LÈVE-PERSONNE Dossier de solutions

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1 TN2 LÈVE-PERSONNE Dossier de solutions Boillet Antoine

2 TN2 SOMMAIRE. Sujet Le projet dans notre formation.... Processus du Projet... I. Fonction de Principe 2 & 22 : Lever et baisser la personne... I. Fonction de Principe & 24: éviter les obstacles et déplacer la personne...9 II. Fonction de Principe 2 : Accrocher la personne sur le lève-personne...2 I. Systèmes retenus...7 I. Notice explicative...20 II. Conclusions

3 TN2 Introduction. Sujet Le but de ce dossier est de déterminer les solutions techniques qui répondront le mieux à notre sujet. Celui-ci consiste à réaliser un lève-personne pour personnes à mobilité réduite. Un lèvepersonne permet de soulever et déplacer d un lieu à un autre une personne qui n en a pas les moyens. Son rôle sera d aider la personne ainsi que l aidant qui l accompagne dans tous ses déplacements. Pour cela, il devra être polyvalent (adaptable dans différents milieux) et facilement transportable en voiture. De plus, en cas de panne des batteries, l utilisateur devra avoir la possibilité de lever la personne en mode manuel. Enfin, si la personne à mobilité réduite en possède les capacités, elle devra pouvoir accéder aux commandes lui permettant de se déplacer. Le lèvepersonne devra également respecter les différentes normes correspondant aux appareillages médicaux. 2. Le projet dans notre formation La conception de ce lève-personne entre dans le cadre de notre formation d ingénieur à l UTC, il correspond à l unité de valeur TN2. Celle-ci a pour but d améliorer nos connaissances dans le suivi d un projet, l élaboration d un cahier des charges, le choix des solutions techniques les plus adaptées ainsi que la réalisation D de notre projet. Elle permet également de nous enseigner le rôle du travail en équipe afin de mener à bien un projet. Intéressé par filière Conception Mécanique Intégrée, ce projet est le moyen pour Antoine d apprendre la démarche projet et les clefs de la conception d un produit.. Processus du Projet Le dossier de solutions est l une des premières étapes d un projet, il intervient après l élaboration du cahier des charges et la détermination des fonctions de principe et de contrainte. Pour l élaborer nous avons procédé comme suit :. Recherche divergente de solutions qui répondent aux fonctions techniques déterminées dans le début de l analyse fonctionnelle. Pour cette étape, nous avons procédé à un brainstorming afin d avoir un maximum de solutions à notre disposition. 2. Validations des solutions qui peuvent répondre au besoin Nous avons analysé chaque solution pour déterminer ses avantages et ses inconvénients. Cela nous a permis d éliminer les solutions qui ne nous paraissaient pas réalisable.. Hiérarchisation des solutions

4 TN2 Afin de classer les solutions, nous avons déterminé 4 ou critères important par fonction technique. Ceux-ci devaient être influents dans la réalisation de la fonction. Par la suite, nous avons donné une note (0, ou ) à chaque solution en fonction des critères et, nous avons pondéré ceux-ci pour obtenir une note globale représentative. 4. Choix de solutions techniques Les solutions techniques choisies ont été celles qui possédaient à la note la plus haute pour chaque fonction. Nous avons ensuite rédigé la présentation des systèmes retenus regroupant les solutions techniques que nous avons choisis. Aillant retenu deux systèmes nous avons rédigé les caractéristiques les différenciant. L étude de ces deux systèmes est à continuer afin de choisir lequel développer. Nous avons finalement rédigé une notice d explication accompagnée d un schéma de principe permettant de comprendre le fonctionnement global du système. 4

5 TN2 Recherche de solutions I. Fonction de Principe 2 & 22 : Lever et baisser la personne. Arbre des solutions FP2&FP22 : lever et baisser la personne Manipulation par Bras. Bras en Translation Rail + actionneur linéaire Pivot virtuel Bras sur pivot Pivot motorisé Pivot + actionneur linéaire Pivot + actionneur rotatif et système bielle manivelle Manipulation par filin, poulies et enrouleur Câble acier Sangl e Cord e

