Brevet FR2465571A1 — publié le 19810327

Le but des dispositifs mécaniques de préhension, tout comme celui de nombreux autres dispositifs d'auto- mation, est celui d'accomplir des opérations relativement simples et répétitives.Par conséquent, ces dispositifs sont d'autant plus avantageux que leur efficacité et leur souplesse d'utilisation sont grandes, c'est-àdire qu'ils peuvent opérer avec des pièces de dimensions et de formes diverses et qu'ils parviennent à exécuter les différentes phases des opérations de préhension dans des temps compa- tibles avec les cadences du processus industriel dans lequel ils sont utilisés. En raison de ce qui précède, on tend actuelle- ment à développer des dispositifs mécaniques de préhension du type à usages multiples, car ces dispositifs sont en mesure d'accomplir des séquences opératoires différentes et peuvent par conséquent être adaptés avec une certaine facilité à des processus industries différents. L'opération de préhension d'un objet par un dispositife:mécanique de ce genre se déroule essentielle- ment en deux étapes. La première consiste dans l'approche et le contact entre ledit dispositif et l'objet, tandis que la seconde réside dans le positionnement du dispositif de préhension par rapport à l'objet et dans la préhension de ce dernier. L'opération de préhension est suivie par d'au- tres opérations telles que le déplacement de l'objet, son déchargement, son usinage, etc. On connatt déjà des dispositifs de préhension du type à usages multiples; parmi ceux-ci, ceux qui possèdent la plus grande souplesse d'utilisation se révèlent être ceux qui reproduisent la structure morpho- logique et le processus de fonctionnement de la main humaine. Ces dispositifs sont constitués par deux doigts opposés et par une plaque centrale, disposée entre les deux doigts et faisant office de paume. Chaque doigt est doté de phalanges articulées et d'un élément de préhension qui joue le rUle de la pulpe du bout des doigts. Les mouvements des phalanges sont contrôlés par des ressorts de réaction disposés dans les articulations des phalanges et par un cable de traction actionné par des moteurs appropriés, un pour le serrage des doigts et l'autre pour leur ouverture. Les ressorts jouent le rôle des tendons extenseurs de la main humaine, tandis que le câble exerce la fonction des tendons fléchisseurs. Liièce à saisir s'appuie sur les éléments de préhension des deux doigts et sur la plaque qui fait office de paume.Ces trois points de contact déterminent le plan o se manifestent les réactions exercées par les doigts et par la paume au moment o s'effectue la pré- hension. De ce fait, on réalise une prise stable qui permet de soulever correctement la pièce dès que les actions extérieures, par exemple le poids, ont une résultante qui se situe sur ce même plan en formant avec ces réactions un système de forces équilibré en rotation. Toutefois, en raison de leur conformation, ces dispositifs ont un champ d'application assez limité, en ce sens qu'ils ne parviennent à réaliser une prise stable qu'avecdes pièces de forme appropriée et avec une disposition adéquate de ces mêmes pièces par rapport aux doigts et à la plaque. Le but de la présente invention est de créer une main mécanique capable de saisir des pièces de formes différentes et de fonctionner indépendamment de la disposition de ces pièces par rapport à elle-même. Pour atteindre ce but, on a réalisé une main mécanique comprenant des doigts et un élément de support de ces doigts, dans laquelle chaque doigt est constitué par une série de tiges reliées l'une à l'autre par des moyens à charnière et par des moyens élastiques préchar- gés aptes à faire tourner dans un sens prédéterminé chaque tige par rapport à celle qui lui est contigire jusqu'à ce qu'elle bute contre de moyens d'arrêt, de manière - - - - à faire prendre au doigt une configuration de repos prédéterminé, la tige d'extrémité de chaque doigt étant dotée d'un élément de préhension; ladite main mécanque comprend également un câble de traction pour chaque doigt, ledit câble étant fixé à la tige d'extrémité