Brevet FR2068638A1 — publié le 19710827

-1- 2068638 La présente invention concerne des manipulateurs ou des "bras mécaniques commandés à distance qui manipulent des objets éloignés de l'opérateur. Un télémanipulateur de faible puissance est décrit dans le 5 brevet des Etats-Unis d*lmérique If0 3 212 651. l'une des difficultés soulevées par le manipulateur fonctionnant de la manière décrite dans ce brevet est le fait que lorsque son côté directeur est levé, ou manoeuvré suivant un "mouvement dans l'axe des Z", le côté asservi ou commandé est abaissé. De ce fait, cet appareil n*est pas 10 un manipulateur à mouvements identiques des organes de commande et des organes commandés, mais au contraire à mouvements opposés. Une structure décrite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N°3335 620 et N° 3 314 552 permet de réaliser des mouvements identiques des organes de comman.de et des organes commandés, dénommés ci 15 après "mouvements vrais" entre des bras articulés fixés près de leurs supports. Cependant, l'une des difficultés soulevées par la manoeuvre de ces manipulateurs est la nécessité que les bandes qui commandent les divers mouvements de la pince et de 1*articulation du coude conservent leurs positions relatives appropriées lorsque 20 les bras horizontaux principaux sont levés ou abaissés. La présente invention concerne un télémanipulateur 'de faible encombrement, qui permet de réaliser un "mouvement vrai" entre les bras dans la "direction Z" et dans lequel les autres éléments des bras du télémanipulateur conservent leurs positions relatives 25 pendant le "mouvement suivant l'axe des Z". Les bras qui effectuent les. mouvements ôuivanti.'axe des Z,appelé ci-après le "mouvement Z" sont équilibrés par un ressort à force constante, le mécanisme d'équilibrage étant placé directement sur le côté directeur et non dans la région contaminée sans que des poids soient nécessaires. Le 30 dispositif de montage comporte des guides maintenant toutes les bandes de commande à la môme longueur et à une tension sensiblement constante lorsque le manipulateur est manoeuvré et en particulier lorsque les bras effectuent des mouvements vrais dans la "direction Z". 35 D'autres avantages et caractéristiques de la présente inven tion ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, 70 42215 -2- 2068638 mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à 1*invention. Sur ces dessins : la figure 1 est une élévation d'un télémanipulateur à 5 "mouvements vrais" selon 1*invention ; la figure 2 est une vue en plan partielle des éléments de montage du manipulateur, certains étant en coupe et certains autres arrachés ; la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; 10 les figures 4 et 5 sont des schémas représentant deux posi tions extrêmes des bras supérieurs ainsi que le dispositif par lequel les bras se déplaçant dans la direction Y du manipulateur sont maintenus orientés ; et les figures 6 et 7 sont des schémas représentant les positions 15 extrêmes des bras supérieurs du manipulateur, ainsi que le dispositif de guidage maintenant les bandes de commande sous une tension constante afin d'exécuter les diverses opérations de serrage de l'appareil. Un manipulateur à "mouvements vrais", représenté d'une manière 20 générale en 10, comporte une enveloppe de montage centrale 11 dont une bride agrandie peut être fixée sur un mur de support séparant le côté directeur, représenté d'une manière générale en 12, du côté asservi ou commandé représenté en 13. Comme on le voit sur la figure 2, la bride de l'enveloppe est utilisée pour le montage d'un tube 25 central rotatif 14 sur un palier approprié 15 tel qu'il puisse tourner autour de son axe longitudinal par rapport au mur de retenue ou de séparation. Deux bras supérieurs et orientés en opposition sont montés à l'aide du tube 14. Ils comprennent un bras supérieur et directeur 16 et un bras supérieur et asservi 17. Lorsque les 30 bras supérieurs, directeur et asservi, occupent la position médiane qu'on voit sur la figure 1, ils