6 TN2 2. Validation des solutions Principe de solution Avantages Inconvénients Bras en translation: Rail + actionneur linéaire rigidité du système. Contrôle précis de la translation. Grandes surface fonctionnelles exposées où à isoler. Bras sur Pivot motorisé Grand débattement, permet de replier automatiquement le bras sur son pivot. Bras sur Pivot + actionneur linéaire Permet de démonter le bras en le repliant sur son pivot. risque de coincement lors du pliage du bras (asservissement intelligent nécessaire) Couples très importants au niveau de la liaison pivot faire attention au risque d écrasement lors de l'abaissement du bras. Pivot + actionneur Grande liberté de rotatif et système bielle dimensionnement de la bielle-manivelle. manivelle Peut-être automatisable Vitesse de levage non uniforme. Système alourdis par la bielle-manivelle. Bras sur pivot virtuel Solution complexe qui ne présente pas d avantages au bras sur simple pivot pour l'utilisation de notre système. Risques de coincements. (sécurité) Systèmes d enroulement fragiles (emmêlement, retournement de la sangle, ). Sensation d instabilité en déplacement. Manipulation par filin, poulie(s) et enrouleur liaison mécaniques simplifiées Solutions éliminées X X 6

7 TN2 Actionneurs : Avantages Actionneurs linéaires Système vis-écrou électrique Vérin hydraulique Vérin pneumatique Entrainement directe par un moteur électrique. Mécanisme isolé. La réversibilité de la transmission peut être empêchée. Pièce standard, nombreux fournisseurs. Facilement utilisable manuellement avec une pompe à main où à pied. Pièces standards, nombreux fournisseurs Descente par pesanteur permettant d éviter le coincement de la personne sous le bras. Inconvénients Fonctionnement manuel non standard (disponible chez quelques fournisseurs). Utilisation d un fluide hydraulique : étanchéité, protection des tuyaux, réservoir nécessaire. Faire attention aux seuils de bruit des pompes hydrauliques. Système chainecabestan Compressibilité des gaz donc contrôle des positions intermédiaires trop difficiles. Système simple. Crémaillère exposée ou Permet une utilisation manuelle. difficilement isolable. Peut être conçu pour être non réversible (avec une vis sans finroue dentée). Système simple, peu cher. Pièces Lubrification de la chaine standards. nécessaire : maintenance. Actionneurs rotatifs : Motoréducteur à excentriques Encombrement réduit pour un rapport de réduction élevé. Roue dentée crémaillère Motoréducteur dans le Encombrement presque nul. bras + couronne et Très bonne Isolation des pignon mécanismes. perpendiculaires(ou vis sans fin) Solutions éliminées Liaisons devant transmettre des couples très élevés, plus chères. Mécanisme soumis à de fortes contraintes (dû au couple élevé). Réducteurs standards ne permettant pas le fonctionnement manuel. Transmission inversible. Profil de bras non-standard pour loger les mécanismes : coûts élevés Mécanisme sur mesure complexe, fortes contraintes Liaisons devant transmettre des couples très élevés. X X 7

8 Motoréducteur à engrenage+ système vis sans fin. TN2 Système simple. Engrenages standards. Grande liberté de conception. Encombrant pour obtenir un rapport de réduction élevé.. Hiérarchisation des solutions Simplicité du isolation du mécanisme mécanisme maintenance Encombrement 2 : coefficients Système vis-écrou électrique Vérin hydraulique + équipement actionneurs hydraulique (pompe, linéaires réservoir, ) Roue dentée crémaillère Cabestan sur chaine fermée Simplicité du mécanisme Bras en translation sur colonne Bras en rotation sur pivot motorisé principe de Bras en rotation mouvement sur pivot + système biellemanivelle Bras en rotation sur pivot + actionneur linéaire. isolation du mécanisme maintenance Encombrement Note Finale 2 2 : coefficients Remarque : nous ne classons pas les actionneurs rotatifs car le principe de mouvement retenu nécessite un actionnaire linéaire. 8

