995A1 - Maillon pour construire en machine de production additive des objets à déformations prévisibles et répétitives - Google Patents

Maillon pour construire en machine de production additive des objets à déformations prévisibles et répétitives Download PDF

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WO2017005995A1
WO2017005995A1 PCT/FR2016/000117 FR2016000117W WO2017005995A1 WO 2017005995 A1 WO2017005995 A1 WO 2017005995A1 FR 2016000117 W FR2016000117 W FR 2016000117W WO 2017005995 A1 WO2017005995 A1 WO 2017005995A1
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fibers
helical
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links
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Pierre Blanc
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Pierre Blanc
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F5/00—Orthopaedic methods or devices for non-surgical treatment of bones or joints; Nursing devices; Anti-rape devices
    • A61F5/01—Orthopaedic devices, e.g. splints, casts or braces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
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    • A61F5/01—Orthopaedic devices, e.g. splints, casts or braces
    • A61F5/04—Devices for stretching or reducing fractured limbs; Devices for distractions; Splints
    • A61F5/05—Devices for stretching or reducing fractured limbs; Devices for distractions; Splints for immobilising
    • A61F5/055—Cervical collars

Definitions

  • the present invention relates to a new link morphology for constructing, according to a mechanical additive process, objects that can be deformed according to a predictable and repetitive kinematics, and according to modulable dynamics at will during the deformation so that to obtain from these objects a suitable and reliable gesture.
  • Such links can be assembled into polyhedral structures whose micro-beams and mini-beams are such links, without the need to mount between the ends of the links any additional element or articulation member such as ball joints, axes, elastic blades ...
  • the links according to the invention are intended to be assembled directly together to produce objects whose body must consist of juxtaposed micro-buildings or mini-buildings, which are known to be deformable according to degrees of freedom.
  • polyhedra whose edges or “beams” or “links” are connected at their ends by axes, elastic blades or ball joints.
  • meshes are generally deformable either under the action of gravity or under the effect of mechanical stresses.
  • the links are often simple and identical, linked to each other by easily reproducible connections.
  • This kind of mesh especially when it constitutes a shell or an envelope, is difficult to deform in a programmed, repetitive manner and not resulting essentially from the overall shape of the object; the deformation of the three-dimensional mesh due to the elasticity can induce only a weak deformation, in particular in the case of isotropy and rounded forms; a deformation large enough to constitute a useful gesture would require an action on a constellation of links.
  • Robotic or automated systems are often used in complex installations, for example in the fields of heavy mechanics, chemistry or nuclear power, in order to carry out maintenance and control operations, which often involve gestures.
  • complexes for capturing or conveying observation instruments, tools or mechanical or measuring components.
  • this robot requires multi-limb arms with a large number of actuators, sensors and mechanical joints to achieve the kinematics of the gesture. .
  • the object of the invention is, above all, to create a family of products capable of a "gesture”, that is to say a predictable and repetitive movement, at moderate cost thanks to the morphological simplicity of the innovative links, which makes the production miniaturizable, thanks to their functional integration, as well as the possibility of building the objects by "additional” machine: numerically controlled machine such as 3D printer.
  • the knuckle connection and knot connection solution according to the invention has an advantage of stress dilution and fatigue resistance for the constructed object.
  • the morphology of a link FIG1 is formed of a central segment and, at each end, by a connecting segment with the contiguous links,
  • the central segment is long with respect to the connecting segments, and it consists mainly of tubular shaped fibers.
  • the link segments at the ends of the link consist of the same fibers organized according to geometries capable of performing functions of patella and tying.
  • Each link segment is formed successively of a patella zone and then of a knot zone
  • the link is advantageously made from short fibers.
  • the fibers used are of length that may vary from a few centimeters to a fraction of a millimeter.
  • the nature of the fiber is chosen according to the desired flexibility and strength, among the metallic threads, the vegetable and / or synthetic yarns; the fibers may be "single-stranded” or “multi-stranded” (embedded and extruded and / or previously torqued) according to known techniques in spinning or extrusion.
  • each fiber is shaped helical curve (from the extrusion stage if necessary), then the helical fibers are assembled to several, preferably in the game of at least 3.
  • the central segment consists of a "main game” of n intermeshing helical fibers, n being advantageously greater than or equal to 3, wrapped in a "secondary set” of interleaved helical fibers, wound in half. opposite direction of the heliçage of the secondary game, which is barely larger diameter to ensure a prestressing contact pressure on the "main game", all forming, along the length of the "central segment", a cylindrical tube prestressing , rigid as well in flexion as in traction as well as in compression because p is greater than n. ;
  • the central segment consists of two "main sets" of interleaved helical fibers, integral with a cylindrical tube: and a main game dissociated along the length in two short parts: one part for each end of the link.
  • the two embodiments described above are preferably chosen to produce a longitudinally rigid body link.