sont sensiblement horizontaux et ils sont articulés par des consoles appropriées sur l'ensemble du tube central. Des consoles 18 fixées au tube H sont destinées au montage du bras supérieur directeur 16 et des consoles 19 fixées 35 au même tube articulent le bras supérieur asservi. Le bras directeur est monté de manière à tourner autour de l'axe d'un arbre 22 et le bras asservi de manière à tourner autour de l'axe d'un arbre 70 42215 -3- 2068638 23. les montages des deux bras supérieurs sont exactement identiques . Les bras supérieurs sont des éléments ayant chacun la forme d'un TJ inversé en section droite. Des consoles 24 sont fixées sur 5 les côtés ou branches opposées de l'U du bras supérieur et directeur et elles sont à leur tour fixées s.ur un ensemble 25 de doubles pignons comprenant des pignons intérieurs 25A et des pignons extérieurs 25B. Les pignons 25A et 25B sont espacés l'un de l'autre et sont montés sur l'arbre 22. L'arbre 22 tourne dans les consoles 18. 10 Des consoles 26 fixées sur les côtés opposés du bras asservi 17 sont, à leur tour, fixées rigidement à un ensemble 27 de pignons doubles. L'ensemble 27 comprenddes pignons intérieurs 27A et des pignons extérieurs 27B. Les pignons 27A et 27B sont montés sur l'arbre 23 qui tourne sur les consoles 19. Les pignons extérieurs 25B 15 et 27B sont reliés les uns aux autres par des chaînes 30 qui-sont enroulées en sens inverses sur les pignons, comme on le voit sur la figure 1. Les pignons intérieurs 25A et 27A sont reliés les uns aux autres par des chaînes 31 dont les extrémités sont fixées sur eux. Les chaînes 30 et 31 s'enroulent partiellement autour des pi-20 gnons. De chaque côté de l'ensemble, les chaînes 31 sont enroulées en sens opposé à celui des chaînes 30. Les bras 16 et 17 étant fixés chacun à leurs jeux correspondants de pignons, lorsque le bras supérieur et directeur 16 est levé autour de l'axe de l'arbre 22, par exemple, de manière à déplacer le bras dans ladite "direction Z", 25 les pignons 25A exercent une traction sur les chaînes 31 qui, à leur tour, font lever le bras asservi par la traction exercée sur les pignons 27A. Si le bras supérieur et directeur est levé dans la direction indiquée par la flèche 32, le bras supérieur 17 est également levé dans la direction indiquée par la flèche 33. Lorsque le 30 bras directeur est abaissé, les pignons 25B exercent une traction par la chaîne 30 sur les pignons 27B et tirent le bras asservi vers le bas. De cette manière, les chaînes et les pignons de liaison centraux produisent un "mouvement vrai" entre les bras supérieurs 16 et 17. Ceux-ci tournent en sens opposés autour de leurs 35 axes de pivotement, l'un dans le sens des aiguilles d'une montre et l'autre en sens inverse des aiguilles d'une montre. 70 42215 -4- 2068638 Des avant-bras 36 et 37 sont montés aux extrémités extérieures du bras supérieur et directeur et du bras supérieur asservi. Des consoles de montage 38 et 39 sont fixées aux extrémités supérieures des avant-bras et à leur tour elles sont articulées par 5 les axes d'arbres 40 et 41 sur les bras supérieurs 16 et 17. les arbres 40 et 41 pivotent sur les bras directeur et asservi 16 et 17» de manière que les avant-bras puissent se déplacer dans les directions indiquées par la double-flèche 42 sur la figure 1. Les consoles 38 et 39 entraînent des paires de pignons espacés 43 et 10 44. Les pignons 43 situés du côté directeur de l'ensemble portent des chaînes séparées 47 (il y a en réalité un pignon 43 de chaque côté de la console 38) qui s'enroulent autour des pignons 43 et les entraînent. Les extrémités des chaînes 47 sont fixées à des câbles supérieur et inférieur appropriés 45 et 46. Les câbles 15 43 et 46 passent le long du bras supérieur 16 par des jeux de séparateurConstitués par des poulies de guidage supérieures et inférieures montées sur les axes des arbres 22 et 23. Chaque jeu séparé de poulies comprend une poulie centrale 50 et des poulies-de guidage supérieure et inférieure 51 et 52. Cette disposition 20 est la même du côté