Brevet FR2497138A1 — publié le 19820702

L'invention concerne un bras de travail pour manipulateur, dont la longueur peut être modifiée de façon télescopique. La partie intérieure de l'ensemble télescopique se compose alors de plusieurs tubes concentriques, engagés l'un dans l'autre de manière à pouvoir tourner, en vue des différen- tes fonctions du bras de travail. Cette rotation des tubes étant produite par des arbres rotatifs s'étendant dans la partie supérieure de l'ensemble télescopique. Des bras de manipulateurs, avec plusieurs possi- bilités de mouvement, qui présentent, à l'intérieur, des élé- ments pour la transmission mécanique de mouvements et de forces ainsi que de moments de couples de rotation, sont utilisés principalement dans le cas de manipulateurs à dispositif méca- nique du type parallèle (mattre-esclave). Comme éléments de transmission, on utilise généralement, dans des appareils de ce genre, des cibles en fils d'acier et/ou des bandes d'acier, dans le domaine de l'articulation de main, et également des chaînes à rouleaux dans la pince. De telles constructions sont relativement simples et leurs pièces mobiles ne présentent que de faibles poids. Il suffit à l'opérateur de surmonter de faibles forces de frottement, et il n'éprouve, dans les cas d'accélération et de décélération importantes, que des forces d'énergie réduites. Le manipulateur a une grande sensibilité et l'opérateur obtient une grande adresse et une vitesse de travail élevée. De tels appareils conviennent, en premier lieu, à des cellules dites "chaudes" dans lesquelles sont exécutées des expériences. Les manipulateurs dits parallèles de ce genre avec câbles et bandes métalliques présentent cependant certains inconvénients. Dans le cas de gros travaux, (par exemple le démontage d'éléments combustibles hors de réacteurs nucléaires) ou dans des installations de production à débit important et dans lesquelles sont nécessaires des cycles de longue durée sans arrêt, les appareils de ce genre sont soumis à des sollicita- tions excessives. Afin que les bras, qui, au total doivent présenter six possibilités de mouvement pour emploi à plusieurs fins, ne possèdent pas de dimensions trop grandes qui limite- raient considérablement la capacité de travail, on ne peut prévoir que des câbles de faible diamètre et des bandes n'ayant qu'une largeur réduite. Dans le cas de charges importantes, les forces agissant dans les cSbles, en raison des limitations de diamètre imposées pour les cables et les poulies à câble, ainsi qu'en raison de la grande flexibilité nécessaire, ne peuvent pas être maintenues suffisamment faibles pour que soient évités, après une longue durée de service, des allongements qui, d'après une expérience de plusieurs années, sont fréqu-e.-zmment la cause d'in- cidents et de perturbations de fonctionnement. Les conséquences de ces incidents sont, non seule- ment, des travaux d'entretien et de répara'ion trop souvent nécessaires, liés à des interruptions de service, mais également la cause d'opérations trop fréquentes d'ouverture des sas, qui sont toujours lises à un certain risque de contamination, et à une exposition accrue du personnel aux radiations. En vue d'éviter l'inconvénient principal des mani- pulateurs parallèles, à savoir l'allongement des câbles, la transmission des forces ainsi que des fonctionnements dans le bras est assurée au moyen d'arbres rotatifs et de roues dentées. Ce mode de construction entraîne évidemment une dépense de matériel accrue et nécessite des masses plus importantes à déplacer, et des forces plus grandes à surmonter par l'opéra- teur. Cependant, les forces en marche à vide et les forces d'inertie peuvent 9tre maintenues dans des limites acceptables qui les rendent tolérables mime dans le cas de gros travaux. Partant de cet état de fait, la présente invention a pour but de constituer le bras de travail7 d'un manipulateur, du type décrit au début, de telle manière que, malgré la possi- bilité d'une longue utilisation de celui-ci, soit assurée une transmission exempte d'incidents de toutes les fonctions