Brevet FR2155848A1 — publié le 19730525

La présente invention, due à la collaboration de Messieurs Jean VERTU, Jean-Pierre GUILBAUD et Jean-Claude GERMOND du Colaissariat à l'Energie Atomique et de Monsieur Charles GLACHET de la Société LA CALEENE, est relative à un appareil de manipulation comportant, comme la plupart des dispositifs de ce genre, un bras articulé autour d'un axe d'épaule, un avant-bras articulé sur un axe de coude prévu à l'extrémité du bras et une pince articulée sur un axe de poignet monté à l'extrémité de 1'avant-bras, tous les mouvements de l'appareil correspondant, non seulement à des débattements des éléments précédents autour de leurs axes d'articulation, mais également à d'autres mouvements en particulier de rotation de la pince, de l'avant-bras et du bras autour de leurs axes propres, perpendiculaires aux axes d'articulation, et enfin au serrage de la pince, ces mouvements étant réalisés à partir de moteurs, électriques ou autres, portés par l'appareil lui-méme. On connait déjà différents types de manipulateurs articulés, le cas échéant télescopiques, du genre précédent. NotamMent, on connaît des télémanipulateurs de puissance, généralement portés par un pont roulant ou autre engin analogue, actionnés à partir de réducteurs irréversibles, con trolles par un système de télécommande à clavier ou à leviers oscillants. On connait également des manipulateurs plus légers, comprenant un ensemble maitre et un ensemble esclave identiques, l'ensemble esclave reproduisant fidèlement les mouvements de l'ensemble maitre manoeuvré par un opérateur situé hors de la zone d'action de l'ensemble esclave, les moteurs de commande de l'ensemble maître étant reliés aux moteurs homologues de l'ensemble esclave par une boucle d'asservissement assurant le synchronisme des mouvements, les connexions entre les deux ensembles n'exigeant que des câbles électriques ou des transmissions radioélectriques, permettant de séparer totalement ces deux ensembles.Dans ces réalisations, la totalité de moteurs et des réducteurs qui leur sont associés, est répartie a l'intérieur mtme des éléments articulés du du.;aranipulateur, ou bien est regroupée dans un bloc fixe, portant le bras, l'avantbras et la pince, ce bloc présentant généralement un volume et une masse importants. Dans ces solutions en outre, la nécessité d'obtenir des débattements indépendants pour les différents éléments articulés du manipulateur à partir de moteurs portés par un bloc fixe, limite les possibilités angulaires de ces mouvements, en raison de la torsion qu'ils introduisent dans les organes de transmission entre ces moteurs et les parties correspondantes du manipulateur. a présente invention est relative à un manipulateur du second genre ci-dessus, qui en élimine les inconvénients, en permettant par ailleurs de réaliser l'équilibrage permanent de ce manipulateur autour de ses différents axes de rotation au moyen de masses qui, dans l'appareil luimeme, assurent simultanément d'autres fonctions. A cet effet len~Inipulateur considéré, c=portamt-, articulé autour d'un axe d'épaule porté par un corps monté mobile en rotation autour de son axe propre, un bras muni à une extrémité d'une chape d'articulation autour d'un axe de coude, parallèle à l'axe d'épaule, d'un avant-bras comprenant, indépendamment de son mouvement autour de l'axe de coude, un mouvement d'azimuth correspondant à une rotation de cet avant-bras autour de son axe propre, et une pince articulée à l'extrémité de l'avant-bras sur un axe de poignet disposé dans un plan parallele à l'axe de coude, cette pince comprenant, indépendamment de son mouvement d'élévation autour de son axe de poignet, un mouvement de rotation autour de son axe propre et un mouvement de serrage de ses mors, se caractérise en ce qu'il comporte, articulé autour d'un axe parallèle à l'axe d'épaule à l'extrémité du bras opposée à l'axe de coude, un bloc support pour des moteurs de commande et des