  • the central segment consists of a single "main game” of n helical fibers contained in a cylindrical guide tube; the outer diameter of the turns is smaller than the inside diameter of the tube to allow the diameter variation of this main game "driven by axial compression of the link; in order not to degrade the guiding of the "main game” of helical fibers by the mechanical clearance between the rigid guide tube and the turns, it is possible to insert two "auxiliary sets” of short-range helical fibers (coils of the same direction, but short, interposed in spacing between the first turns of the "main game” encountered from each end of the guide tube.
  • These two assemblies constitute two cylindrical slides: one in each end of the central cylindrical segment of a link, this embodiment is preferably chosen to make a link elastically longitudinally.
  • the cylindrical rigid tube is internally threaded (or inner-outer cheerfulness) from each end to almost half-tube, but in the opposite direction of the helix, the tube being integral with two sets of nails.
  • the length of a standard link can be adapted to the moment of its addition in the structure of the object in production.
  • the link ends with a link zone around a core; this connecting zone is advantageously constituted by zone a corolla; the corollas are the last turns of each of the helical fibers forming the one or two "main games" of the central segment.
  • These turns strangle at the outlet of the central segment to form, possibly tightened on a resilient sleeve, a short flexible connecting segment (ball-type connection), then deviate to form a spheroidal bell that enters the knot area for a connection with the corollas of adjacent links having the same polyhedral apex.
  • the knots are made with support on spheroidal cores.
  • the corollas rest on the outer surface of a core.
  • Temporary The corollas of a link can be of two different geometrical natures according to their placement in the sequence of knots affecting a nucleus:
  • the "docking corollas" are intended to receive a new nucleus (placed after several links converging in its place); these corollas are of open form, that is, the shape of the surface-envelope of such a corolla is hypo-hemispherical.
  • the "clipping corollas” are designed to complete and stabilize the spheroidal knotting by relying on an already placed core; such a corolla are of more closed form, that is to say that the shape of the surface-envelope of such a corolla is hyper-hemispherical.
  • the core is hollow and armed with a few crossed arches on its inner face. This core is crossed by ducts of helico-conical shape, so that the fibers of some corollas can be insinuated.
  • All the fibers of the corollas are short, and the diameter corresponding to the end turn of these fibers, determined by the support on the inner face of the core and its hoops, is smaller than the diameter of the central segment of the link.
  • the links are knotted to obtain adjacent polyhedral micro-cavities in easily deformable volumes thanks to a type of organization of their edges and their articulations.
  • this organization masters the degrees of freedom of deformation in the polyhedral texture of the constructed object; it is therefore this type of microstructural organization spaced, pseudo-solid and anisotropic that allows the object to be deformed according to a predetermined gesture.
  • These micro-articulated buildings will be designated later by "EDA”.
  • the assembly of the links is carried out according to the following iterative sequences:
  • the spheroidal knotting cores on which the corollas are intertwined are positioned; for starting the manufacture of an object, on a selected surface area, the first cores are arranged in a temporary flexible rack, specially shaped according to this area of the object.
  • the articulated micro-buildings thus obtained have degrees of freedom of deformation that defines each type of building and coupling between adjacent buildings.
  • temporary knotting cores made of fusible or soluble material can be used which can be removed at the end of the knots.
  • the articulated micro-buildings are assembled to produce a deformable structure; the textures obtained have a high degree of deformability thanks to the technique of "knuckled knuckle" connections and the low pairs of resistance to angular variations between links of the constructed polyhedral network.
  • the overall texture that we generally seek to obtain is anisotropic (unlike a structure of a so-called monocrystalline material), traversed by veinings or homogeneous layers as to the degree of freedom of deformation of their micro-articulated buildings, so that that the object, mechanically stressed at one end or mechanically deformed in a partial area (for example when rolling the object on a track), deforms according to an overall gesture in a repetitive and predictable manner.
  • the object can be monobloc, even to obtain a complex programmed gesture, combining flexions and torsions of differentiated amplitude according to the position considered in the object.
  • the deformation corresponding to the programmed gesture can be conceived being little dependent on the general surface shape of the object.
  • the deformations of the overall texture can be programmed by variations of several natures among the characteristics of articulated micro-buildings and among the coupling configurations (face to face, elbow, branching in two branches, coupling of n channels, etc.) in the construction of the polyhedral texture.
  • the anisotropy is organized to obtain most often along all the axes of the three-dimensional texture, continuous variations at the same time:
  • the main bodies of the links are longer than the diameters of the gripping zones, including ball joints, for example more than 5 times; the areas hooking may have a diameter greater than the diameter of the main bodies of the links, for example more than 20% diameter overhang.
  • Some articulated micro-buildings obtained according to the invention have the property of transmitting the necessary deformation energy to the "programmed gesture" within the polyhedral texture, and the mechanical action that is expected.
  • These articulated micro-buildings that transmit energy from a deformable surface to one or two others are referred to as "MEDA-D”.
  • a cladding or a filling consisting of elastic articulated micro-buildings of compatible geometry (tetrahedrons, elastic rhombs or extended degrees of freedom) to obtain the robustness of the organ built and the tone in its functional deformations.
