Brevet FR2427995A1 — publié le 19800104

L'invention a trait à un dispositif de manutention omnidirectionnel. Pour la manutention d'objets de faible encombrement, on connaît déjà différents dispositifs tels que bigue, derrick, pont roulant, grue, potence et autres. Les potences utilisent le repérage d'un point par le système polaire. Le mouvement de levage se fait sur la verticale du point repéré par la lon- gueur du rayon vecteur et l'orientation de celui-ci. Elles desservent donc des aires circulaires en partie ou en totalité. Ces potences sont constituées essentiellement d'une flèche pivotant autour d'un axe de rotation vertical, d'un fût permettant une révolution totale de la flèche et d'une assise sur laquelle repose le fdt. Cette assise est, en général, constituée d'un bloc en béton armé scellé dans le sol. De ce fait, cet appareil de manutention ne peut être déplacé, ce qui présente fréquemment quelques inconvénients. Pour remédier à ce problème, on a conçu des appareils mobiles montés sur une assise pourvue de galets. Un de ces dispositifs connus comporte une tête de support fixée sur un support vertical, un bras comprenant quatre tringles constituant un système de tringlerie parallèle, ledit bras étant articulé à ladite tête de support par l'intermédiaire d'un pivot au moyen duquel deux tringles adjacentes desdites quatre tringles sont reliées mutuellement de façon rotative, un dispositif de retenue qui est relié à l'une des extrémités de l'une desdites quatre tringles, un dispositif d'entraînement qui est disposé sur l'une desdites tringles de façon adjacente à la tringle précitée et un dispositif de transmission de force du type filiforme qui est actionné par le dispositif d'entrâînement précité de manière à pouvoir soulever ou abaisser le bras et dont l'une des extrémités est fixée à la partie desdites tringles adjacentes qui tombe sur un axe rectiligne passant à travers ledit pivot et ladite extrémité de la tringle précitée, un élément rotatif étant disposé sur ladite tête de support et étant enroulé autour dudit dispositif de transmission de force, caractérisé par le fait que la tête de support précitée est pourvue d'un dispositif de réglage sur lequel est fixé de façon rotative ledit élément rotatif, ledit dispositif de réglage étant apte à se déplacer dans le sens horizontal de telle façon que la partie intermédiaire dudit dispositif de transmission de force entre son extrémité précitée et ledit élément rotatif soit disposée en position verticale, déterminant de la sorte l'application d'une tension constante sur ledit dispositif de transmission de force lors du transfert horizontal d'un article maintenu par le dispositif de retenue précité. De même, on connaît un appareil de manutention comportant un bras à déplacement horizontal dont l'extrémité servant de point d'accrochage de la charge est pourvue de moyens de commande, ce bras grimpant et/ou descendant horizontalement le long d'un poteau vertical pivotant autour de son axe vertical sur un socle mobile ou fixe, les déplacements horizontal et vertical étant assurés par un chariot de guidage, muni de moyens moteurs, constituant l'élé- ment de liaison entre le bras et le poteau.Le chariot de guidage comporte trois flasques verticaux constitués de deux flasques externes et d'un flasque intermédiaire dont les faces externes des flasques externes sont pourvues d'un moyen moteur entraînant en rotation un pignon denté coopérant avec des crémaillères solidaires respectivement d'une des faces externes du poteau et du dessus du bras horizontal, le poteau coulissant entre la face interne du flasque externe et la face externe du flasque intermédiaire et le bras horizontal entre la face interne du flasque intermédiaire et la face interne du flasque externe. Toutefois, ces appareils connus nécessitent pour le levage de la charge des moyens moteurs mais, en fonction de la position de la charge, l'ef- fort de traction varie. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de manipulation permettant à un opérateur de commander et de contrôler le déplacement d'une charge dans l'espace sans que cet opérateur ait à développer un effort musculaire important. L'opérateur peut ainsi déplacer une charge lourde à vitesse gestuelle, en l'accompagnant suivant une trajectoire quelconque de l'espace. La charge peut être déplacée en soumettant le dispositif à trois mouvements le déplacement vertical, la translation horizontale et la rotation dans le plan horizontal autour d'un axe vertical. Ces mouvements peuvent être réalisés sépa rément ou combinés au gré de l'opérateur. L'amplitude des mouvements et la valeur des charges ne sont limitées que par le dimensionnement des organes constitutifs. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de manipulation omnidirectionnel caractérisé en ce qu'il comporte une épure telle que l'effort moteur maintenant la charge est constant pour une charge donnée dans l'ensemble de l'espace de travail quelle que soit la position de la charge par rapport à l'axe de pivot. L'invention sera bien comprise en se référant à la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et aux dessins ci-annexés dans lesquels - la figure I est un schéma synoptique d'une première géométrie de construction du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 2 comporte les représentations de la première géométrie après déplacement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement vertical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 3 est un schéma synoptique d'une seconde géométrie de construction du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 4 comporte les représentations de la seconde géométrie après dés la cement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement ver tical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 5 est un schéma synoptique d'une troisième géométrie de cons truc- tion du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 6 comporte les représentations de la troisième géométrie après déplacement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement vertical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 7 est un schéma synoptique d'une quatrième géométrie de construction du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 8 comporte les représentations de la quatrième géométrie après déplacement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement vertical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 9 est un schéma synoptique d'une cinquième géométrie de cons truc- tion du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 10 comporte les représentations de la cinquième géométrie après déplacement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement vertical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 11 est Un schéma synoptique d'une sixième géométrie de construction du parallélogramme du manipulateur conforme à l'invention, - la figure 12 comporte les représentations de la sixième géométrie après déplacement horizontal de la charge (tracé en trait plein) et après déplacement vertical de la charge (tracé en trait mixte), - la figure 13 est une vue en élévation du manipulateur omnidirectionnel conforme à l'invention, selon un premier mode de réalisation de la première géo métrie, - la figure 14 est une vue partielle en coupe suivant ligne de coupe AA de la figure 13, - la figure 15 est une vue en élévation du manipulateur omnidirectionnel conforme à l'invention, selon un second mode de réalisation de la première géométrie, - la figure 16 est une vue partielle en coupe suivant ligne de coupe BB de la figure 15. Les modes de réalisation des géométries selon les figures 3, 5, 7, 9, et 11 sont dérivés du mode de réalisation de la géométrie selon la figure I et comportent chacun des caractéristiques spécifiques ci-après décrites. Les modes de réalisation des géométries selon les figures 1, 3, 5, 7, 9 et Il ne sont pas limitatifs aux seuls tracés de principes représentés. On se réfère aux figures I à 4 et 9 à 12. Le dispositif comporte un guide horizontal I et un bras moteur 2 par lequel s'exerce l'effort moteur appliqué à un axe d'articulation 3 d'un paral lélogramme déformable 4. L'extrémité 5 du bras moteur 2 est reliée à cet axe d'articulation 3. L'aire 6 est déterminée par le parallélogramme déformable 4 constitué d'un côte 7 dont une des extrémités 8 est prolongée par un bras 9 jusqu a un axe d'articulation 10, d'un second côté 11 parallèle au côté 7, d'un troisième côté 12 prolongé jusqu'au point d'accrochage 13 de la charge 14 et d'un quatrième côté 15 parallèle au côté 12 et dont une des extrémités est reliée à l'axe d'articulation 3. Le bras 9 est prolongé par un bras 17 servant de support à un contrepoids 18.Ce bras 17 est solidaire en rotation, autour de l'axe de rotation 10, d'une part, du côté 7 du parallélogramme 4 et, d'autre part, du bras 9. Le contrepoids 18 est un contrepoids d'équilibrage du poids propre des éléments constituant le parallélogramme 4. Par ailleurs, on prévoit un bâti général 19 maintenant en position le guide horizontal 1 et l'axe d'articulation 10 supportant l'ensemble du mécanisme du manipulateur par rapport à un appui général tel que sol 20 ou tout autre support fixe ou mobile. Les côtés 7 et 15 du parallélogramme 4 sont relies entre eux par une articulation 21. De même, le côté 7 est relié au côté 12 par une articulation 22 et le côté 12 au côté 11 par une autre articulation 23. On désigne par 24 la zone d'action du manipulateur. Les limites et contours de la zone d'action sont définis en fonction des dimensions des éléments constitutifs du manipulateur. Dans les figures 5 à 8, on retrouve les mêmes éléments sauf le guide qui n'est plus un guide horizontal 1 mais un guide vertical désigné