réducteurs, déterminant, par des organes de transmission tels que câbles, rubans ou chaines guidés par des poulies montées sur les axes d'articulation de l'épaule, du coude et du poignet, les mouvements de rotation de l'avant-bras autour de son axe propre et les mouvements d'élévation, de rotation et de serrage de la pince, ce bloc support, entraîné autour de son axe sur l'extrémité du bras avec un mouvement de même amplitude et de sens opposé au mouvement de 1'avant-bras autour de l'axe du coude à l'autre extrémité du bras, étant agencé de façon telle qu'il assure en permanence l'équilibrage du bras, de l'avant-bras et de la pince autour de l'axe d'épaule. Selon une caractéristique particulière du manipulateur considéré, le mouvement du bras autour de l'axe d'épaule est réalisé par un moteur porté par le bras lui-même et dont l'arbre de sortie comprend un pignon engrenant avec une couronne solidaire du corps et coaxiale à l'axe d'épaule.Suivant une autre caractéristique également, le mouvement de l'avant-bras autour de l'axe de coude et le mouvement parallèle de même amplitude et de sens opposé du bloc support, sont réalisés par un autre moteur porté par le corps, entraînant autour de l'axe d'épaule au moins une poulie de commande sur laquelle est fixé un câble ou une chaste passant sur une poulie de même diamètre, liée à l'avant-bras à l'axe de coude et sur une autre poulie, également de même diamètre, liée au bloc support à l'axe de son articulation sur le bras. De préférence, la poulie de commande entrainée par le moteur, est séparée en deux poulies parallèles, entraînant deux cibles ou charnels passant l'un sur la poulie de Itaxe de coude et l'autre sur la poulie de l'axe du bloc support. Selon une autre caractéristique du manipulateur selon l'invention, les organes de transmission, du genre câbles rubans ou charnels entraînés par les moteurs portés par le bloc support, sont associés à des détecteurs de contraintes, montés sur un prolongement du bras et assurant le contrôle des couples transmis au cours des différents mouvements. Avantageusement, ces détecteurs de contraintes mesurent pour chaque mouvement, la différence des-efforts sur deux organe s de transmission antagonistes passant sur les poulies de guidage de l'axe de coude et de l'axe du bloc support. Enfin et dans un mode de réalisation préféré du manipulateur considéré, l'axe du corps autour duquel s'effectue la rotation d'ensemble du bras, de l'avant bras et de la pince est un axe horizontal, disposé côté du bras, la rotation autour de cet axe étant réalisée par un moteur monté sur une colonne portant le corps et le bras. D'autres caractéristiques d'un manipulateur à moteurs de commande, établi conformément à l'invention apparaitront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisé sation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels:: - la Fig. 1 est une vue en perspective du manipulateur considéré, illustrant notamment l'ensemble des mécanismes de commande de ses différents mouvements, - la Fig. 2 est une vue de cté du bras.du manipulateur et du corps supportant ce bras ainsi que des organes de commande permettant de réaliser, d'une part la rotation du bras autour de l'axe d'épaule et d'autre part les mouvements parallèles de l'avant-bras et du bloc du support, - la Fig. 3 est une vue schématique illustrant les moyens assurant les mouvements parallèles de même amplitude et de sens opposé de l'avant-bras d'une part et du bloc support d'autre part autour d'axes parallèles, montés aux extrémités du bras. La Fig. 1, est une vue d'ensemble du manipulateur considéré et de ses différents mécanismes de commande. I1 comporte notamment à une extrémité, une pince de préhension 1 comprenant deux mors de serrage 2 et 3, cette pince étant fixée sur une chape 4 réunie à une genouillère 5 autour d'un axe d'articulation 6 ou axe de poignet, cette chape 4 étant elle-même agencée pour permettre la rotation de la pince autour de