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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. |
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.
Next Patent: METHOD FOR THE ANTICIPATORY STARTING OF A HEAT ENGINE