par le repère 25. Le fonctionnement est le suivant A l'état de repos, c'est-à-dire sans charge accrochée au point 13, ltensemble du mécanisme du manipulateur est en équilibre quelle que soit la position du point 13 à l'intérieur de la zone d'action 24. Cet équilibre est obtenu par les réactions du contrepoids 18 et du bâti général 19. Lorsqu'une charge est accrochée au point 13, l'ensemble du mécanisme du manipulateur est en équilibre -quelle que soit la position du point 13 à l'intérieur de la zone d'action 24. Cet équilibre est obtenu par les réactions du contrepoids 18, du bâti général 19, et de l'action de l'effort moteur exercé par le bras moteur 2. Cet effort moteur exercé par le bras moteur 2 est proportionnel à la valeur de la charge accrochée au point 13 quelle que soit la position de ce point 13 à l'intérieur de la zone d'action 24. Pendant le déplacement du point 13, dans une direction parallèle à la direction du guide 1, le parallélogramme 4 se déforme. Cette déformation entraine - la rotation des bras 9 et 17 autour de l'axe 10, - le déplacement du bras moteur 2 le long du guide 1. Pendant le déplacement du point 13, dans une direction perpendiculaire à la direction du guide 1, le parallélogramme 4 se déforme. Cette déforma tion entraîne - la rotation des bras 9 et 17 autour de l'axe 10, - la modification de la distance de l'articulation 3 au guide 1. Cette distance est la longueur utile du bras moteur 2. La longueur utile du bras moteur 2 varie proportionnellement à la valeur du déplacement du point 13 quand celui-ci se déplace dans une direction perpendiculaire à la direction du guide 1. Pendant le mouvement, donc pendant la variation de la longueur utile du bras moteur 2, ce dernier peut être amené à se déplacer le long du guide I. Pendant ce déplacement, le bras moteur 2 reste toujours perpendiculaire au guide 1. Pendant le déplacement du point 13, dans une direction oblique ou quelconque à la direction du guide 1, le parallélogramme 4 se déforme. Cette déformation est permise par la combinaison du mouvement de rotation des bras 9 et 17 autour de l'axe 10 et du mouvement de déplacement du bras moteur 2 le long du guide 1. A noter la variation de la longueur utile du bras moteur 2. Il y a une analogie de la figure 3 par rapport à la figure 1. En effet, dans la figure 1, le bras 7 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide 1 et le bras 11. Dans la figure 3, le bras 11 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide 1 et le bras 7. L'axe d'articulation 3 est placé entre le bras 7 et le guide 1. De même, il y a une similitude de la figure 5 par rapport à la figure 1. Cette figure 5 est en tous points semblable à la figure 1. Cependant, l'en- semble de sa géométrie a subi une rotation de 90 degrés. Cette disposition a pour conséquence une implantation spécifique du contrepoids 18 et nécessite d'équilibrer le poids propre des éléments motorisant le bras moteur 2, afin de ne pas perturber l'équilibre du système articulé. Il y a également une analogie de la figure 7 par rapport à la figure 5. Dans la figure 5, le bras 7 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide I et le bras 11. Dans la figure 7, le bras 11 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide 1 et le bras 7. L'axe d'articulation 3 est placé entre le bras 7 et le guide 1. De même, il existe une analogie de la figure 9 par rapport à la figure 5. Cette figure 9 est analogue à la figure 5. Cependant, l'effort moteur appliqué à l'axe 3 est dirigé selon un axe vertical, ce qui implique que le guide 1 est orienté selon un axe horizontal. Par ailleurs, il y a une analogie de la figure 11 par rapport à la figure 9. Dans la figure 9, le bras 7 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide 1 et le bras 11. Dans la figure 11, le bras 11 et le parallélogramme 4 sont placés entre le guide 1 et le bras 7. L'axe d'articulation 3 est placé entre le bras Il et le guide 1. On se réfère aux figures 13 et 14 représentant, selon un premier mode de réalisation, un manipulateur omnidirectionnel comportant, conformément à l'invention, l'épure du parallélogramme 4. Le manipulateur 26 comporte un fut 27 dont l'extrémité inférieure 28 est disposée sur un croisillon 29 présentant aux extrémités 30 de ses branches un élément de roulement tels que galets 31, ou encore une embase fixe selon les besoins. L'extrémité. L'extremite superieure 32 du fut 27 présente un pivot de rotation 33 permettant la rotation de la partie supérieure 34 du manipulateur 26 selon le plan vertical 35. La partie supérieure 34 comporte une ossature 36 composée de montants 37, 38 dont les extrémités inférieures 39, 40 sont reliées entre-elles par une traverse 41. La face inférieure 42 de cette traverse 41 est solidaire du pivot de rotation 33. Les extrémités supérieures 43, 44 des montants 37, 38 sont solidaires d'un châssis 45 composé