du doigt et étant supporté de manière coulissante par les tiges du doigt qui sont capables de tourner dans un même sens, opposé au sens de rotation imposé par lesdits moyens élastiques; ladite main mécanique comprend d'autre part des moyens d'actionnement reliés aux câbles de traction des doigts, lesdits moyens d'actionnement étant capables de mettre en traction ledits câbles pour déplacer les tiges de chaque doigt à partir de leur configuration de repos et les faire tourner dans le sens opposé au sens de rotation imposé par lesdits moyens élastiques, en amenant l'élément de préhension de chaque doigt dans une position d'appui sur la pièce à saisir, lesdits moyens d'actionnement étant également capables de bloquer en trac- tion lesdits câbles pour maintenir les tiges de chaque doit dans la configuration de travail lorsque la pièce est saisie par les éléments de préhension des doigts, lesdits moyens d'actionnement étant enfin capables d'annuler l'action de traction exercée sur lesdits câbles pour permettre aux tiges de chaque doigt de retourner dans leur position de repos sous l'action desdits moyens élastiques, pour chaque doigt étant prévu un capteur de la force de traction à laquelle est soumis le câble correspondant; ladite main mécanique comprend enfin des moyens de contrôle desdits moyens d'actionnement, consti- -tués par des moyens comparateurs de force à seuil reliés auxdits capteurs, lesdits moyens comparateurs à seuil commandant lesdits moyens d'actionnement pour qu'il bloquent en traction lesdits câbles dès que la force de traction atteint une valeur prédéterminée. at ngrmé de réalisation préférée, ladite main mécanique comprend au moins trois doigts, le câble de traction de chaque doigt étant relié à un actionneur respectif, chaque actionneur étant commandé par un com- parateur à seuil respectif pour bloquer le câble du doigt correspondant dès que la force de traction respec- tive atteint une valeur prédéterminée. 2465571. D'autres caractéristiques et avantages ressor- tiront de la description détaillée qui va suivre d'une forme de réalisation préférée de l'invention, donnée ici à titre d'exemple nullement limitatif en regard des dessins annexés. La figure 1 représente une vue en perspective de la main mécanique selon l'invention. La figure 2 représente une vue de face, par- tiellement en coupe, d'un doigt de la main de la figure 1 0 La figure 3 représente une vue de ceté du doig laDigure 2. La figure 4 représente une vue de c8té de l'élément de préhension d'un doigt de la main mécanique. La figure 5 représente une vue de face partielle du système d'actionnement des doigts de la main mécanique de la figure 1. La figure 6 représente une -vue en coupe du système d'actionnement des doigts suivant la ligne VI-VI de la figure 5. La figure 7 représente une vue partiellEde la transmisaon faisant partie d'un des actionneurs de la figure 5. Conformément à la figure 1, les références 10, 11 et 12 désignent d'une manière générique les trois doigts de la main mécanique, supportés par un plateau 13. Chaque doigt est constitué par quatre tiges articulées exerçant les fonctions de phalanges des doigts de la main humaine. Les tiges du doigt 10 sont désignées par les références 1D 102, 103, 104, celles du doigt 11 par les références 111, 112, 113, 114 et celles du doigt 12 par les références 121, 122, 123, 124. La constitution des doigts est plus clairement visible sur les figures 2 et 3, qui représentent en détail le doigt 10. La tige d'extrémité 101 est articulée en 14 sur la tige intermédiaire 102, tandis que coaxialement à l'axe - 14 est disposé un ressort hélicoïdal 15 préchargé, ayant une extrémité solidaire de la tige 101 et l'autre extrémité t de solidaire de la tige 102. La tige 101 est dotée d'une saillie extérieure 16 susceptible de venir en contact avec une saillie correspondante 17 de la tige 102. Ces deux saillies servent de butée de fin de course pour la rotation en sens horaire (dans le cas de la figure 5) de la tige 101 par rapport à la tige 102. La tige 102 est à son tour articulée en 18 sur la tige