son axe propre, désigné sur la figure par la référence 7. La genouillère 5 supportant la chape 4 de la pince 1 est montée à l'extrémité d'un avant-bras 8, comprenant une partie tubulaire 9 d'axe 10, montée tourillonnante dans un embout cylindrique 11 prévu à l'extrémité opposée de l'avantbras.Cet embout 11 est muni d'une chape 12 s'articulant autour d'un axe 13 ou axe de coude sur une chape homologue 14 prévue à l'extrémité d'un élément tubulaire 15 constituant le bras proprement dit du manipulateur. Ce bras 15 comporte, sensiblement dans sa partie médiane, un étrier de support 16 permettant d'articuler ce bras et les autres parties du manipulateur qui lui sont liées autour d'un axe 17, ou axe d'épaule, autour duquel peut être commandée la rotation d'ensemble du bras 15 par des moyens décrits plus loin. A son extrémité opposée à l'axe de coude 13, le bras 15 comporte une chape 18, décalée latéralement par rapport a l'axe longitudinal 19 de ce bras et sur laquelle est monté un axe 20 parallèle à 1'axe de coude 13 et à l'axe d'épaule 17, ces trois axes étant en permanence situés dans un même plan.Sur oet-- t axe 20 est à son tour articulé un bloc support 21 pour un ensemble de-quatre moteurs électriques ou autres notamment hydrauliques, pneumatiques..., respectivement 22, 23, 24 et 25, ces moteurs permettant de réaliser dans le manipulateur différents mouvements, notamment pour la pince et 1 'avant-bras. Chacun de ces moteurs, le moteur 22 par exemple, est associé à un réducteur 26 entraînant sur son axe parallèle à l'axe 20 du bloc support 21 une poulie 27 dans la gorge de laquelle passe un organe de transmission du genre câble, ruban ou channe dont les deux brins antagonistes assurent la réalisation du mouvement correspondant dans un sens ou dans l'autre.L'ensemble des organes de transmission des quatre moteurs 22 à 25 passe ensuite sur une poulie commune 28 portée par l'axe 20 puis sur deux autres poulies 29 et 30 montées dans le bras 15 avoir Fig. 3) avant d'être renvoyés, parallèles les uns aux autres, vers une autre poulie 31 montée sur l'axe de coude 13. Ces organes de transmission sont ensuite guidés pour trois d'entre eux dans l'avant-bras 8 vers la pince 1, tandis que les deux brins du quatrième s'attachent après passage sur une poulie de renvoi 32 sur une poulie transversale 33, solidaire de la partie tubulaire 9 de cet avant-bras pour en assurer le mouvement d'azimuth, c'est-à-dire de rotation autour de l'axe 10.Les trois autres organes de transmission assurent pour leur part et de manière en elle-meme classique, les mouvements d'élévation et de rotation de la pince 1 autour des axes 6 et 7 respectivement, ainsi que le mouvement de serrage des mors 2 et 3 de cette pince. Mis à part les quatre mouvements précédents, le manipulateur permet de réaliser par d'autres moteurs notamment électriques, trois mouvements complémentaires qui correspondent respectivement à un mouvement de l'avant-bras 8 autour de son axe de-coude 13, à un mouvement de rotation de l'ensemble du bras 15 et des éléments qu'il supporte autour de l'axe d'épaule }7 ct enfin une rotation de cet axe 17 lui-même autour d'un second axe 34 porté par une colonne de support 35 de l'ensemble de l'appareil, cet axe 34 étant dans l'exemple considéré, décalé latéralement par rapport au bras 15. Comme on le voit sur la Fig. 2, le premier des mouvements précédents est réalisé au moyen d'un moteur 36, ce moteur 36 comportant un arbre 37 parallèle à l'axe 17 et terminé par un pignon denté 38 qui engrène avec une couronne 39 solidaire dun-corps 40 porté par la colonne 35 et dont l'axe coricide avec l'axe 34 déjà mentionné. Le moteur 36 portés par l'étrier 16 du bras 15, entraîne en rotation le pignon 38 qui entraîne à son tour le bras 15 autour de l'axe d'épaule 17 selon un mouvement illimité pouvant s'étendre sur 3600 ou plus.Le second mouvement à savoir le mouvement d'élévation de l'avant-bras 8 autour de son axe de coudre 13, est