essentiellement de deux traverses 46, 47 présentant à leurs extrémités 48, 49 des paliers 50, 51. Ces paliers 50, 51 servent de support à des glissières 52, 53 sur lesquelles coulisse un chariot 54 sur lequel est fixé un élément moteur 55 tel qu'un moto-réducteur. Sur L'arbre 56 de cet élément moteur 55 est prévue une roue dentée 57 coopérant avec une crémaillère verticale 58. Cette crémaillère verticale 58 correspond au bras moteur 2 de la figure 1.On relie par un axe de rotation 59 l'extrémité inférieure 60 de la crémaillère verticale 58 à l'extrémité inférieure 61 de deux biellettes 62, 63 constituant un des petits côtés de l'épure du parallélogranr me 4. L'extrémité supérieure 64 de ces biellettes 62, 63 est reliée par un axe d'articulation 65 à un bras horizontal supérieur 66 correspondant au côté su périeur 7 de l'ensemble du parallélogramme 4. Ce bras horizontal supérieur 66, relié par un axe d'articulation 67 à un support vertical 68, solidaire des traverses 46, 47, comporte à son extrémité libre 69 un contrepoids 70. L'autre extrémité 71 de ce bras horizontal supérieur 66 est reliée par un axe d'articulation 72 à l'extrémité supérieure 73 d'un bras vertical 74. Ce bras vertical 74 correspond au côté 12 de l'ensemble du parallélogramme 4. On accroche la charge par un moyen quelconque à l'extrémité inférieure 75 du bras vertical 74. Pour compléter l'ensemble du parallélogramme 4, on prévoit entre les biellettes 62, 63 et le bras vertical 74 un second bras horizontal inférieur 76 placé en-dessous du bras horizontal 66. Ce bras horizontal inférieur 76, correspondant au côté inférieur 11 de l'épure du parallélogramme 4, est relié à ses extrémités 77, 78 aux biellettes 62, 63 et au bras vertical 74 par les axes d'articulation 59 et 79. Ainsi, l'ensemble du parallélogramme 4 peut etre déformé, chaque côté pouvant pivoter autour des axes d'articulation 59, 65, 71 et 79. Il est à noter que les trois axes 65, 67 et 69 sont sur un même alignement. En actionnant l'élément moteur 55, on exerce une traction verticale sur la crémaillère 57. Cette traction verticale donne lieu à une répartition des forces dans l'ensemble du système articulé représenté en figures 1 à 12 sous forme d'épure. L'action résultante d'une traction verticale dirigée vers le haut et appliquée au point 59 de la figure 13 ou au point 3 de la figure 1 est un couple de rotation du bras 66 autour du point 67. Cette rotation a pour conséquence la montée du point 75. Si le point 75 est maintenu sur une trajectoire verticale, l'élément moteur se déplace horizontalement le long du bras guide (repère 1 de la figure 1) pour compenser les déformations du système de parallélogramme articulé et inversement. En déplaçant le point 75 à la position 75', les différents éléments occuperont les nouvelles positions indiquées par les repères pourvus d'une apostrophe. Si on déplace horizontalement le point 75 sans actionner l'élément moteur, en raison de l'épure de ce système articule, le point 75 se déplacera bien horizontalement sur une ligne parallèle au guidage 1 de la figure 1. L'é lément moteur se déplacera donc sur ses glissières sous l'effet de la transmission de'la poussée horizontale du point 75, successivement aux points 78 puis 59 et à l'élément de traction maintenu vertical sur le support à glissières de l'élément moteur. En déplaçant le point 75 à la position 75", les différents éléments occuperont les nouvelles positions indiquées par les repères pourvus de deux apostrophes. Il est nécessaire de distinguer que, théoriquement, si les frottements sont négligés, quelle que soit la position initiale du système déformable ar ticulé entre, d'une part, un effort de traction verticale en montée ou en descente ne modifie pas l'équilibre général à l'intérieur des débattements prévus au tracé de l'épure et, d'autre part, un déplacement horizontal du point 13 (figure I) ou du point 75 (figure 13) ne modifie pas l'équilibre général à l'intérieur des débattements prévus au tracé de l'épure. On se réfère aux figures 15 et 16 représentant un autre mode de réalisation du manipulateur omnidirectionnel conforme à l'invention. Selon ce mode de réalisation, l'élément moteur est un vérin 80. Ce verin peut être mécanique, électro-mécanique, pneumatique, hydraulique dont le corps 81 est solidaire du chariot 54 et le piston 82, remplaçant la crémaillère verticale 58, est relié par l'axe de rotation 59 aux biellettes 62, 63. Avantageusement, le vérin 80 est un vérin pneumatique. La pression dans ce vérin est directement proportionnelle à la charge. Quand on allège manuellement la charge 14, on provoque une dépression dans le cylindre. Un système de commande asservi permet la montée de la charge pratiquement sans effort. Si l'effort cesse, la charge reste stable dans sa position d'arrêt.En fin de déplacement vertical commandé, il y a pour la charge une autostabilité