intérieure 103, tandis que coaxialement à l'axe 18 est disposé un ressort hélicoïdal 19 préchargé ayant une extrémité solidaire de la tige 102 et l'autre extrémité solidaire de la tige 103. La tige 10_ est pourvue d'une saillie extérieure 20 susceptible de venir en contact avec une saillie correspondante 21 de la tige 103, ces deux saillies jouant le r8le de butée de fin de course pour la rotation en sens horaire de la tige 102 par rapport à la tige 103. La tige 103 est enfin articulée en 22 sur la tige la plus intérieure 104, tandis que coaxialement à l'axe 22 est disposé un ressort hélicoïdal 23 préchargé ayant une extrémité solidaire de la tige 105 et l'autre extrémité solidaire de 13+es1 pourvue d'une saillie extérieure 24 susceptible de venir en contact avec une saillie correspondante 25 de la tige 104, ces deux saillies jouant le rôle de butée de fin de course pour la rotation en sens horaire de la tige 103 par rapport à la tige 104. La tige 104 est à son tour articulée en 26 sur un étrier 27 faisant corps avec une bride 28 qui est fixée au plateau 13 représenté sur la figure 1. Coaxialement à l'axe 26 est disposé un ressort hélicoïdal 29 préchargé ayant une extrémité solidaire de la tige 104 et l'autre extrémité solidaire de l'étrier 27. La tige 104 est elle aussi pourvue d'une saillie extérieure 50 susceptible de venir en contact avec une saillie extérieure 31 corres- pondante de l'étrier 27, ces deux saillies jouant le r8le de butée de fin de course pour la rotation en avant (dans le cas de la figure 3) de la tige 104 par rapport à l'étrier 27. Les ressorts hélicoïdaux 15, 19, 23 et 29 jouent le rôle des tendons extenseurs des doigts d'une main humaine, les ressorts 15, 19 et 23 exerçant sur les tiges respectives une action de rappel dirigée en sens horaire (sur la figure 3), tandis que le ressort 29 exerce sur la tige 104 une action de rappel dirigée en sens anti- horaire (toujours sur la figure 3). La contre-articulation consti- tuée par l'axe 26 et par le ressort 29 permet d'obtenir une hyperextension de la tige 104 dans le sens contraire à celui vers lequel les tiges 101, 102 et 103 sont libres de tourner, comme c'est le cas pour la phalange proximale des doigts d'une main humaine. Les ressorts hélicoïdaux 15, 19, 23 peuvent avoir des caractéristiques différentes et une rigidité croissante en passant du premier au troisième ressort, de manière à obtenir plus de rapidité dans l'opération de phé- hension et une plus grande robustesse des doigts, en raison s réactions différenciées. Pour les mêmes raisons, les précharges des ressorts peuvent également être différentes, et en particulier la fleur de la précharge pourra être croissante en passant du premier au troisième ressort. Par ailleurs, lesdits ressorts pourront être également de type différent (à lames, en caoutchouc, etc.). Chaque doigt est d'autre part doté d'un élément de préhension qui exerce la fonction de la pulpe du bout des doigts d'une main humaine, comme on peut le voir sur la figure 1. L'élément de préhension 32 du doigt 10 est solidaire de sa propre tige d'extrémité 101 et.à cet effet la tige 101 est dotée de bous traversants 33 et 34 (visibles sur les figures 2 et 3) dans lesquels sont enfilés des éléments de liaison qui s'engagent dans des trous corres- pondants 35 et 36 (visibles sur la figure 4) de l'élément de préhension 32. L'élément de préhension 37 du doigt 11 est lui aussi solidaire de sa propre tige d'extrémité 111, tout comme l'élément de préhension 38 du doigt 12 est solidaire de sa propre tige d'extrémité 121. L'élément de préhension représenté à échelle agrandie sur la figure 4 présente une conformation poly- centrique constituée par deux arcs de cercle 39 et 40 cLconvexité tournée vers l'extérieur de l'élément de préhension, Àers l'intérieur. raccordés par un troisième arc de cercle 41 À conexi tonim7 L'élément de préhension est recouvert d'un revêtement 45 en matière appropriée et présentant des caractéristiques qui assurent une souplesse et un coefficient de frottement satisfaisant à sa surface. La conformation des éléments de