directeur et du côté asservi et seules les poulies des ensembles de pignons 27 sont représentées à titre d'exemple sur la figure 3. Les ensembles des poulies sont disposés entre les deux ensembles de pignons 25 et 27. Les câbles 45 et 46 passent par les poulies de guidage montées sur les pignons 25 25 et 27, par le bras asservi 17 et sont fixés aux extrémités opposées de chaînes 53 qui, à leur tour, sont entraînées par les pignons 44. Les chaînes 53 commandent alors le mouvement des avant-bras 37 autour de l'axe de la broche 41. Le mouvement de l'avant-bras directeur 36 autour de la broche 40 entraine les pi-30 gnons 43 et les chaînes 47 qui, à leur tour, tirent soit les câbles 45, soit les câbles 46 par lesquels les chaînes 53 entraînent les pignons 44 d'une manière correspondante et font pivoter le bras asservi 37 autour de l'axe de l'arbre 41. Les poulies de guidage 51 sont montées sur des broches transversales 54 fi-35 xées entre les poulies sur les pignons correspondants 25 et 27. Sur la figure 3, les ensembles de pignons représentés sont les ensembles 27, mais les mêmes éléments de montage sont utilisés sur les ensembles de pignons 25. 70 42215 -5- 2068638 Le bras supérieur 36 du côté directeur comporte une poignée à laquelle est fixé un mécanisme de commande 60 qui, à son tour, peut commander des pinces 61 dù côté asservi par des câbles appropriés. De plus, la poignée 60 peut tourner autour de 5 l'axe vertical du bras 36 et, par des câbles 62 agissant sur des poulies appropriées, elle peut faire tourner la pince asservie autour de l'axe de son bras 37- Le mouvement des pinces et les mouvements de commande sont produits par des bandes ou câbles appropriés qui sont entraînés du côté directeur vers le côté asservi 10 d'une manière classique et connue. Ce type de câblage est représenté sur la figure 3 du brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 212 651 précité et ce dessin schématique représente également l'utilisation des pignons d'entraînement pour la commande des avant-bras au cours du "mouvement Y" du manipulateur. 15 Pour assurer, dans le manipulateur à mouvements vrais, de l'invention, que la longueur des bandes de commande, représentées d'une manière générale en 65 sur la figure 3 et qui sont situées entre le côté directeur et le côté asservi, ne varie pas lorsque les bras supérieurs 16 et 17 sont déplacés autour de leurs axes 20 respectifs, des poulies de guidage 66 sont montées entre les pignons 25 et 27 sur le même arbre que les poulies 51 et des poulies de guidage associées 67 sont également montées sur les arbres centraux 22 et 23. Les bandes 65 passent entre les périphéries correspondantes de ces poulies de la manière représentée, par exem-25 pie, sur la figure 3 et elles sont guidées par celles-ci. Afin d'illustrer le fonctionnement des diverses poulies de guidage, la figure 4 représente les positions des bras 16 et 17 lorsque le bras 16 est levé au maximum, les câbles 45 et 46 étant représentés schématiquement. Les poulies 51 et 52 sont éga-30 lement représentées schématiquement afin de montrer comment elles guident les câbles sans que leur longueur varie et sans que les avant-bras 36 et 37 cessent d'être reliés étroitement l'un à l'autre lorsque les br^s 16 et 17 sont levés. La figure 5 représente les positions inverses dans lesquelles les bras 16 et 17 sont 35 abaissés et dans ce cas également, les poulies ou guides 51 et 52 ainsi que la poulie centrale 50, guident les câbles 45 et 46 d'une manière appropriée afin d'assurer que les avant-bras 36 70 42215 -6- 2068638 et 37 continuent à fonctionner. Les avant-bras peuvent tourner autour de leurs axes lorsque les bras supérieurs se déplacent afin de rester parallèles à leurs positions initiales. Les figures 6 et 7 représentent un exemple de câble de 5 commande 65. Sur la figure 6 les bras supérieurs 16 et 17 sont représentés à leurs positions hautes. Dans ce cas, les poulies 66 guident la bande 65 (qui n'est qu'un exemple) autour de leurs périphéries, afin de compenser toute variation