et forces. Des allongements permanents doivent etre exclus, mine dans le cas de charges importantes. Des allongements élastiques et les écarts de positionnement qui en résultent entre les organes correspondants du bras de travail et de service, doivent être maintenus à une valeur très réduite, de telle sorte que la sensation de contact avec l'objet à manipuler et la sfreté de manipulation soient augmentées. Une attention spéciale doit alors être dirigée vers les emplacements de liaison auxquels doivent être transmis des déplacements de rotation avec simul- tanément un allongement du bras de travail. Dans ce but, la présente invention a pour objet un 3 2497138 bras de manipulateur, du type décrit au début, caractérisé en ce que les extrémités supérieures des quatre tubes qui forment la partie intérieure télescopique, sont montées, au moyen de paliers de roulement superposés, dans un chariot de mécanisme servant de base, qui coulisse dans le tube extérieur de la partie supérieure télescopique, et qui, en conservant sa possi- bilité de coulissement longitudinal transmet sur les tubes de la partie intérieure télescopique, engagés l'un dans l'autre, et pourvus de dentures frontales engrenant entre elles, le déplacement d'entraînement des arbres rotatifs excentrés et extérieurs, constitués comme des tubes à quatre pans, au moyen de bottiers à roulements montés à rotation sur le chariot de mécanisme, qui glissent sur les tubes à quatre pans et présen- tent également des dentures frontales sur une partie de prolon- gement axial. En outre, l'invention propose que le chariot de mécanisme consiste en un carter pourvu d'un couvercle supérieur et d'un fond, le palier extérieur du tube le plus extérieur étant placé au milieu du fond du carter, et le palier extérieur du tube le plus intérieur qui comprend le bottier de palier à billes de celui-ci, étant placé, par contre, au milieu du cou- vercle, le carter de mécanisme contenant à l'intérieur les paliers de roulement qui reçoivent les tubes, concentriquement aux c8tés intérieur et extérieur des supports de couronnes dentées. L'invention prévoit, en outre, que, sur la face supérieure du couvercle de mécanisme est fixée une des extré- mités de la chaîne de traction qui passe sur une roue à chaîne entraîneuse laquelle est fixée, rigidement ou mobile, sur un fond intermédiaire qui est inséré au-dessus du chariot de mécanisme, dans le tube télescopique extérieur, cette roue étant elle-même entraînée par un autre arbre rotatif pour entraîner le déplacement ascendant et descendant du chariot dans le tube extérieur. Il est, en outre, avantageux de prévoir que le chariot de mécanisme présente un évidement latéral dans lequel circule un contrepoids déplaçable dans la partie extérieure du tube télescopique, en sens opposés au déplacement du chariot. Ce contrepoids est guidé dans le tube par un profilé en s'ap- puyant contre ce dernier au moyen de galets, étant fixé à l'autre extrémité de la chaîne, le poids du contrepoids étant égal au poids du chariot de mécanisme avec ses éléments mobiles. Enfin, l'invention propose que le chariot de mécanisme soit guidé dans le tube au moyen d'autres galets qui circulent sur des profilés répartis sur le pourtour intérieur du tube, qui présentent une surface extérieure prismatique! le chariot présentant, sur son Pourtour, des entailles correspon- dantes à cette surface extérieure prismatique. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, l'autre palier de roulement pour le support intérieur du tube télescopique est monté sur le bottier à galets médian, sur son pourtour extérieur, au-dessous du premier palier de roulement. Les arbres rotatifs consistent alors en un tube à quatre pans intérieur et un tube à quatre pans extérieur, les bottiers de galets glissant sur le tube extérieur pour transmettre la rota- tion par engagement de forme. L'avantage particulier de la présente invention réside en ce que le manipulateur ainsi conçu se distingue par des durées de service exemptes d'incidents beaucoup plus lon- gues et une usure de frottement plus réduite, avec