9 TN2 4. Solutions retenues Nous retenons deux solutions de principe : Bras sur pivot actionné par un actionneur linéaire de type vérin électrique. Bras sur pivot actionné par un chariot sur la colonne, délacé par un actionneur de type pignon-crémaillère électrique. I. Fonction de Principe & 24: éviter les obstacles et déplacer la personne a) Arbre des solutions FP24: déplacer la personne Répartir les points de contacts avec le sol Mouvoir le châssis par rapport au sol Châssis Châssis de type Fourche (en «U») Roulettes Châssis en double «T» Roulettes pivotantes (60 ) Roulettes sur axe fixe 9

10 TN2 FP : éviter les obstacles Contourner l obstacle en modifiant la géométrie du châssis Faire varier manuellement la géométrie du châssis Réglage indépendant de chaque bras Châssis à géométrie variable Synchronisation des deux bras Déplacer la personne pardessus l obstacle Déplacer la personne au hors de la zone de stabilité du lève personne Maintenir le système en équilibre Bras sur pivot Vertical Appui amovible Système de bielle-manivelle Système de synchronisation par câbles 0

11 TN2 i. Validation des solutions Avantages Solutions au déplacement Châssis de type Fourche (en U) Châssis en double «T» Roulettes pivotantes (60 ) Roulettes sur axe fixe Solution à l'évitement Châssis à géométrie variable géométrie aisément variable pendant l'utilisation en mettant les bras du "U" sur pivots verticaux. Contournement aisé des obstacles minces (pieds de lit, roues de fauteuil roulant, ) en conservant une assiette large. simplicité de la construction. Maniabilité accrue. Pièces standards avec frein intégré disponibles. solidité du système accrue. Encombrement réduit. Conserve la charge dans la zone de stabilité de l'appareil. Déplacer la personne au hors de Permet le contournement d'obstacles de plein pied la zone de stabilité du lève (baignoire). personne synchronisation des bras Sans synchronisation Synchronisation par câbles Synchronisation par système bielle manivelle. Inconvénients solutions éliminées géométrie difficilement modifiable en utilisation (rails). X Encombrement supérieur pour un même diamètre de roue du au pivot. maniabilité très faible X impossibilité de contourner un obstacle de plein pied. Charge en dehors de la zone de stabilité. L'utilisation d'appuis supplémentaires peut-être nécessaire pour garantir le non basculement à cause du faible poids du système (2 à kg). Risque élevé de basculement en cas de mauvaise manipulation. X Stabilité réduite. Utilisation compliquée. Réglage de la pré-tension des câbles nécessaire. Risques de coincements. X Systèmes très simple. Pièces standards. Le blocage de la géométrie du châssis peut être obtenu en solidarisant les deux câbles (voir schéma au-dessus). Permet à l aidant de modifier Système plus complexe. la géométrie en même temps que l approche du chariot. (un levier où une pédale peut être installée sur la manivelle). Fiabilité élevée.

12 ii. TN2 Solutions retenues Nous retenons une seule solution de principe : Châssis en «U» à géométrie variable, monté sur des roulettes pivotantes. Nous envisageons d utiliser des roulettes avec frein intégré à l arrière du mécanisme (coté aidant). Concernant le réglage de la géométrie du châssis, nous choisissons de garder la solution permettant d adapté la géométrie à l obstacle, pendant la phase d approche. Cette décision s appuie sur l observation des produits concurrents qui proposent tous cette fonctionnalité. Nous choisissons donc un réglage de l écartement des bras du châssis par système bielle-manivelle. II. Fonction de Principe 2 : Accrocher la personne sur le lèvepersonne Cette fonction de principe peut se découper en 2 sous fonction : Accrocher le harnais de la personne sur le fléau Accrocher le fléau sur le lève-personne Accrocher le harnais de la personne sur le fléau : Pour cette fonction il s emblerait que les harnais doivent se fixer sur des crochets recourbés fixés au fléau. Suivant la forme du fléau il y a 2, ou 4 points d accroche. Accrocher le harnais de la personne sur le fléau : Cela ferra l objet de la recherche de solution suivante. iii. Arbre des solutions 2

