Brevet FR2483300A1 — publié le 19811204

MANIPULATEUR INDUSTRIEL PERFECTIONNE. La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux systèmes manipulateurs constitués essentiellement par un bras formé d'une pluralité d'éléments articulés les uns par rapport aux autres. Elle a trait plus particulièrement à un système perfec tionné de compensation des éléments constituant le bras articulé par rapport à leurs axes de rotation. Les manipulateurs industriels sont des ensembles techniques qui servent à positionner et à orienter une "charge" en tous points d'un espace fonction des dimensions et du nombre de degrés de liberté.que possède un tel manipulateur. En général, de tels ensembles comportent six degrés de liberté, trois destinés au positionnement et trois à l'orientation. A ce jour, on distingue essentiellement deux types de manipulateurs suivant que leurs mouvements sont assurés en majorité par des translations ou des rotations. La présente invention concerne plus particulièrement un perfectionnement au second type de manipulateur qui, d'une manière générale, est constitué essentiellement d'un bras articulé formé d'une pluralité d'éléments individuels constituant une série d'articulations ou chacune doit entraîner les suivantes et est située en porte-à-faux par rapport à la pré- cédente. De tels ensembles doivent non seulement permettre d'obtenir une très grande précision mais également permettre d'assurer descadences d'exploitation élevées. Par suite, il est nécessaire de réduire les couples statiques et dynamiques engendrés par la structure de manière à limiter en particulier la taille des actuateurs, ce qui est particulièrement important lorsque ces éléments sont constitués par des moteurs électriques qui ont une faible puissance massique. Les bras manipulateurs dits "mous" s'affranchissent pour une bonne part des problèmes d'inertie et donc de couple statique de la structure en utilisant des transmissions à câble ou ruban permettant de loger des actuateurs en dehors du bras proprement dit. Dans ces conditions, il est possible d'obtenir -une compensation avec des contrepoids malgré l'augmentation de l'inertie qu'une telle solution présente. Néanmoins, l'élasticité importante de ce type d'appareil limite considérablement sa bande passante mécanique, et par la même ses performances dynamiques. On lui préfère souvent dans l'industrie un autre type dit manipulateur "rigide" qui, par opposition au premier, présente certes une structure alourdie mais bénéficie d'une plus grande raideur. Or, pour un tel type de manipulateur, le problème essentiel qui se pose est celui de la compensation des couples statiques des éléments constituant le bras articulé. Une telle compensation est généralement assurée - soit par un contrepoids, solution qui a l'avantage de pouvoir s'appliquer à deux articulations, mais qui augmente considérablement l'inertie et de ce fait, les couples dynamiques à fournir par les actuateurs, - soit par vérin,- solution qui a l'avantage dune faible inertie mais qui ne peut être appliquée qu'à la première articulation mais qui donc ne compense que partiellement les couples statiques. La présente invention apporte une solution à ce problème, cette solution permettant d'obtenir un bras articulé entièrement compensé et qui, par ailleurs, présente l'avantage de n'avoir qu'une faible inertie. D'une manière générale, l'invention concerne donc un manipulateur industriel du type comportant un bras articulé constitué d'au moins deux éléments montés pivotants l'un par rapport à l'autre, la base du premier étant fixée de manière articulée sur un support tournant dans un plan horizontal et l'extrémité du second comportant des moyens de préhension de la charge à manipuler, moyens également articulés par rapport à ce second élément, ledit bras étant associé - à des moyens de commande permettant d'assurer les dé- placements relatifs des différents éléments constituant le bras, à a des moyens de'compensation des couples statiques des deux éléments articulés par rapport à leurs axes de rotation ainsi que celui engendré par le deuxieme élément ramené sur son axe de rotation.Le manipulateur selon l'invention se caractérise par le fait que lesdits moyens de compensation qu'il comporte sont constitués - d'une part, par un premier vérin monté sur le socle pivotant dont la tige agit sur le premier élément articulé afin de compenser le couple statique de cet élément, - d'autre part, par une deuxième vérin également monté sur le socle et dont la tige exerce un effort de traction sur un bras de levier dont l'axe de rotation coïncide avec celui du premier élément, une transmission reportant le couple ainsi obtenu à l'axe de rotation du deuxième bras et liant la position angulaire du bras de levier celle du deuxième élément indépendamment de celle du premier ce qui permet de réaliser la compensation du couple dudit second élément. Avantageusement, la transmission qui permet de reporter le couple obtenu à l'axe de rotation du deuxième élément et de lier la position angulaire du bras de levier à celle du deuxième élément indépendamment de celle du premier est réalisée dans un rapport de 1 et est constituée d'un tambour solidaire de l'articulation du deuxième élément de bras et un deuxième tambour libre autour de l'axe de rotation du premier élément de bras, ces deux tambours étant liés en rotation par