de longueur qui pourrait se produire du fa^t des déplacements des bras 16 et 17 10 et de manière que les bandes 65 ne se déplacent pas par rapport à leurs éléments fonctionnels,à savoir,par exemple, la poignée 60 et les pinces 61. Les bandes ne peuvent se détendre. Lorsque les bras supérieurs 16 et 17 sont abaissés, les poulies 66 et 67 se déplacent à nouveau avec les pignons 25 et 27 de manière à gui-15 der la bande 65 au-dessus d'elles et à compenser toutes les variations de longueur qui pourraient se produire. v 70 42215 -7- 2068638 les dispositifs de guidage des bandes et des câbles qui maintiennent les avant-bras et les pinces orientés d'une manière appropriée pendant leurs déplacements relatifs se déplacent avec les poulies afin de produire les "mouvements vrais" des bras 5 horizontaux principaux 16 et 17. les éléments de guidage mobiles des câbles qui sont montés sur leurs dispositifs d1 entraînement afin de produire-les mouvements vrais des bras supérieurs, assurent automatiquement cette compensation. Les bras sont complètement équilibrés par un ressort 70 à 10 force constante qui est fixé sur le bras directeur par une équerre 71 appropriée et qui est monté sur une bobine 72. Cette dernière est montée sur une console 73 fixée, à son tour, sur le tube central 14 du côté directeur de l'ensemble, en dehors de l'atmosphère contaminée.Le ressort 70 et la bobine 72 constituent la forme 15 de ressort à force constante qui est vendue par Hunter Spring Company, c'est-à-dire une division de American Machine Metals, Inc. de Lansdale, Pennsylvanie, sous le nom commercial de "Neg'ator". "Neg'ator" est un nom commercial déposé de cette compagnie et indique des ressorts à force constante, tels que celui qui est 20 représenté ici qui est leur type N° SL 31TT69- Le ressort à force constante est une bande plate enroulée sur la bobine et qui, lorsqu'il est déroulé, exerce une force constante à la distance où. il fonctionne. L'ensemble est équilibré par le ressort à force constante 25 de manière que sa manoeuvre soit facile et que son utilisation,qui est nouvelle, supprime la nécessité des poids d'équilibrage des petits manipulateurs tout en conservant l'avantage de bras directeurs et asservis équilibrés permettant une manoeuvre aisée. Le ressort et ses consoles de montage se déplacent autour de l'axe 30 du tube 14 lorsque l'ensemble tourne autour de cet axe. Par les mouvements vrais du manipulateur et également par l'assurance que les diverses bandes de commande qui passent du côté directeur au côté asservi ne varient pas de longueurjpendant le fonctionnement des parties à mouvements vrais de la liaison, 35 on réalise d'une manière simple (par des poulies de guidage appropriées qui se déplacent avec les pignons commandant le mouvement vrai) un manipulateur de faible prix qui peut être adapté facilement à des travaux de faible puissance . Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et 40 représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif^ et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 70 42215 -s- 2068638 REVENDICATIONS 1. Télémanipulateur, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe de montage comportant à ses extrémités opposées un premier et un second pivots sur lesquels sont articulés un premier 5 et un second bras, un dispositif d'entraînement inversé étant disposé entre les bras de manière que la rotation du premier bras autour de son pivot dans un premier sens produise une rotation en sens opposé du second bras autour.de son pivot, leurs extrémités extérieures se déplaçant suivant des directions correspondantes, 10 un dispositif de commande transmettant les mouvements de commande d'un premier bras à l'autre et un mécanisme monté sur le dispositif d'entraînement maintenant les éléments de commande à leurs positions relatives, quelles que soient les positions des bras. 2. Télémanipulateur suivant-la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le dispositif d'entraînement comprend des éléments séparés montés sur chacun des bras et reliés par une liaison souple située entre la partie inférieure de l'élément d'entraînement du premier bras et la partie supérieure de l'élément d'entraînement du second bras» 20 3» Télémanipulateur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments de commande sont souples et sont guidés par des poulies montées sur les éléments d'entraînement et se déplaçant avec eux lorsque les bras sont déplacés autour de leurs pivots. 