des travaux d'entretien et de réparation nécessaires beaucoup moins fré- quents, ainsi que des opérations d'ouverture et fermeture de sas beaucoup moins fréquentes. La description ci-après se rapporte à des exemples de réalisation de l'invention avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue, d'ensemble et en coupe longitudinale, du bras, à échelle réduite, - la figure 2 représente le principe du mouvement dénommé mouvement "z"II, C9est-à-dire le déplacement longitudinal d'un manipulateur, - la figure 3 représente le principe du mouvement de saisie des pinces, - la figure 4 représente le principe de la rotation et de l'inclinaison de la main, - la figure 5 représente le principe d'une rota- tion du bras, Au total, les figures 2 à 5 montrent les fonc- tions qui doivent être transmises dans le mécanisme conforme à la figure 6. 249713E - la figure 7 est une vue en coupe par C-C de la figure 6. - la figure 8 est une vue en coupe, par D-D, de la figure 6. La figure 1 montre le bras de travail d'un mani- pulateur du type dénommé "maitre-esclave" qui consiste, en principe, en un tube télescopique intérieur 1 qui peut être sorti hors du tube extérieur 2. A l'extrémité inférieure, 49, est fixée une pince 51 dont les déplacements les plus divers sont produits par les arbres d'entraînement 50 qui débouchent dans le tube supérieur 2. La position de doublage de la longueur représentée à la figure par un coulissement supplémentaire du fond intermédiaire 35 et l'exécution à double paroi du tube 2 doit rester non considérée pour le problème présentement décrit. Ce problème est expliqué à l'aide des figures 2 à représentant la manière par laquelle les différentes fonctions sont transmises sur une pince 51. Le mouvement désigné par Z, c'est-à-dire le déplacement d'extension ou de sortie de la pince 51 ou du tube télescopique intérieur 1 est représenté en figure 2. Dans ce cas, le tube télescopique 1 doit se déplacer dans la même direction dans laquelle le tube 52 utilisé par l'opérateur se déplace vers le c8té de manoeuvre. Un contrepoids 38 se déplace en sens opposé du tube 1 dans la partie tubulaire supérieure extérieure de l'ensemble télescopique, pour équili- brer le poids, ainsi qu'un contrepoids 53 sur le c8té de manoeu- vre du manipulateur. Le mouvement d'entraînement est transmis, à partir d'un arbre rotatif 36 sur une roue à chatne 34 qui met en mouvement une chaine 33, laquelle déplace le chariot de mécanisme 15 qui sera décrit dans la suite et dans lequel est supporté le tube télescopique intérieur. En plus de ce déplacement Z conforme à la figure 2, les autres fonctions doivent être assurées conformément aux figures 3, 4 et 5. La figure 3 montre le mouvement de saisie de la pince 51, lequel est transmis, à partir du haut, au moyen de l'arbre rotatif centré 7, sur le tube télescopique le plus intérieur 6 avec coulissement longitudinal. L'organe de liaison est constitué par le bottier médian à rouleau 19 qui transmet le mouvement de rotation ainsi que le coulissement longitudinal. La figure 4 montre les autres entraînements pour la rotation et pour l'inclinaison de la main. Des arbres rota- tifs 8 et 10 transmettent le mouvement depuis le c8té de ser- vice sur les tubes partiels concentriques, engagés l'un dans l'autre, 4 et 5 du tube télescopique intérieur 1. L'arbre rota- tif 9 transmet le mouvement de rotation du bras sur le tube concentrique extérieur 3 de l'ensemble télescopique conformément à la figure 5. Des bo tiers à rouleaux 20, 54 et 55 assurent également ici la possibilité de coulissement longitudinal et d'allongement de tous les éléments en les reliant entre eux. L'élément essentiel de la présente construction est représenté, à échelle plus grande, en figure 6 et en coupe par les figures 7 et 8. Il consiste en un chariot de mécanisme , qui assure toutes les fonctions décrites individuellement dans les figures avec les éléments méci'ru-e appropriés à ces fonctions. Il assure le support du tude télescopique intérieur 1 et toutes les transmissions de rotation sur ses composants tubulaires partiels 