de la position obtenue. Pour la descente, il en est de même, sauf que l'on obtient une surpression dans le cylindre immédiatement régularisée par le système de commande asservi. Par ailleurs, le manipulateur omnidirectionnel 83 ne repose plus sur un fdt, mais le châssis 45 est suspendu par des montants 84, 85 à des traverses 86, 87 pourvues d'un pivot de rotation 88 accroché au plafond 89. Bien entendu, ce manipulateur omnidirectionnel 83, à part les quelques modifications indi quées ci-dessus, comporte les mêmes éléments que le manipulateur omnidirectionnel 26 représenté dans les figures 13 et 14 et fonctionne pratiquement de la même manière. Le plafond 89 peut être un support fixe ou mobile. Dans ce cas, il peut s'agir d'un chariot de translation comportant éventuellement une ou plusieurs trajectoires de déplacement dans le but d'utiliser le manipulateur dans une zone supérieure à celle autorisée par ses débattements propres. Le support en question peut également être un engin mobile tels que camion, tracteur, etc. Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments, sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. Revendications 10) Dispositif de manutention omnidirectionnel caractérisé en ce qu'il comporte une epure telle que l'effort moteur maintenant la charge est constant pour une charge donnée dans l'ensemble de l'espace de travail quelle que soit la position de la charge par rapport à l'axe de pivot. 20) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épure du parallélogramme comporte un bras 7, un bras 12 et deux biellettes 11 et 15, ces différents éléments 7, 11, 12, 15 reliés entre eux par des axes d'articulation 3, 21, 22, 23 constituant l'épure du parallélogramme déformable 4. 3 ) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le bras supérieur, de longueur supérieure au bras inférieur et comportant à son extrémité libre un contrepoids, est relié par un axe d'articulation à un support vertical solidaire d'un châssis supporté par un fût. 4 ) Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que l'axe d'articulation, entre le bras supérieur et le support vertical, et les axes d'articulation, reliant le bras supérieur au bras vertical et aux biellettes parallèles, sont disposés dans un même alignement. 5 ) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les biellettes, constituant un des côtés du parallélogramme, comportent à uneex- tremité un axe d'articulation les reliant entre elles ainsi qu'au bras adjacent du parallélogramme et les reliant également à un bras moteur de longueur variable et dont le support coulisse perpendiculairement à l'axe dudit bras moteur. 6 ) Dispositif selon les revendications 2 et 5 caractérisé en ce que l'élément moteur est un moto-réducteur disposé sur un chariot coulissant le long de glissières maintenues par un châssis, ce moto-réducteur cooperant avec une crémaillère dont une extrémité est reliée par l'axe d'articulation à l'ex- trémité des biellettes sur laquelle s'exerce l'effort moteur. 7 ) Dispositif selon les revendications 2 et 5 caractérisé en ce que l'élément moteur est un vérin notamment un vérin pneumatique ou hydraulique dont le cylindre est solidaire du chariot à déplacement horizontal et dont la tige est reliée par l'axe d'articulation à l'extrémité des biellettes sur laquelle s'exerce l'effort moteur. 80) Dispositif selon les revendications 2 et 6 caractérisé en ce que le châssis est monté pivotant sur un support. 9 ) Dispositif selon les revendications 2 et 7 caractérisé en ce que le châssis est suspendu par l'intermédiaire d'une couronne de rotation. 10 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il com porte une épure géométrique définie permettant le déplacement horizontal par simple poussée, soit manuelle, mais à effort très faible, soit motorisée pour les charges importantes. 110) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement vertical est motorisé avec un dispositif de commande par action directe tel que levier autorisant une vitesse, variable ou'non. 12") Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement vertical est asservi de telle sorte que la charge accrochée puisse être déplacée dans l'espace par action manuelle directe sur elle-même, du fait que la charge se trouve auto-équilibrge. 13 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les mouvements verticaux, translation horizontale et/ou rotation, sont asservis et/ ou automatisés. 140) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la charge est maintenue positivement dans une position horizontale ou quelconque en montant une tringlerie de stabilisation de charge pour une quelconque des dispositions. 150) Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que la longueur du bras moteur est fixe pour un déplacement de la charge parallèle au guide et/ou en rotation, cette charge ne pouvant ni monter, ni descendre.