  • These articulated micro-buildings are at the same time generators of tone by prestressing, and resistant to the efforts which would hinder the deformation directed by the MEDA-D; these articulated micro-buildings that do not transmit energy but are reactive are referred to as "MEDA-R".
  • periodic misalignment factors can be integrated into the parameters of the production sequences of the texture, where the geometric anisotropy would leave a vein or a sheet of fragility and / or roughness.
  • polyhedral sheets can be waved for:
  • the object to be designed is a companion shell of a limb
  • the limb and its hull-wrapped joints are part of the assembly to be represented, and are therefore integrated into the initial global geometric model.
  • CDG gesture direction curves
  • the texturing parameters are defined, and we obtain a real material programming gesture in the mass of the object.
  • This step may be necessary for the design of the object to take into account extramechanical phenomena (electrical, thermal, electromagnetic, ).
  • the assembly of the links can be made most often without including any parts or additional hinge member such as ball joints or elastic slats, or axes between the ends of the links, the automation of micro-meshes is facilitated.
  • the heads distributing cores and links can be conveyed by numerically controlled machines, or even 3D printers.
  • Fig. 1 represents an example of a link according to the invention with a single set of helical fibers and a rigid sheath
  • Fig. 2 represents an example of a link according to the invention with two sets of helical fibers, whose helicoidings are in opposite directions; the. Figure 2 shows only one of the helical fibers of each set.
  • Fig. 3 represents a temporary nucleus with compression arches.
  • Fig. 4 represents an articulated micro-building (MEDA) whose polyhedral type is the rhombohedron, with zero degrees of freedom.
  • MEDA articulated micro-building
  • Fig. 5 represents an articulated micro-building (MEDA) with a degree of freedom with frontal energy transmission.
  • Fig. 6 shows an articulated micro-building (MEDA) with a degree of freedom with lateral energy transmission.
  • FIG. 7 and FIG. 8 illustrate the two approaches for determining the directional deformation and the frontal energy transmission.
  • Fig.9 and Fig. 10 illustrate the design of a deformable arm.
  • Fig. 1 1 represents the pairing of two antisymmetric MEDAs for a junction forming a shell.
  • Fig 12 and Fig 13 schematize the deformation of the junction forming a shell.
  • Fig. 14 represents an exemplary embodiment of a hull for a neck brace.
  • a link 1 consisting of a central segment 2 and two connecting areas 3 and 4 at each end.
  • the central segment consists of a rigid tube 5 traversed by a set of fibers 6; at the outlet of the tube 5, the turns become narrower and smaller in diameter in the zones 3a and 4a and then deviate to form the corollas 3b and 4b allowing the knotting on a temporary core 7.
  • the corolla 3b is a docking corolla intended to receive a new kernel; it offers a wide opening because it is hypo-hemispherical; the corolla 4b is a clip corolla coming to lock a knot on a core; it is more closed because it is hyper-hemispherical.
  • FIG. 2 represents a link according to the invention, of which the tube 5 is crossed by two bundles of fibers 6.1 and 6.2 whose helicoidings are in opposite directions.
  • Figure 3 shows a variant of tying zone with reinforced compression by elastic arches under the spheroidal knotting. This may be useful for certain applications where the part produced is subjected to intense tensile or compressive stresses and / or prolonged high frequency vibrations.
  • the interleaving tie between corollas can be reinforced by crimping, gluing, soldering or welding between helicoidal fiber end sectors
  • This elastic arch in its initial form: folded within a temporary core, is marked 8.1; it is initially in the form of a loop folded in the diameter 01 because it is tied up in the provisional brace 9; in this initial configuration, only the duct festoon guides 10 emerge from the temporary core.
  • a set of 3 participates in the sparse structure which remains flexible, and establishes, after removal of the core, an additional prestressing internal contention spheroidal knotting between the most stressed links, for example in the surface area of the object made.
  • EMA 4 represents an articulated micro-building (MEDA) whose polyhedron is a cube (or, which is equivalent because of the joints in ball joints, a rhombohedron); it is partially triangulated by bi-vertex or facial diagonals (17-15, 1-17 and 14-18) and a diagonal tri-vertex or pivot (1 -18).
  • EMA articulated micro-building
  • the MEDA presented has 0 degree of freedom: it is a solid structure, which can contribute to building gesture materials, provided that more than 2 edges or diagonals are elastic. This type of MEDA will enter into the constitution of inter-fiber packing with "tonus”. It also makes it possible to generate a family of interesting variants of this MEDA. Indeed, several of these variants may have one or two degrees of freedom isolated (family comprising MEDA-D and MEDA-R). For this purpose it is sufficient to subtract one or two carefully selected diagonals in the rhombohedron. For example, the deletion of the link joining the vertices 1 1 and 17 will give the structure a degree of freedom.
  • FIGs 5 and 6 represent two MEDAs with an “isolated” degree of freedom, hence of the MEDA-Directors family; it will be placed at the entrance of "gesture curve"
  • the deformation of the MEDA can be seen as a consequence of a simple relative movement between these two solids because they are linked in rotation around the axis 1 1-18 which is their common edge.