préhension a permis de réaliser un système "auto-centrant", en ce sens que, dans la phase de préhension de la pièce, les éléments de préhension des trois doigts tendent à lui faire prendre une position o leforces extérieures qui agissent sur la piece!comme le poids) sont équi- librées par les réactions7apparaissent aux pai n de contact avec ces éléments de préhension. La stabilité de la prise est par ailleurs assurée par la conformation donnée aux éléments de préhension et par leur revêtement en matière appropriée. Chaque doigt est doté d'un câble de traction qui exerce la fonction des tendons fléchisseurs des doigts d'une main humaine. Le câble de traction 42 du doigt 10 est fixé à la tige d'extrémité 101 b celui-ci, au niveau d'un appendice 46 visible sur la figure 3. Ce cable 42 est d'autre part supporté de manière coulissante par la tige intermédiaire 102 dudit doigt 10 au niveau d'un appendice 47, et également par la tige intérieure 103 au niveau de l'appendice 48. D'une manière analogue, le cable de traction 43 du doigt ll est fixé à la tige d'extrémité 111 de celui-ci et supporté de manière coulissante par la tige intermédiaire 112 et par la tige intérieure 113, tout comme lè câble de traction 44 du doigt 12 est fixé à la tige d'extrémité 121 et supporté de manière coulissante par la tige intermédiaire 122 et par la tige intérieure 125. Les câbles de traction 42, 43.et 44, qui traversent le plateau 13 par des passages appropriés, sont supportés de manière coulissante par des poulies de renvoi respec- tives 49, 50, 51 et sont rendus solidaires de poulies d'entratnement correspondantes 52, 53, 54, clairement visibles sur la figure 6. Les poulies d'entralnement 2465571 ' 52, 53, 54 sont solidaires d'arbres respectifs 55, 56, 57 sur lesquels sont calées des roues dentées coniques respectives 58, 59, 60 qui engrènent avec des pignons coniques respectifs 61, 62, 63 (voir sur la figure 7 la transmission du câble 42). Les pignons coniques 61, 62, 63 sont à leur tour calés sur les arbres de sortie 64, , 66 de groupes embrayage-frein électriques 67, 68, 69 non représentés en détail, car bien connus de l'homme de l'art (voir, en plus de la figure 1, également les figures 5, 6 et 7). Les groupes embrayage-frein sont fixés à un plateau 93 qui est à son tour assemblé au plateau 13 par l'intermédiaire de montants 70, 71 et 72. Au plateau 93 est également fixé un moteur électrique 75 commun doté d'un frein 74. Sur l'arbre de'sortie 75 du moteur électrique 73 est calé un pignon 76 qui,-par l'intermédiaire d'une chatne 77, entraIne des roues dentées 78, 79, 80 calées sur les arbres d'entrée 81, 82, 83 des groupes embrayagefrein 67, 68, 69. Les câbles de traction 42, 43, 44 sont dotés de détecteurs de la force de traction qui s'exerce sur eux, désignés respectivement par les références 84, 85, 86 et visibles sur la figure 6. Ces détecteurs sont reliés par l'intermédiaire de conducteur 87, 88, 89 à des comparateurs à seuil 90, 91, 92 (montrés sur la figure 1 et sur la figure 6) qui commandent respectivement l'intervention du frein du goupe embrayage-frein 67, 68, 69 correspondant. Les références 94 et 95 désignent les paliers de la poulie de renvoi 49 et la référence 96 le support de l'arbre 55. Les références 97 et 98 désignent les paliers de la poulie de renvoi 50 et la référence 99 le support de l'arbre 56. Enfin, les références 100 et 105 désignent les paliers de la poulie de renvoi 51 et la référence 106 le support de l'arbre 57. Lorsqu'une pièce se présente au niveau des doigts de la main mécanique pour 8tre saisie, le moteur électrique 73 est mis en route et son arbre 75 entraIne, par l'intermédiaire du pignon 76, de la chalne 77 et des roues dentées 78, 79, 8q les arbres d'entrée 81, 82, 83 des groupes embrayage-frein 67, 68, 69; à la suite de quoi, par l'intermédiaire des embrayages desdits groupes, s1-s arbres respectifs de sortie 64, 65, 66 de ceux-ci sont également entraînés en rotation et, par l'intermédiaire des couples coniques 61-58, 62-59 et 63-60, sont également mis en rotation les arbres 55, 56 et 57 des poulies