25 4. Télémanipulateur suivant l'une quelconque des revendica tions 1, 2 et 3» caractérisé en ce que les éléments d'entraînement comprennent des pignons et les éléments souples, des chaînes disposées entre les pignons. 5. Télé manipulateur suivant lav revendication 1, caractérisé 30 en ce que l'enveloppe de montage comprend un élément de support central, le premier bras comprenant un bras directeur comportant un bras supérieur et un avant-bras, leyéecond bras comprenant un bras asservi comportant un bras supérieur et un avant-bras, les bras supérieurs étant articulés sur les extrémités opposées 35 de l'élément de support autour desdits premier et second pivots, les avant-bras étant articulés sur les extrémités extérieures des bras supérieurs qui sont mobiles autour desdits premier et second 70 42215 -9- 2068638 pivots entre des positions angulaires prédéterminées, le dispositif d* entraînement comprenant des organes qui sont montés rigidement sur chacun des "bras supérieurs et qui sont reliés par des éléments de liaison, les éléments de commande comprenant des organes 5 d'entraînement et de liaison entre les avant-bras, passant par les bras supérieurs et les éléments de support, les éléments de liaison étant souples et les organes montés sur le dispositif d'entraînement afin de maintenir les éléments de commande à leurs positions comprenant des dispositifs de guidage se déplaçant avec les éléments 10 de commande lorsque les bras supérieurs sont déplacés et guidant les éléments de liaison afin de les maintenir sous une tension sensiblement constante pendant les mouvements de pivotement des bras supérieurs. 6. Télémanipulateur suivant la revendication 5, caractérisé 15 en ce que les organes de guidage comprennent une poulie centrale séparée, montée de manière à tourner sur les pivots de chaque bras supérieur et des poulies de guidage séparées, mobiles avec les dispositifs de commande et espacées des pivots afin de maintenir les éléments de liaison entre les périphéries extérieures des .extérieures 20 poulies centrales et les périphéries/des poulies de guidage. 7. Télémanipulateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'un organe de commande monté sur le bras directeur et un organe commandé monté sur le bras asservi sont reliés par les bandes de commande, des éléments de guidage montés sur l'organe de commande 25 maintenant les bandes sensiblement à des positions identiques par rapport à l'organe de commande et à l'organe commandé lorsque les bras supérieurs sont déplacés et tournent autour de leurs axes correspondants. 8. Télémanipulateur suivant la revendication 7, caractérisé 30 en ce que les éléments de guidage des bandes de commande sont des poulies comprenant des premières poulies montées de manière à tourner autour des premier et second pivots et des secondes poulies montées sur l'organe de commande et mobiles avec lui, les bandes étant disposées et maintenues entre les périphéries des poulies 35 montées sur le premier et le second pivots. 9. Télémanipulateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un dispositif d'équilibrage 70 42215 -10- 2068638 des bras est constitué par un ressort à force constante monté entre l'enveloppe de montage et l'un des bras et agissant pendant toute la gamme normale de mouvements des bras. 10. Télémanipulateur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les bras comprennent des éléments disposés sensiblement horizontalement en saillie sur l'enveloppe de montage, au moins pour l'une des positions qu'ils occupent pendant leur pivotement autour du premier et du second pivots.