réalisé indépendamment du mouvement précédent du bras 15 autour de l'axe 17 de telle sorte qu'il s'accompagne, avec une amplitude égale mais dans un sens opposé, d'un mouvement correspondant pour le bloc support 21 portant les moteurs 22 à 25, la masse de ces moteurs, de leurs réducteurs associés et du bloc 21 lui-même, servant en permanence à équilibrer autour de l'axe d'épaule 17, l'ensemble formé par le bras 15, l'avant bras 8 et la pince 1, articulés les uns aux autres. Dans ce but, l'axe d'épaule 17 est lui-même rendu solidaire d'un moteur électrique 41 porté par le corps 40 et dont l'axe est relié par un accouplement 42 à une douille 43 tourillonnant d'une part sur des paliers 44 et 45 sur l'axe d'épaule 17, et d'autre part sur des paliers 46 et 47 sur la surface interne d'un évidement 48 ménagé dans l'axe du corps 40 tFig 2). Cette douille 43 supporte deux poulies parallèles de même diamètre, respectivement 49 et 50 liées ensemble et clavetées sur cet axe 1-7. Sur la poulie 49 est monté un organe de commande du genre d'un câble ou d'une chaîne 51, guidé par une poulie de renvoi 52 liée au bras 15 vers une poulie 53 fixée sur la chape 12 de l'avant-bras 8 à l'axe de coude 13, la poulie 53 peuvent être avantageusement dédoublée en deux poulies parallèles pour limiter les efforts exercés selon le sens du mouvement imposé. De la même manière, la seconde poulie-50-est associée à un câble de commande 54 renvoyé par une poulie 55 portée par le bras 15 sur une poulie double 56 fixée Plaxe-20 sur le bloc support 21.Les poulies 53 et 56 présentent des diamètres identiques à ceux des poulies 49 et 50, ce qui permet de transmettre de manière égale mais en sens opposé grSce-a-un-montage convenable des câbles 51 et 54 le mouvement de la douille 48 dû au moteur 41 vers l'avant-bras 8 d'une part et le bloc support 21 d'autre part. Enfin le. troisième mouvement du manipulateur est réalisé autour de l'axe 3i du corps 40 par rapport à la colonne de support 35 gracie à un troisième moteur 57 entraînant le corps sur lui-même - autour.- de cet axe, guidé dans un palier fixe 58 porté par cette coîonne-,-et-entrainant avec lui l'ensemble articulé formé par le bras 15, l'avant-bres 8 et la pince 1. La Fig. 3, illustre une disposition de détail avantageusement mise- en - oeuvre dans le manipulateur considéré ou les organes de transmission des mouvements commandés par les moteurs 22 à 25 du bloc support 21 sont associés à des détecteurs de contraintes -mesurant- les efforts dus aux couples exercés lors de ces mouvements.A cet effet, l'extrémité du bras 15 comporte, pour- - chaque- organe de transmission c'est-à-dire pour chaque mouvement-séparément les deux poulies 29 et 30 déjà mentionnées, permettant audit organe (par câble, ruban ou charnue) de former une boucle 59, réunie en son point milieu à une poulie moufflée 60 dont la chape support 61 est liée à un détecteur de tension 62 fixé dans un support 63 prévu à l'extrémité du bras 15 au-delà de la chape 18 de support du bloc 21.Lors des mouvements parallèles et de sens opposés de l'avant-bras 8 d'une part et du bloc support 21 d'autre part, mouvements qui par exemple, enroulent une certaine longueur de l'organe de transmission sur la poulie 31 de l'axe de coude 13 et déroulent simultanément la même longueur sur la poulie 28 de l'axe 20, les poulies 28 et 31 étant par construction de même diamètre, la tension sur les deux brins antagonistes de cet organe ne se trouve pas modifiez par oes mouvements. Cette tension qui peut être ajustée par un écrou 64 porté par le support 63 et qui agit sur la chape 61 de la poulie moufflée 60, est mesurée par le détecteur 62 associé.Notamment lorsqu'un couple est exercé par l'un des moteurs 22 a 25, le détecteur correspondant mesure la différence des tensions sur les deux brins de l'organe de transmission, cette différence de tension pouvant être aisément exploitée par-la boucle d'asservissement qui relie à distance les moteurs