  • the "gesture direction curve" passes through the barycenter of the entrance quadrilateral and the center of gravity of the exit quadrilateral.
  • FIG. 9 illustrates a design of a deformable cylindrical arm (large scale, to make visible the solution).
  • the solution is a unique gesture curve with two families of MEDA:
  • the arm is required to bend at each point (in length) along a bending axis and a torsion axis simultaneously, giving the final end of the arm a direction chosen for example for a control instrument or for a retractable mounting support.
  • the forces exerted on the arm are:
  • the actuator could be a cylinder between two opposite peaks of this face, for example an extension force between 24 and 32.
  • CDG gesture direction curve
  • the MEDAs are chosen, in the case presented, of the same size, in order to evenly distribute the deformation along the arm.
  • the reference posture is that of Figure 9; CDG is here a horizontal line.
  • the limiting posture is that of Figure 10.
  • the CDG is a helical fiber arc.
  • an instantaneous rotation angle is defined around this CDG for the twist of a MEDA, and an instantaneous bending angle is defined proportionally to the previous angle of rotation, about an axis perpendicular to the CDG; it remains to define the direction of this axis in the plane perpendicular to the CDG.
  • rhombohedrons of degree of freedom 3 at least if the edges are rigid, 2 or 1 if edges are elastic to confer "tone of resistance "to the texture.
  • Hexahedra may be included in these layers, particularly to allow the application of rhomboidal MEDAs size gradients, as each progresses to the periphery of the limb.
  • a size of the MEDA-R gradually decreasing towards the surface of the object can give it a surface that is not very vulnerable and capable of presenting lines of quadrilateres of mechanical stress or energy restitution.
  • the following example describes a hull (monocoque) that can take a left shape made of MEDA material. This hull is innervée by a network of interconnected CDGM lattice with one or networks of CDGA.
  • the example shows that it is possible to mechanically control a deformation of the assembly (thus obtaining a desired movement of the shell) by using, to make each junction between a CDGM and a CDGA, the type of articulated building described below. .
  • the example describes a shell where the MEDAs of the CDGMs and those of
  • CDGA belong to the same polyhedral family. This case is common because it allows deformations of very different types depending on whether CDGMs on the one hand, CDGAs on the other hand.
  • Figure 11 represents a junction to form a shell. The junction is constituted by the pairing of two antisymmetric MEDAs 40 and 41 which are of the same family (same model as that of the CGM they connect). The coupling between these twins is made by a common face spotted by its vertices 42-43-44-45, having a degree of freedom.
  • the homogeneity of the MEDAs in the CDGM means that this type of connection does not create a point of discontinuity of the characteristics on the CDGM.
  • junction to constitute the shell by the twins presented coordinates the deformations and motricities of the four branches of lattice that we see in Fig.12 and in Fig.13, even if we change the variant of MEDA when we go from CDGM in CDGA.
  • FIG. 14 is an example of an application that derives directly from the invention: an orthopedic brace ensures the shedding of the seven cervical vertebrae for the weight of the head without having the rigidity of the conventional bridges of the current trade, with respect to tilts of the head or its rotation.
  • This orthopedic brace in MEDA material is obtained from a basic model that allows all three degrees of freedom. It is adapted according to the objective sought by clamping it by one or three inserts which determine the expected guidance.
  • the hull which closely molds the neck and the lower part of the skull (excluding the mobile jaw), is built largely on a lattice that crosses in a very anisotropic way a CDGM network with one or more CDGA networks.
  • the resulting lattice is subdivided by boundaries where the MEDA variant changes for a new selection of degrees of freedom so that the hull area covered takes into account the very selective distribution of the three degrees of freedom of movement of the head among the seven vertebrae cervical, to faithfully accompany and guide the neck.
  • Industrial applications of this type of component "link” incorporating many mechanical features to build a deformable object faithfully kinematic geometry are many and varied; There are two areas where it could be used with advantages:

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Abstract

L'invention a pour but de créer un nouveau maillon élémentaire de construction d'objets capables d'un « geste», c'est-à-dire d'un mouvement prévisible et répétitif, grâce à sa structure polyédrique anisotrope articulée à l'échelle de ses maillons et de ses mini-maillons La -structure fine de l'objet est réalisée à partir de maillons de taille très variable (mini-maillons et micro-maillons), chaque maillon étant formé d'un segment central prolongé en chaque extrémité par un segment de liaison, qui assure d'une part une fonction de rotule, et d'autre part une fonction de nouage avec les extrémités des maillons adjacents Les maillons sont assemblés pour réaliser des structures anisotropes articulées à petites échelles variables pour passer progressivement de mini-édifices articulés à des micro_édifices articulés, le tout imbriqué pour obtenir une structure globale de l'objet qui se déforme selon un mouvement programmé répétitif géométriquement, et modulable dans son déroulement dynamiqur.