3, 4, 5 et 6. Le tube télescopique inférieur et intérieur 1 se compose de quatre tubes concentriques en mot- léger. Le tube le plus intérieur transmet le mouvement de fermeture de la pince et les deux autres plus extérieurs 5 et 4 transmettent respectivement le mouvement de pivotement et le miouvement de rotation de la pince. Le dernier tube, le plus à l'e:térieur, 3 assure le mouvement de rotation du tube télescopique r et sert en méme temps de tube enveloppe. Il est guidé dans la par- tie inférieure du tube télescopique 2 par l'intermediaire de galets de roulement 56 (figure 1) et il est maintenu dans le chariot de mécanisme 15, dans l'engrenage de fond 18 (figure 6) par un palier à rouleaux 28 qui absorbe, en outre, les forces de poussée longitudinale. Le chariot de mécanisme 15, qui est l'élément essentiel de ce- ensemble, comprend un carter de mécanisme creux l7 entourant un volume intérieur fermé sur sa face supérieure par un couvercle 16, et qui est monté par boulons sur sa paroi de fond 18. Le couvercle 16 supporte un palier à rouleaux cen- tral 14, lequel entoure le bottier de palier médian 19 et assure sa possibilité de rotation dans le couvercle 16. Dans ce bottier de palier 19, sont montés quatre corps rotatifs 57 avec leurs axes perpendiculaires entre eux, de manière à former dans l'espace libre intérieur 58, un guidage à quatre pans. Dans 2497 138 ce guidage, glisse le tube à quatre pans extérieur 48 de l'arbre de rotation 7 qui sert à la transmission du mouvement de ferme- ture de la pince (figure 3). Dans le tube à quatre pans extérieur 48 est monté le tube à quatre pans intérieur 47, lequel forme la partie supérieure de l'entratnement au-dessus d'un fond intermédiaire , et qui peut être tourné, à partir du c8té de service de l'appareil, par l'intermédiaire de l'arbre d'entraînement 50 (figure 1). Sur la partie inférieure du bottier de palier 19 est monté, sur son pourtour, un autre palier à rouleaux 13, indépendant du palier 14, lequel constitue le guidage intérieur pour les tubes 5, 4, 3 enfichés concentriquement. Autour du palier central 14, sont montés, dans le couvercle 16, les autres paliers à rouleaux 59, 60 et 61 (voir figure 8) qui forment les paliers de support supérieurs des arbres rotatifs extérieurs 8, 9 et 10 dans le chariot de méca- nisme 15. La constitution particulière de celui-ci et le palier de support inférieur correspondant sont représentés en figure 8 comme déterminants de la position-des arbres rotatifs 9 et à l'aide de l'arbre rotatif 8-. Les paliers non visibles, y compris les boîtiers de roulement correspondants 54 et 55 (figure 5 et figure 4), sont identiques. Dans la bague intérieure du palier de roulement 59 est insérée la pièce de prolongement axiale 21 qui a la forme d'un cylindre creux allongé, dont l'espace intérieur est traversé par l'arbre rotatif 8 et qui est monté sur le corps de base 63 du bottier de roulement 20. Le second palier de roulement 64 pour le support de la pièce de prolongement 21 et de l'ensemble de guidage des arbres rotatifs, est situé au-dessus du corps de bottier 63, sur la pièce de prolongement 21 et est immobilisé dans la paroi inférieure 65 du carter de mécanisme 15. Lors d'une rotation de l'arbre 8, le bottier de roulement 20 et également la pièce de prolongement sont mis également en rotation. En même temps, ils peuvent se déplacer vers le haut et vers le bas sur l'arbre rotatif 8. Entre les paliers 59 et 64 est montée, sur la pièce de prolongement, une denture frontale 22, qui transmet la rota- tion sur le tube coaxial 4. Les dentures frontales représentées en traits-point 23 et 24, servent à la transmission de la rotation des arbres 9 et 10 (figures 8 et 9) qui ne sont pas visibles en figure 6, sur les tubes coaxiaux correspondants 3 et 5. Le fond inférieur 18 du mécanisme est alors traverse a rotation par la ou les pièces de prolongement axial 21 sans contact avec lui. Dans ce fond de mécanisme est monté, comme déjà mentionné, le palier de roulement inférieur centré 28 ser-vant de palier principal, qui supporte et maintient le tube télescopique