du manipulateur considéré à un autre manipulateur ou à un poste de commande servi par l'opérateur- mettant- en oeuvre l'appareil.A noter par ailleurs, que les réducteurs tels que 26 associés à chacun des moteurs 22 à 25 peuvent être avantageusement choisis de manière à diviser la rotation de ces moteurs par rapport aux poulies 28, 29, 30 et 31 qu'ils entraînent par l'intermédiaire des organes de transmission, dans un rapport situé entre 5 et 10, correspondant au couple nécessaire en même temps qu'aulx autres conditions de frottement et-d'inertie fixées par la boucle d'asservissement. A noter enfin que ces différents moteurs sont de préférence munis de freins, permettant d'immobiliser à tout instant les mouvements élémentaires correspondants. Les avantages du manipulateur décrit se déduisent aisément de ce qui précède: en premier lieu, le décalage latéral l'axe d'épaule 17 par rapport au bras 15 ainsi que celui de l'axe 20 d'articulation du support 21, permettent de dégager aisément un volume suffisant pour les débattements de ce bloc, correspondant à ceux de l'avant-bras 8, qui peuvent varier de son alignement avec le bras jusqu'à une position repliée où celui-ci fait avec l'avant-bras un angle d'environ 300. A noter que s'ajoute à ce mouvement, si l'on considère la rotation de la poulie de commande 53 fixée sur l'axe de coude et en maintenant le moteur 41 immobile, le mouvement du bras 15 autourde son axe d'épaule 17.Un autre avantage du décalage relatif de l'axe d'épaule résulte par ailleurs du fait qu'il permet de fixer directement sur l'étrier 16 le moteur 36 commandant le mouvement autour de -cet axe. Un autre avantage du manipulateur considéré est que, dans les mouvements -commandés par le moteur 36 autour de l'axe d'épaule 17 d'une part et par le moteur 41 pour les mouvements autour de l'axe de coude 13 d'autre part, sont mis en jeu des couples sensiblement égaux. En effet, pour un mouvement d'épaule quelconque, 1'avant-bras 8 restant vertical et parallèle à lui-meme, une charge portée par la pince exerce sur le moteur 36 un couple à l'épaule proportionnel à la distance qui sépare l'axe de coude 13 de l'axe d'épaule 17. De même, l'épaule restant immobile, tout mouvement de coude exerce sur le moteur 41 par les poulies 49 et 50 un couple indépendant qui s'ajoute au précédent autour de l'axe d'épaule.En revanche le couple exercé sur la poulie 53 située sur l'axe de coude 13, s'applique autour de l'axe d'épaule 17 par les deux brins du câble 51. Il en résulte que, pour lever le bras avec un angle du coude par rapport à ce bras restant fixe, les deux moteurs 36 et 41 coopèrent ensemble, ce qui, si les leviers constitués par l'avant-bras 8 et le bras 15 sont égaux, rend également égaux les couples appliqués. L'égalité de ces couples, permettant d'utiliser notamment des moteurs et des réducteurs de mêmes caractéristiques, constitue une propreté utile pour la réalisation et le fonctionnement de la boucle d'asservissement associée au manipulateur. Si l'équilibrage permanent du bras, de l'avant-bras et de la pince autour de l'axe d'épaule, est par ailleurs réalisé grâce aux dispositions de l'invention où le bloc support 21 des moteurs 22 à 25 se recale constamment sur l'avantbras, un autre équilibrage est nécessaire pour l'ensemble articulé précèdent autour de l'axe 34 du corps 40, décalé latéralement par rapport au bras 15. Tout dispositif en lui-même connu pourrait aisément être mis en oeuvre, notamment à l'aide des ressorts ou de contre-poids convenablement disposés sur le corps 40 lui-même par rapport au palier 57 autour duquel tourillonne celui-ci. A noter cependant que si l'axe 34 au lieu d'être horizontal comme sur la figure, était disposé verticalement, aucun équilibrage ne serait plus nécessaire. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté ci-dessus; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, on peut avantageusement associer à chacun des moteurs du manipulateur, autres que ceux portés par le bloc support, des détecteurs de couple montés à la lidloOn 0n entre l'étage de sortie des réducteurs et le support de ces moteurs.. REVENDICATIONS 10/ Manipulateur à moteurs de commande, comportant, articulé autour d'un axe d'épaule porté par un corps monté mobile en rotation autour de son axe propre, un bras muni à une extrémité d'une chape d'articulation autour d'un axe de coude, parallèle à l'axe d'épaule, d'un avant-bras comprenant, indépendamment de son mouvement autour de l'axe de coude, un mouvement d'azimuth correspondant à une rotation de cet avant-bras autour de son axe propre, et une pince partie culée à l'extrémité de l'avant-bras sur un axe de poignet disposé dans un plan parallèle à l'axe de coude, cette pince comprenant, indépendamment de son mouvement d'élévation autour de son axe de poignet, un mouvement de rotation autour de son axe propre et un mouvement de serrage de ses mors, caractérisé en ce qu'il comporte, articulé autour d'un axe parallèle à l'axe d'épaule à l'extrémité du bras opposée à l'axe de coude, un bloc support pour des moteurs de commande et des réducteurs, déterminant, par des organes de transmission tels que câbles,rubans ou chaînes guidés par des poulies montées sur les axes d'articulation de l'épaule, du coude et du poignet, les mouvements de rotation de l'avant-bras autour de son axe propre et les mouvements d'élévation, de rotation et de serrage de la pince, ce bloc support, entraîné autour de son axe sur l'extrémité du bras avec un mouvement de même amplitude et de sens opposé au mouvement de l'avant-bras autour de l'axe du coude à l'autre extrémité du bras, étant agencé de façon telle qu'il assure en permanence l'équilibrage du bras, de l'avant-bras et de la pince autour de l'axe d'épaule. 20/ Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement du bras autour de l'axe d'épaule est réalisé par un moteur porté par le bras lui-même et dont l'arbre de sortie comprend un pignon engrenant avec une couronne solidaire du corps et coaxiale à l'axe d'épaule. 30/ Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement de l'avant-bras autour de l'axe de coude et le mouvement parallèle de même amplitude et de sens opposée du bloc support, sont réalisés par un autre tuteur porté par le corps, entraînant autour de 1 'axe d'épaule au moins une-poulie de commande sur laquelle est fixé un cabre ou une chaîne passant sur une poulie de même diamètre li & d-lavant-bras à l'axe de coude et sur une autre poulie Ogalement-de meme diamètre, liée au bloc support à l'axe de 8On articulation sur le bras. 40/ Manipulateur selon la revendication 3, caracté risO en-ce-que la poulie de commande entraînée par le moteur, est--séparée--en--deux poulies parallèles, entraînant deux câbles passant l'un sur la poulie de l'axe de coude et l'autre sur la poulie de l'axe du bloc support. 50/ Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de transmission du genre câbles rubans ou chaines,entraInés par les moteurs portés par le bloc Support, sont associés à des détecteurs de contraintes, montés sur un prolongement du bras et assurant le contrôle des couples transmis au cours des différents mouvements. 60/ Manipulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les détecteurs de contraintes mesurent pour chaque mouvement, la différence des efforts sur deux organes de transmission antagonistes passant sur les poulies de guidage de l'axe de coude et de l'axe du bloc support. 70/ Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du corps autour duquel s'effectue la rotation d'ensemble du bras, de 1'avant-bras et de la pince est un axe horizontal, disposé à coté du bras, la rotation autour de cet axe étant réalisée par un moteur monté sur une colonne portant le corps et le bras. 80/ Manipulateur selon les revendications 2, 3 et 7, caractérisé en ce que les moteurs, autres que ceux portés par le bloc support, comportent des détecteurs de couples.