Description

MAILLON POUR CONSTRUIRE EN MACHINE DE PRODUCTION ADDITIVE DES OBJETS A DEFORMATIONS PREVISIBLES ET REPETITIVES
La présente invention se rapporte à une nouvelle morphologie de maillon pour construire, selon un process additif mécanique, des objets qui peuvent se déformer selon une cinématique prévisible et répétitive, et selon des dynamiques modulables à volonté au cours de la déformation pour qu'on puisse obtenir, de la part de ces objets un geste adapté et fiable.
On peut assembler de tels maillons en structures polyédriques dont les micro-poutres et les mini-poutres sont de tels maillons, sans avoir besoin de monter, entre les extrémités des maillons, aucune pièce ni organe additionnel d'articulation tel que des rotules, des axes, des lames élastiques...
Les maillons selon l'invention sont destinés à être assemblés directement entre eux pour réaliser des objets dont le corps doit être constitué de micro-édifices ou de mini-édifices polyédriques juxtaposés, que l'on connaît pour être déformables eh fonction des degrés dé liberté des polyèdres dont les arêtes ou « poutres » ou «maillons » sont liés en leurs extrémités par des axes, des lames élastiques ou des rotules.
Grâce à une telle structure, on peut en effet obtenir de façon fiable un geste programmé complexe et répétitif de la part d'un objet qui peut avoir la forme d'une coque, d'un solide monobloc, ou d'un ensemble plus complexe, sans articulation mécanique, sans actionneur interne, et sans automatisme compliqué.
On sait que les maillagës sont généralement déformables soit sous l'action de là 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'isotropié 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 en rotule, bielle, engrenage... Lorsque les sous- ensembles mécaniques concourant à un mouvement sont composés de multiples pièces, actionneurs et articulations mécaniques, avec capteurs et système de synchronisation, 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 la rupture ; ces endommagements, même réparés, peuvent altérer la précision et la répétitivité des mouvements.
On fait souvent appel à la robotique ou à des automates 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. Dans le cas de l'utilisation d'un robot standard, pour 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.
Les automatismes industriels ont des coûts de réalisation souvent importants, et ils ont, comme les robots industriels des coûts de maintenance très importants. 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 fréquence des changements des technologies électroniques et des logiciels du marché amplifie ces coûts.
Pour des domaines où en outre on a besoin de dispositifs à déformation prévisible et répétitive de faible poids, on trouve des solutions utilisant des « matériaux composites intelligents » qui sont compacts avec des actionneurs noyés en leur sein, ou des matériaux de structure polyédrique articuléé qui est espacée comme les structures que l'on est capable de construire selon la présente invention. Parmi les brevets trouvés pertinents pour les solutions polyédriques de structure espacée : on ne trouve que:
- Soit des structures « 3D surfaciques »(couche mince pour forme tridimensionnelle) : Références : FR 2 081 777A1-et US 6 345 482 B1 (US),
Soit des solutions d'interconnection entre membres internodaux utilisant des rotules à noyau ou des pièces de liaison en complément, et de morphologie bien différente de celle : des terminaisons des maillons selon la présente invention ; références : US 2001 000717 A1 , US 2015/167288 A1 (GB), US
2014 037873 A1 , US 2006/160446 A1 , US 2014/348572 A1 .
Dans les domaines de la biomécanique tels que, les orthèses (gaines déformables),et les articles de sport pour pieds ou articulations,, 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 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 accompagnant précisément le geste naturel ou restreint d'un organe vivant et en respectant les contraintes de convalescence ou d'extrême limite en entraînement sportif.
L'invention a pour but, surtout, de créer une famille de produits capables d'un « geste », c'est-à-dire un mouvement prévisible et répétitif, à coût modéré grâce à la simplicité morphologique des maillons innovants, ce qui rend la fabrication miniaturisable, grâce à leur intégration fonctionnelle, ainsi qu'à la possibilité de construire les objets par machine « additionnelle » : machine à commande numérique telle qu'imprimante 3D.
En démultipliant les points de contact glissant dans la structure construite, la solution de liaison rotule et de nouage entre maillons selon l'invention, présente un avantage de dilution des contraintes et de résistance à la fatigue pour l'objet construit
Selon l'invention, la morphologie d'un maillon FIG1 est formée d'un segment central et, en chaque extrémité, par un segment de liaison avec les maillons contigus,
Le segment central est long par rapport aux segments de liaison, et il est constitué principalement de fibres organisées en forme tubulaire
,Les segments de liaison en extrémités de maillon, sont constitués des mêmes fibres organisées selon des géométries capables de remplir des fonctions de rotule et de nouage.
Chaque segment de liaison est formé successivement d'une zone rotule puis d'une zone nouage
Le maillon est avantageusement réalisé à partir de fibres courtes. Les fibres utilisées sont de 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 connues en filature ou en extrusion. Avantageusement, chaque fibre est mise en forme de courbe hélicoïdale (dès le stade de l'extrusion le cas échéant), puis les fibres hélicoïdales sont assemblées à plusieurs, préférablement en jeu de 3 au minimum.