d'en- traInement 52, 53 et 54 des câbles de traction 42, 43 et 44. Ces câbles s'enroulent alors sur leurs poulies respectives en exerçant une action de traction sur les tiges des doigts 10, 11 et 12 contre l'action antagoniste des ressorts hélicoïdaux 15, 19 et 23 des articulations de ces tiges. Ces dernières quittent alors leur position de repos en tournant vers l'intérieur de I main mécanique de manière à amener les éléments de préhension 32, 37 et 38 en contact avec la pièce à gisir. Puis, au fur et à mesure que l'action de traction exercée par les câbles s'accroit, les réactions d'appui exercées par les éléments deréhension sur la pièce augmentent d'intensité jusqu'à ce qu'elles parviennent à contrebalancer les forces extérieures, telles que le poids, qui agissent sur la pièce en question. Au delà d'une certaine valeur de l force de traction, fonction de la raideur des ressorts hélicoïdaux, les tiges les plus intérieures 104, 114 et 124 des trois doigts ont la possibilité de tourner dans le sens contraire à celui dans lequel ont tourné les autres tiges 101, 102, 103, 111, 112, 113 et 121, 122, 123. La valeur de la force de traction exercée par les différents câbles est détectée par le capteur respectif et communiquée au comparateur à seuil correspondant, à la suite de quoi, lorsque la réaction d'appui d'un des éléments de préhension, et par conséquent la force de traction du câble correspondant, atteint la valeur de seuil prédéterminée, ce compaEteur à seuil commande l'intervention du frein du groupe embrayage-frein pour arrêter le câble et bloquer le doigt correspondant dans une position de travail qui assure à la pièce un appui parfaitement stable. Une fois les doigts bloqués tous trois dans leur position de travail, le moteur électrique 73 est lui aussi bloqué par son frein 74. Le seuil de force qui bloque un doigt dans la position de travail pourra être de la m8me valeur pour les trois doigts, mais de préférence il aura une valeur différente pour chacun d'entre eux, de manière à conférer à la main mécanique une plus grande souplesse d'emploi avec des pièces de formes et de dimensions diverses. Lorsque la pièce doit tre déchargée de la main, les freins des trois groupes embrayage-frein sont débloqués, tandis que, par l'intermédiaire des embrayages correspondants, le moteur électrique, en tournant en sens contraire, amène les câbles à se dérouler de leurs poulies respectives, de telle sorte que les tiges des trois doigts retournent dans leur position de repos sous l'action de rappel des ressorts hélicoïdaux de leurs articulations. 2465571; l1 REVENDICATIONS 1.- Main mécanique apte à réaliser la préhension de pièces, caractérisée par le fait qu'elle comprend des doigts (10, 11, 12) et un élément de support (13) de ces doigts, chaque doigt étant constitué par une série de tiges (101-104, 111-114, 121-124) reliées l'une à l'autre par des moyens à charnière (14, 18, 22, 26) et par des moyens élasti- ques (15, 19, 23, 29) préchargés, aptes à faire tourner dans un sens prédéterminé chaque tige par rapport à celle qui lui est contiguë jusqu'à ce qu'elle bute contre des moyens d'arrêt (16, 17, 20, 21, 24, 25, 30, 31) de manière à faire prendre au doigt une position de repos prédéterminée, la tige d'extrémité (101, 111, 121) de chaque doigt étant dotée d'un élément de préhension (32, 37, 38), ladite main mécanique comprenant également un câble de traction (42, 43, 44) pour chaque doigt, chaque câble étant fixé à la tige d'extrémité du doigt et étant supporté de manière coulis- sante par les tiges(102, 103, 112, lT3, 122, 123)du doigt /o pose au seIns/ qui sont capables de tourner dans un même sens,/de rotation imposé par lesdits moyens élastiques ladite main mécanique comprenant d'autre part des moyens d'actionnement reliés aux câbles (42, 43, 44) de traction des doigts, lesdits moyens d'actionnement étant capables de mettre en traction lesdits câbles pour déplacer les tiges de chaque doigt à partir de leur position de repos et les faire tourner dans le sens opposé au sens de rotation imposé par lesdits moyens élastiques, en