13 iv. Solutions techniques Mousqueton : simple TN2 Validation des solutions Avantages -Pratique Inconvénients Solutions éliminées -Dangereux -Peu cher Mousqueton : à vis -Peu de risque d ouverture du mousqueton - pas très pratique d utilisation - composants standard Crochet : simple -Peu cher Crochet : simple avec -Peu de risque linguet anti-décrochage d ouverture du crochet -dangereux -pas très pratique Crochet : sur pivot vertical 60 -Permet la rotation du -risque de décrochage fléau accrochage de la personne facilité Crochet : avec linguet anti-décrochage et pivot vertical 60 -Permet la rotation du -pas très pratique fléau accrochage de la personne facilité - Peu de risque d ouverture du crochet Axe glissante -peu cher -non démontable -permet rotation du fléau Goupille -peu cher -non démontable -permet rotation du fléau -Maintenance peu facile

14 TN2 v.hiérarchisation des solutions facilité utilisation complexité sécurité maintenance mousqueto n crochet goupille Axe simple à vis simple linguet antidécrochage pivot 60 L+P démontable glissant vi. permet rotation note Rentrer dans une voiture Un problème persiste toutefois, en effet le lève personne doit permettre à l aidant de placer la personne dans la voiture à l aide du lève-personne. Or, cela représente une contrainte d encombrement supplémentaire. 4

15 TN2 Levage classique, par le dessus Levage au niveau du torse En temps normal la personne est levée par le dessus ce qui lui permet d avoir une position stable et confortable. Nous avons cherché une solution qui nous permettait d adapter le montage d un harnais court pour un levage au niveau du torse. Pour répondre aux contraintes d encombrement et assurer le confort de la personne, ce type de levage nécessite un fléau s adaptant à la personne et positionnant des point d attache de chaque coté de la personne (voir schéma ci dessus). Nous avons alors pensé à un système permettant de fixer le même fléau des deux manières différentes et ainsi obtenir une meilleure flexibilité d utilisation du lève-personne. Nous avons pensé à l utilisation d une goupille amovible qui permettrait la fixation du fléau de deux manières différentes.

16 TN2 Remarque : Dans le cas de l utilisation d une goupille et dans le cas d un levage classique, nous voulons conserver la rotation du fléau suivant l axe vertical. Il faut donc inclure un pivot d axe vertical dans le fléau ou dans le système d attache. vii. Solutions retenues Nous retenons donc deux solutions : Dans le cas d un système classique, l attache du fléau par un crochet pivotant équipé d un linguet anti-décrochage Dans le cas où nous choisissons de développer un système flexible, Nous utiliserons un système de goupille démontable à la main. 6

17 TN2 Présentation des systèmes globaux retenus I. Systèmes retenus a) Système à vérin électrique Schéma de Principe Global : 7

18 TN2 Ce système remplis les fonctions que nous avons définies dans l étude de la valeur. Cependant à partir de la caractérisation des solutions de principe, nous pouvons envisager les points forts et les points faibles de ce choix de solution. Les plus de ce principe : Système intéressant économiquement pouvant à priori être construit par assemblage de pièces et profils standards. L actionneur utilisé (vérin électrique) est de type standard et déjà cartérisé. Les modèles standards répondent aux normes médicales. Les points faibles de ce principe : La majorité des modèles de vérin électriques standards ne permettent pas de remonter la personne manuellement. Il faudra calculer si le coup d un actionneur possédant cette fonction est compensé. 8