Selon un premier mode de réalisation, le segment central est constitué d'un « jeu principal » de n fibres hélicoïdales imbriquées, n étant avantageusement supérieur ou égal à 3, enveloppé d'un « jeu secondaire » de p fibres hélicoïdales imbriquées , enroulées en sens inverse de l'héliçage du jeu secondaire, lequel est de diamètre à peine supérieur pour assurer une pression de contact de précontrainte sur le « jeu principal », le tout formant, sur la longueur du « segment central », un tube cylindrique en précontrainte, rigide aussi bien en flexion qu'en traction de même qu' en compression car p est supérieur à n. ;
Selon un deuxième mode de réalisation, le segment central est constitué de deux « jeux principaux » de fibres hélicoïdales imbriquées, solidaires d'un tube cylindrique : et d'un jeu principal dissocié sur la longueur en 2 parties courtes : une partie pour chaque extrémité du maillon. Le tube est fileté préférablement extérieurement, ou intérieurement, en portée égale au moins à un diamètre du segment central (filetage ou galetage à trois filets pour n=3).
Les deux modes de réalisations décrits ci-dessus sont choisis préférablement pour réaliser un maillon de corps rigide longitudinalement.
Selon un troisième mode de réalisation, le segment central est constitué d'un seul « jeu principal » de n fibres hélicoïdales contenu dans un tube-guide cylindrique; le diamètre extérieur des spires est inférieur au diamètre intérieur du tube pour permettre la variation de diamètre de ce jeu principal » entraînée par une compression axiale du maillon ; pour ne pas dégrader le guidage du « jeu principal» de fibres hélicoïdales par le jeu mécanique_entre Je tube guide rigide et les spires, on peut intercaler deux « jeux auxiliaires » de fibres hélicoïdales 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 tube_guide. Ces deux montages constituent deux glissières cylindriques : une dans chaque extrémité du segment central cylindrique de maillon ; ce mode de réalisation est choisi préférablement pour réaliser un maillon élastique longitudinalement.
Selon un quatrième mode de réalisation, le tube rigide cylindrique est fileté intérieurement (ou gaieté intérieur-extérieur) depuis chaque extrémité jusqu'à mi-tube ou presque, mais en sens d'héliçage contraires, le tube faisant corps avec deux jeux de n fibres hélicées en sens contraire : un jeu pour vissage à chaque moitié du tube, selon une portée maximale inférieure au demi-tube ; si n=3, le tube rigide est à filets triple. Selon ce mode de réalisation, la longueur d'un maillon standard peut être adapté au moment de son addition dans la structure de l'objet en fabrication.
Ces modes de réalisation du segment central sont donnés à titre d'exemple et ne sauraient être limitatifs.
A chacune de ses deux extrémités, du maillon se termine par une zone de liaison autour d'un noyau ; cette zone de liaison est constituée avantageusement par zone une corolle ; les corolles sont les dernières spires de chacune des fibre hélicoïdales formant le ou les deux « jeux principaux » du segment central. Ces spires s'étranglent en sortie du segment central 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 maillons 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. temporaire Les corolles d'un maillon peuvent être de deux natures géométriques différentes selon leur placement dans la séquence des nouages touchant à un noyau :
- Les « corolles d'accostage » sont destinées à recevoir un nouveau noyau (placé après plusieurs maillons convergeant à sa place) ; ces corolles sont de forme ouverte, c'est-à-dire que la forme de la surface-enveloppe d'une telle corolle est hypo-hémisphérique.
- Les « corolles de clipsage » sont conçues pour compléter et stabiliser le nouage sphéroïdal en s'appuyant sur un noyau déjà placé; une telle corolle sont de forme davantage fermée, c'est à-dire que la forme de la surface- enveloppe d'une telle corolle est hyper-hémisphérique.
En variante, notamment pour certaines applications se traduisant par une forte traction entre certaines maillons, des arceaux élastiques de contention interne sont inclus au sein de la zone de nouage, permettant une liaison renforcée des corolles entre elles. De plus, les spires en extrémité des corolles peuvent être solidarisées par fixation au moyen par exemple de sertissage, de soudure, de brasage ou de collage. 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 hélico-conique, afin que les fibres de certaines corolles puissent s'y insinuer.
Toutes les fibres des corolles sont courtes, et le diamètre correspondant à la spire extrémité de ces fibres, déterminé par l'appui sur la face intérieure du noyau et de ses arceaux, est inférieur au diamètre du segment central du maillon.
Selon l'invention, les maillons sont noués pour obtenir des microédifices polyédriques adjacents en volumes aisément déformables grâce à un type d'organisation de leurs arêtes et de leurs articulations. En effet, cette organisation maîtrise les degrés de liberté de déformation dans la texture polyédrique de l'objet construit; c'est donc ce type d'organisation microstructurale espacée, pseudo-solide et anisotrope qui permet à l'objet réalisé de se déformer selon un geste prédéterminé. Ces micro-édifices articulés seront désignés par la suite par « EDA ». L'assemblage des maillons 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 maillons, 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 maillons 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 maillons : 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 maillons 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 maillons, 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 M EDA et variante (en continuité avec le type, par différences de une à trois diagonales) ;
2. Longueurs des maillons 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 maillons (facultatif car sur une CDGM, les maillons 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 des degrés d'élasticité dans la texturation des éléments situés dans l'objet à réaliser.