l'intermédiaire de tout élément de transmission approprié tel qu'un câble, une chaîne, une courroie, un ruban... De plus, l'effort de traction exercé par le deuxième vérin est avantageusement obtenu en montant ce vérin à l'aide d'une chappe qui permet de le relier, d'une part audit tambour libre afin de constituer ainsi un système bielle-manivelle dont le bras de levier est choisi de telle sorte qu'il demeure faible devant la longueur dudit vérin, d'autre part au socle tournant dudit manipulateur. Les vérins de compensation seront de préférence alimentés en fluide hydraulique sous pression par deux accumulateurs hydropneumatiques de telle sorte qu'ils engendrent un effort pratiquement constant si les volumes desdits accumulateurs sont suffisamment importants par rapport aux volumes d'huile dépla cés par la course desdits vérins. Eventuellement, le rapport de la transmission reportant le couple peut être supérieur à 1 de manière à compenser partiellement les erreurs dues aux variations de pressions des accumulateurs et d'orientation de l'effort de traction sur la plage de rotation du tambour libre. De préférence, la transmission est intégrée dans le premier élément du bras qui forme ainsi un carter de protection et les vérins sont également intégrés dans le socle tournant. Enfin, le circuit hydraulique d'alimentation du vérin comportera un étranglement réglable permettant d'introduire un amortissement visqueux constant ajustable. L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre illustratif mais non limitatif et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation en section suivant un plan AA (figure 2) du bras manipulateur suivant l'invention, - la figure 2 est une representation en section suivant un plan BB (figure 1) d'un tel bras manipulateur. Si l'on se reporte aux schémas annexés, le manipulateur industriel conforme à l'invention est du type constitué par un bras articulé comportant au moins deux éléments 1, 2, le second élément 2 étant monté pivotant autour d'un axe 3 à l'extrémité du premier élément 1. La base du premier élément l--est montée sur un support tournant 4 autour d'un axe de rotation vertical 5, ledit-premier élément 1 pouvant également pivoter autour d'un axe 6 solidaire de la base 4. A l'extrémité du second élément 2, sont fixés des moyens de préhension (non représentés) permettant de saisir la"charge" à manipuler. Ces moyens de préhension sont également articulés, de manière connue,à l'extrémité dudit second élément 2. La commande des déplacements des éléments 1, 2, autour des axes 3 à 6 est obtenue à l'aide d'actuateurs (par exemple un moteur électrique' non représenté), un moteur 7 agissant sur l'axe 6 par l'intermédiaire d'un système réducteur 8 à pignons droits (non représentés) qui transmet un déplacement angulaire à l'axe 6 sur lequeleest monté le premier élément 1 et par un moteur monté à l'extrémité de l'axe 9, disposé dans le prolongement de l'axe 6, et dont la rotation est communiquée à l'axe 3 par l'intermédiaire d'un ensemble réducteur 10 également à pignons droits, ledit ensemble étant logé à l'intérieur du premier élément de bras A. Par ailleurs, un moteur commande également la rotation du support 4 autour d'un axe vertical 5. Conformément à l'invention, ce manipulateur est associé à des moyens de compensation qui sont constitués essentiellement de deux vérins 11, 12 fixés et intégrés dans l'embase 4 déplaçable autour de son axe vertical 5. Le vérin 11 exerce un effort de traction directement sur le premier élément de bras 1 et permet de compenser le couple statique de cedit élément. Le deuxième vérin 12, également groupé sur le socle 4 exerce un effort de traction sur un bras de levier dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe 6 du premier élément de bras. Dans le cas présent, le vérin 12 agit sur un tambour 13 qui est monté libre autour de l'axe d'entraînement 6 du premier élément de bras A. Une transmission, constituée dans le cas présent par un chaîne 14, mais qui pourrait éventuellement être remplacée par tout élément équivalent telle quBune trans- mission par courroies ou similaire, permet de reporter le couple obtenu à l'axe de rotation 3 du second élément 2 de bras. Pour cela, la transmission 14 passe sur un tambour 15 monté fixe sur l'axe d'entraînement 3 du deuxième élément 2 de bras. Comme dit précédemment, l'axe 3 est l'arbre de sortie d'un réducteur 10 intégré-dans le premier élément de bras 1 et entraîne en rotation le deuxième élément de bras 2.Ce ré ducteur 10 à engrenage 3, permet de disposer le moteur d'entraînement (non représenté) au niveau de la première articu- lation constituée par l'axe 6, dans le cas présent à l'extrémité de l'arbre 9 cité dans le prolongement de cet axe 6. Les deux vérins 11, 12 sont alimentés, de manière connue, en fluide hydraulique sous pression par deux accumulateurs hydro-pneumatiques (non représentés) ayant un volume suffisamment important par rapport aux volumes d'huile déplacés par la course des vérins de manière à ce que ces vérins engendrent un effort pratiquement constant. Avantageusement, le rapport de transmission entre le tambour 13 et le tambour 15 est supérieur à 1 de manière à compenser partiellement les erreurs dues aux variations de pression. des accumulateurs et d'orientation du tambour libre 13. Le circuit hydraulique d'alimentation des vérins peut comporter