amenant l'élément de préhension (32, 37, 38) de chaque doigt dans une position d'appui sur la pièce à saisir, lesdits moyens d'actionnement étant également en mesure de bloquer en traction lesdits câbles pour maintenir les tiges de chaque doigt en position de travail alors que la pièce est saisie par les éléments de préhension des doigts, lesdits moyens d'actionnement étant enfin en mesure d'annuler l'action de traction exercée sur lesdits câbles pour permettre aux tiges de retourner dans leur position de repos sous l'action desdits moyens élastiques préchargés, pour chaque doigt étant prévu un capteur (84, 85, 86) de la force de traction à laquelle est soumis le câble correspondant, ladite main mécanique comprenant enfin des moyens de contr8le desdits moyens d'actionnement, constitués par des moyens compaiteurs de force à seuil (90, 91, 92) reliés auxdits capteurs, lesdits moyens compalateurs de force à seuil commandant lesdits moyens d'actionnement de manière qu'ils bloquent en traction lesdits câbles (42, 43, 44) dès que la force de traction atteint une valeur prédéterminée. 2.- Main mécanique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins trois doigts (10, 11, 12), le câble de traction de chaque doigt étant relié à un actionneur respectif, chaque aetionneur étant commandé par un compateur A seuil (90, 91, 92) respectif pour qu'il bloque le cable (42, 43, 44) du doigt respectif dès que la force de traction atteint une valeur déterminée. 3.- Main mécanique selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'actionneur de chaque doigt est constitué par une poulie (52, 53, 54) d'entraînement dudit câble et par un organe embrayage-frein (67, 68, 69) relié à ladite poulie et à un moteur d'actionnement (73). 4.- Main mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que chaque doigt (10, 11, 12) est constitué par quatre tiges (101-104, 111-114, 121124) articulées l'une à l'autre, la quatrième tige (104, 114, 124)la plus intérieure, étant articulée audit élément de support (13), chaque doigt étant doté de trois ressorts hélieoldaux (15, 19, 23) préchargés dont chacun est disposé en correspondance avec un axe d'articu- lation (14, 18, 22) et rendu solidaire d'une tige et de celle qui lui est contigu!, lesdits ressorts hélicoïdaux étant en mesure de faire tourner chaque tige par rapport à la tige contiguë dans un sens prédéterminé jusqu'à ce qu'elle aille buter contre des moyens d'arrêt (16, 17, 20, 21, 24, 25), chaque doigt étant doté d'un quatrième ressort hélicoïdal (29) préchargé, disposé en correspondance avec l'axe d'arti- culation (26) qui relie ladite quatrième tige (104, 114, 124) à l'élément de support (13) et qui est rendu solidaire de cette quatrième tige et de l'élément de support, de manière à faire tourner ladite quatrième tige dans le sens contraire audit sens prédéterminé Jusqu'à ce qu'elle aille buter contre des moyens d'arrêt (30, 31). 5.- Main mécanique selon la revendication 4, caractérisée par le fait que lesdits ressorts hélicoidaux (15, 19, 23, 29) ont une raideur différente, la fleur de la raideur allant en croissant du ressort (15) appliqué à la tige d'extrémité (101, 111, 121) au ressort (29) appliqué à la tige intérieure(104, 114, 124), les précharges des ressorts étant également différentes, la valeur de la précharge allant en croissant du ressort (15) appliqué à la tige d'extrémité au ressort (29) appliqué à la tige intérieure. 6.- Main mécanique selon l'une quelconque des revendicationsl à 5, caractérisée par le fait que ledit élément de préhension (32, 37, 38) présente une forme polycentrique constituée par deux arcs de cercle (39, 40) avec convexité tournée vers l'extérieur de l'élément de préhension, lesdits arcs de cercle étant raccordés par un troisième arc de cercle (41) avec convexité tournée vers l'intérieur dudit élément de préhension. 7.- Main mécanique selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ledit élément de préhension (32, 57, 38) est doté d'un revêtement (45) de matière appropriée ayant un coefficient de frottement et un degré de souplesse convenable.