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 (maillons 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 (maillons 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.
L'assemblage des maillons pouvant s'effectuer le plus souvent sans inclure aucune sans pièce ni organe additionnel d'articulation tel que des rotules à noyau ou à lames élastiques, ou des axes entre les extrémités des maillons, l'automatisation de micro-maillages est facilitée.
Les têtes distributrices de noyaux et de maillons peuvent être véhiculées par des machines à commande numérique, voire des imprimantes 3D.
Le découpage de la géométrie de l'objet en domaines de continuité de configuration des polyèdres élémentaires, qui permet l'utilisation de logiciels de CAO, devrait aussi faciliter l'utilisation de modules de CFAO pour élaborer les commandes de ces Machines CN (à « Commande Numérique »).
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 maillon selon l'invention avec un seul jeu de fibres hélicoïdales et une gaine rigide
Fig. 2 représente un exemple de maillon selon l'invention avec deux jeux de fibres hélicoïdales, dont les héliçages sont de sens contraires ; la. Figure 2 présente une seule des fibres hélicoïdales de chaque jeu. Fig. 3 représente un noyau temporaire avec des arceaux de contention.
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. 1 1 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 un maillon 1 selon l'invention, constitué d'un segment central 2 et de deux zones de liaison 3 et 4 à chaque extrémité. Le segment central est constitué d'un tube rigide 5 traversé par un jeu de fibres 6; à la sortie du tube 5, les spires se resserrent et diminuent en diamètre dans les zones 3a et 4a puis s'écartent pour former les corolles 3b et 4b permettant le nouage sur un noyau temporaire 7. La corolle 3b est une corolle d'accostage destinée à recevoir un nouveau noyau ; elle offre une large ouverture car elle est hypo-hémisphérique ; la corolle 4b est une corolle de clipsage venant verrouiller un nouage sur un noyau ; elle est davantage fermée car elle est hyper- hémisphérique. La Fig.2 représente un maillon selon l'invention, dont le tube 5 est traversé par deux faisceaux de fibres 6.1 et 6.2 dont les héliçages sont en sens inverses. La Figure 3 montre une variante de zone de nouage à contention renforcée par arceaux élastiques sous le nouage sphéroïdal. Cela peut être utile pour certaines applications où la pièce réalisée est soumise à des efforts de traction ou de compression intenses et/ou à des vibrations de haute fréquence prolongées.
Dans de tels cas, on peut utiliser des arceaux de contention noyés dans certains noyaux temporaires, les arceaux comportant des festons-guides de nouage qui émergent de ce noyau, et dans lesquelles viennent se glisser une ou des fibres de certaines corolles.
La liaison de nouage par entrelaçage entre corolles peut être renforcée par sertissage, collage, brasage ou soudage entre secteurs d'extrémité de fibres hélicoïdales
. En général, on se limite à 3 arceaux élastiques d'axes en trièdre; sur la figure il n'est représenté qu'un seul arceau élastique et en géométrie partiellement expansée pour exercer une contention vers les corolles qui l'entourent.
Cet arceau élastique, dans sa forme initiale: pliée au sein d'un noyau temporaire, est repéré 8.1 ; il est initialement en forme de boucle pliée dans le diamètre 01 car il est ligoté dans le corset provisoire 9 ; dans cette configuration initiale, seuls les festons-guides de nouage de canalisation 10 émergent du noyau temporaire.
Lorsque l'entrelacs de nouage des corolles autour du noyau est terminé, le noyau et le corset sont dissous ou fondus, et la boucle élastique se déplie pour devenir l'arceau élastique 8.2, après expansion selon sa forme finale en appui dans la sphère 7 constituée de l'entrelacs de corolles.
Un jeu de 3 participe à la structure clairsemée qui reste donc souple, et établit, après élimination du noyau, une précontrainte supplémentaire de contention interne du nouage sphéroïdal entre les maillons les plus sollicités, par exemple en zone de surface de l'objet réalisé.
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, 1 1-17 et 14-18) et une diagonale tri-sommets ou pivot (1 -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 12 noyaux par maillon, soit au moins 5 spires de contact par maillon :
- 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 du maillon joignant les sommets 1 1 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- 3-14.
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 » : 1 1 -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 1 1 -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 1 ère 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 : 1 1 -14-15-18,
- le tétraèdre : 1 1-12-17-18,
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 1 1-18 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 1 1 -17-18 du premier solide, et la face 1 1 -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 1 1 et base 15-16-17-18,
- la pyramide de Sortie de sommet 18 et de base 1 1 -12-13-14.
Ces pyramides ont une seule arête commune : 1 1 - 8. 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'fibre hélicoïdale.