19 TN2 i. Système actionné par Chariot sur Colonne Schéma global de principe : 9

20 TN2 Ce deuxième système remplis aussi les fonctions que nous avons définies dans l étude de la valeur. En l état actuel de l étude nous ne pouvons distinguer un avantage certain d une solution sur une autre. Cependant, il dispose d avantages et d inconvénients différents du premier que nous déterminons pour laisser le décideur choisir la solution qu il souhaite exploiter. Les plus de ce principe : Cette solution permet l utilisation de tous les actionneurs linéaires que nous avons listés précédemment. Un fonctionnement manuel est peut-être plus facile à mettre en œuvre. Le chariot peut être intégré dans la colonne, isolant le mécanisme partiellement. Ceci peut aussi être un avantage esthétique. Les points faibles de ce principe : La colonne doit être usinée pour guider le chariot et contenir le mécanisme, elle ne peut être fabriquée en profil standard. I. Notice explicative a) Présentation générale du système Composants Colonne Bras de levage Actionneur électrique Bras de châssis Réglage de la géométrie du châssis Roulettes N (2) () Remarque : Au bout du bras de levage, mais non représenté sur le schéma se trouve le fléau auquel est accroché le harnais de la personne. () (6) (4) () (6) 20

21 TN2 i. Notice explicative du Fonctionnement Déplacement et approche de la personne: Le lève-personne est monté sur quatre roulettes pivotantes pour un déplacement aisé sur le sol dans toutes les directions. Le Lève-personne est déplacé manuellement par l aidant qui le manipule au moyen de poignées fixées à la colonne. Dans le cas où la modification de la géométrie du châssis est nécessaire (pour éviter un obstacle lors de l approche), l aidant fait tourner la bielle du système de synchronisation en actionnant un levier où une pédale (solution à déterminer dans la suite de l étude). Les bras du châssis pivotent alors sur leurs axes de manière symétrique l un par rapport à l autre. L empattement du châssis est modifié. Une fois le châssis approché, l aidant bloque les roues arrières (coté colonne) en enclenchant leur frein, ceci pour immobiliser le lève-personne par rapport au sol pendant les phases de levage et d abaissement. Levage et abaissement de la personne : Une fois le Fléau amené au-dessus de la personne, l aidant met en marche l actionneur électrique. L actionneur fait pivoter le bras de levage sur son axe de liaison avec la colonne. La hauteur du fléau par rapport au sol est modifiée. L aidant accroche le harnais de la personne au fléau. L aidant met en marche l actionneur électrique de sorte à lever le fléau et soulever la personne. La personne se trouve toujours maintenue au-dessus de la surface délimitée par les quatre roues du lève-personne. Cela assure une stabilité accrue de l appareil y compris pendant les phases de déplacements de la personne. L abaissement de la personne se fait de manière similaire au levage, en actionnant cette fois la baisse du fléau par rapport au sol. 2

22 TN2 II. Conclusions Pour le levage et l abaissement de la personne nous avons retenu deux solutions possédant des avantages et inconvénients différents. Dans la suite du projet, un choix devra être fait en fonction de futurs critères. L évitement des obstacles sera réalisé à l aide d une seule solution, un châssis à géométrie variable synchronisée qui permettra de s adapter à l environnement. De plus, les roues du lèvepersonne devront avoir un diamètre assez grand et une matière relativement déformable afin d assurer un meilleur équilibre et confort pour la personne soulevée. Enfin, la fonction de principe «accrocher la personne» sera réalisée par un système permettant de placer le fléau dans deux positions. Ceci afin d obtenir une plus grande flexibilité d utilisation. Dans la suite de l étude, nous aurons à étudier les solutions pour permettre le démontage du lève personne pour le ranger dans un volume restreint (voiture, placard). 22

23 TN2 Bilan A l aide de cette étude, nous remarquons que chaque choix de solutions est déterminé par de nombreux facteurs qu il est difficile de déterminer. C est pourquoi, il est difficile de choisir la «meilleure» solution. Chacune est bonne suivant un point de vue et mauvaise suivant un autre. Il faut donc faire le compromis qui permet à notre système de répondre au mieux au cahier des charges. Nous avons remarqué lors de l élaboration de cette étude qu un travail d équipe était nécessaire, en effet chacun apporte sa contribution et ses idées. Chaque idée en engendre d autre grâce à une dynamique de «groupe» ce qui permet d aborder de nombreux points de vue. L élaboration du dossier de solution nous a permis de cerner au mieux le sujet. 2