un étranglement réglable permettant d'introduire un amortissement visqueux constant ajustable. Par ailleurs, un des avantages apportés par l'invention réside également dans le fait, comme cela ressort bien des schémas annexés, qu'il est possible d'intégrer la transmission dans le premier élément de bras 1 qui forme donc un carter de protection, les vérins 11, 12 étant également logés à l'inte- rieur du socle tournant 4. Le fonctionnement d'un tel manipulateur est le suivant. Suivant la position angulaire des deux éléments de bras 1, 2 d'une part, l'un par rapport à l'autre et, d'autre part, par rapport au socle 4, les vérins hydrauliques 11, 12, ali mentés par les accumulateurs hydro-pneumatiques permettent de compenser les couples statiques des deux éléments de bras 1,2 par rapport à leurs axes de rotation - 3 et 6 ainsi que celui engendré par le poids du deuxième élément de bras 2 ramené sur son axe de rotation 3.En effet, le couple statique du premier élément de bras et celui engendré par le deuxième élément 2 ramené sur son axe de rotation 3 est équi libré par le premier vérin 11 agissant directement sur le pre mier élément de bras 1 de préférence en un point dont la position est légèrement excentrée par rapport à l'axe principal de ce bras afin d'atténuer les erreurs provenant des variations d'Drientation et de pression du vérin. Le couple de compensation du deuxième élément de bras 2 est fourni par le deuxième vérin 12 qui agit sur le tambour 13 qui recopie la position angulaire du deuxième élément de bras 2 grâce à la transmission 14 qui passe autour du second tambour 15 fixé à l'extrémité de l'arbre 3 commandant la rotation du deuxième élément de bras 2. De cette manière, on obtient une compensation très précise des couples statiques des deux bras par rapport à leur axe de rotation ainsi que celle du couple statique engendré par le deuxième élément de bras- sur l'axe de rotation 6 du premier élément. Un tel manipulateur présente donc de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer - une compensation statique de la totalité du bras tout en permettant des débattements angulaires importants des articulations, - une intégration du système à l'intérieur du bras manipulateur lui-même, - une compensation des couples statiques sans augmentation notable des inerties, - un amortissement visqueux ajustable sur les rotations des deux articulations concernées, - des performances dynamiques accrues par le fait de la réduction de la charge imposée aux actuateurs des deux éléments constituant ledit bras. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. REVENDICATIONS 1/ Manipulateur industriel du type comportant un bras articulé constitué d'au moins deux éléments 1, 2 montés pivotants l'un par rapport à l'autre, la base du premier élément 1 étant montée sur un support tournant 4 dans un plan horizontal et 1 'extrémité du second élément 2 comportant des moyens de pré- hension de la charge à manipuler, moyens articulés par rapport audit élément 2, ces éléments étant associés - à des moyens de commande permettant d'assurer leur déplacement, - à des moyens de compensation du couple statique des deux éléments par rapport à leurs axes de rotation ainsi que celui engendré par le -deuxième élément 2 ramené sur l'axe de rotation 6 du premier élément. caractérisé par lé fait que lesdits moyens de compensation sont constitués - d'une part, par un premier vérin 11 monté sur le socle pivotant 4 et dont la tige agit sur le premier élément 1 afin de compenser le couple statique dudit élément, - d'autre part, par un deuxième vérin 12 monté également sur le socle 4 et dont la tige exerce un effort de traction sur un bras de levier dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe 6 du premierélément, une transmission 14 reportant le couple ainsi obtenu à l'axe de rotation 3 du deuxième élément 2 et liant la position angulaire du bras de levier à celle du deuxième élément indépendamment de celle du premier ce qui permet de réaliser la compensation du couple dudit second élé- ment 2. 2/ Manipulateur industriel selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la transmission qui permet de reporter le couple obtenu à l'axe de rotation 3 du déuxième élément 2 et de lier la position angulaire du bras de levier à celle du deuxième élément 2 indépendamment de celle du premier 1 est réalisée dans un rapport de 1 et est constituée d'un tambour 15 solidaire de l'articulation du deuxième élément de bras 2 et d'un deuxième tambour 13 libre autour de l'axe de rotation 6 du premier élément de bras, ces deux tambours 13, 15 étant liés en rotation par l'intermédiaire d'un élément de transmission approprié tels qu'un câble, chaine, courroie. 3/ Manipulateur industriel selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'effort de traction exercé par le deuxième vérin 12 est obtenu en montant ce vérin 12 à l'aide d'une chappe qui permet de la relier, d'une part, au tambour libre 13 afin de constituer ainsi un sytème bielle-manivelle dont le bras de levier est choisi de telle sorte qu'il demeure faible devant la longueur dudit vérin, d'autre part, au socle tournant 4 dudit manipulateur. 4/ Manipulateur industriel selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les vérins de compensation 11, 12 sont alimentés en fluide hydraulique sous pression--par deux accumulateurs hydro-pneumatiques.