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.
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 1 1 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 1 1 , 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 adaptée en fonction de l'objectif recherché en la bridant par un 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 composant « maillon » intégrant de nombreuses fonctionnalités mécaniques pour construire un objet déformable fidèlement à une géométrie cinématique sont nombreuses et variées ; on peut citer deux domaines où il pourrait être utilisé avec avantages :
- En robotique et en automatisme, pour réaliser des gestes complexes répétitifs
- En biomécanique, pour réaliser des prothèses et surtout des orthèses accompagnant bien une articulation ou une série de vertèbres, selon les amplitudes de mouvement tolérables, 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

REVENDICATIONS
Maillon (1) permettant, en s'imbriquant avec d'autres, de réaliser des objets légers déformables selon une cinématique prévisible et répétitive, et selon une dynamique modulable en temps réel au cours de la déformation, constitué d'un segment central longiligne (2) prolongé à ses deux extrémités par de courts segments de liaison (3) et (4) venant lier le maillon (1) aux extrémités des maillons adjacents pour réaliser des mini-édifices et des micro-édifices articulés constituant l'objet
Maillon (1) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que son segment central est cylindrique
Maillon (1) suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement, d'une extrémité à l'autre, au moins un jeu de n fibres, n étant supérieur ou égal à trois, chaque fibre (6) étant mono-brin ou multi-brins toronnés ou tressés, puis mise en forme de courbe hélicoïdale, les courbes hélicoïdales ayant un rayon constant et une répartition angulaire régulière autour de l'axe du segment central
(2) et ayant un rayon et un axe variable au niveau de chaque segments de liaison.
Maillon (1) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que chacun de ses segments de liaison
(3) et
(4), est formé successivement d'une zone (3a) ou (4a) où le ou les jeux de fibres hélicoïdales assurent une fonction de rotule, puis d'une zone (3b) ou (4b) où le jeu de fibres hélicoïdales principal assure une fonction de nouage avec les maillons adjacents dans la structure globale de l'objet .
Maillon (1) suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le segment central (2) du maillon (1) comporte un tube-guide cylindrique
(5) organisant un positionnement co-axial et angulaire des fibres hélicoïdales de chaque jeu le long de ce tube-guide, de sorte que les fibres hélicoïdales de chaque jeu soient réparties autour de l'axe du segment central (2) selon des décalages angulaires réguliers : décalages de 120 degrés dans le cas où le jeu comprend 3 fibres hélicoïdales.
6. Maillon suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le segment central FIG1 (2) du maillon (1 ) est constitué d'un « jeu principal » FIG2 (6.1 ) de n fibres hélicoïdales et d'un « jeu secondaire » FIG2 (6.2) de p fibres hélicoïdales enroulées et fixées en précontrainte sur le « jeu principal » selon un héliçage en sens inverse de celui des fibres du « jeu principal », la fixation entre les deux jeux organisant un positionnement angulaire régulier entre les fibres de chaque jeu.
7. Maillon suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le jeu principal de fibres hélicoïdales se compose de deux parties dissociées sur la longueur, ces parties ayant respectivement des héliçages en sens inverses. Ces parties de jeu principal sont solidarisées par l'intermédiaire du tube guide (5) qui est fileté intérieurement ou extérieurement, ou gaieté, en filets de vis multiples (trois filets si le jeu de fibres est de n=3 fibres), par moitiés de longueur du tube guide, pour permettre le vissage-dévissage de chaque partie du jeu de fibres , depuis chacune des extrémités du tube rigide (5) selon les nombres de spires choisis pour adapter la longueur initialement standard d'un maillon (1 ) juste avant son assemblage dans la structure fine de l'objet.
8. Maillon (1 ) suivant les revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de nouage (3b ou 4b) des segments de liaison (3 ou 4) est constituée par une « corolle » hélico-sphéroïdale (3b ou 4b) formée par les dernières spires des fibres hélicoïdales aux extrémités du jeu principal, ces spires devant s'entrelacer avec les spires des corolles des maillons adjacents en dans la même zone de nouage.
9. Maillon (1 ) suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les spires des fibres hélicoïdales présentent, au niveau des zones (3a ou 4a) un étranglement pour constituer un court segment de liaison flexible de fonction rotule entre le segment central (5) et la zone en forme de corolle (3b ou 4b),
10. Maillon (1 ) suivant les revendications 8 et 9 caractérisé en ce que des arceaux élastiques sont noyées dans le noyau temporaire FIG 3 (7), le déploiement de ces arceaux de la forme (8.1 ) à la forme (8.2) lors de l'élimination du noyau permettant un renforcement par contention interne du nouage en entrelacs sphérique des corolles .
11. Maillon (1) les revendications 8 et 10 caractérisé en ce que leur forme comporte des festons-guides (10) qui émergent du noyau temporaire (7) pour guider le nouage d'une partie des fibres des corolles, et pour brocher d'éventuels renforts circulaires en périphérie de l'entrelacs sphérique des corolles.
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