intérieur 1o En plus des paliers et des transmissions de rota- tions décrits, le chariot de mécanisme 15 présente encore un canal de traversée 66, à travers lequel s'étend l'arbre rotatif de soulèvement 36 dont la fonction sera expliquée dans la suite. Ainsi qu'il a été déjà mentionné, les tubes concen- triques 3, 4, 5 et 6 sont supportés, en commun, dans l'espace intérieur 29 du carter, entre les paliers de roulement 13 et 28. Chacun des tubes 4, 5 et 6 dépasse pour cela vers le haut par une partie hors du tube suivant qui lentoure-, et il est relié, a cet endroit, avec un support à couronne dentée en forme de cylindre circulaire creux, respectivement 30, 31, 32o Chacun de ces cylindres présente une denture frontale extérieure 27, 26, 25 de même diamètre, ces dentures étant par conséquernt superposées. Les couronnes dentées 30, 31, 32 sont supportées, l'une dans l'autre et l'une sur l'autre, au moyen de paliers de roulement il et 12, de telle manière que les couronnes de dents 27, 26, 25 soient placées l'une au=dessus de l'autre, et soient en prise avec les dentures frontales 23, 22 et 24. De cette manière, chacun des tuyauxte concentriques 3, 4 et 5 est entratné en rotation par l'arbre rotatif correspondant 9, 8 et 10 et il peut être coulissé en commun avec le chariot de mécanisme avec cependant maintien de la transmission du mouvement de rotation Le guidage du chariot de mécanisme 15 dans le tube a lieu, comme représenté en figure 8, au moyen chaque fois de -alets 44, disposés par paires sur le pourtour du chariot 15 ou de ses éléments 16, 18, dans une position réciproque prisma- tique, et circulent sans jeu sur des profilés 40 qui sont mon- tés dans le tube 2. Ces profilés 40 sont pourvus de surfaces extérieures prismatiques à pans en forme de toit en vue d'une sécurité contre une déformation de torsion. Les profilés 40 s'étendent dans des évidements 46 prévus sur le pourtour du chariot 15. Le mouvement de montée et de descente, c'est-à-dire le déplacement Z du chariot 15, conforme à la figure 2, est produit par une rotation de l'arbre rotatif de soulèvement 36. Cet arbre rotatif de soulèvement de chariot 36 est guidé à coulissement dans un fond intermédiaire 35, lequel supporte letube 2 et peut 9tre disposé, mobile ou fixe, dans un autre tube 67. Dans ce fond intermédiaire 35, est supportée à rotation une roue dentée conique 68 qui est traversée par l'arbre rotatif 36, dans une ouverture à quatre pans 69, assu- rant la liaison à rotation mais permettant un coulissement axial. La roue dentée conique 68 entraîne une autre roue coni- que 70 sur laquelle est montée une roue à cha:ne 34, ces deux roues coniques étant fixées en commun, perpendiculairement à l'arbre rotatif 36, au moyen d'un fond de support 71, sur le fond 35. A travers des ouvertures de ce fond 35, passe une chaîne 33 guidée sur la roue à cha ne 34, et dont une extrémité 42 est fixée sur le couvercle de mécanisme 16 du chariot 15. L'autre extrémité 43 de cette chaîne 33 porte un contrepoids 38. Par une rotation de l'arbre 36, le chariot de mécanisme 15 peut ainsi déplacer le contrepoids 38 en circulant dans des directions opposées. On obtient ainsi, lors d'une sortie du tube télescopique intérieur 1, un équilibrage des poids et des couples. Le guidage du contrepoids 38, lequel traverse un évidement latéral 37 du chariot 15 pour glisser devant celui-ci, est représenté en figure 8. Il glisse alors dans une sorte de paliers à trois points, sur la face intérieure du tube extérieur supérieur 2. Un profilé à tête ronde 39, sur lequel roule latéralement la roue de profilé 72 articulée à rotation sur le contrepoids 38, assure le guidage dans le sens radial, vers l'intérieur, les galets 41, prévus sur le contrepoids 38, assu- rent l'appui par rapport au tube 2, vers l'extérieur. Une cons- truction à contrepoids ou analogue peut également être prévue sur le bras de manoeuvre du bras de travail, de telle sorte que les moments de couples des deux bras sont équilibrés l'un par rapport à l'autre (figure 2). REVENDICATIONS R E V E N D --I CATIO N S 1 ) Bras de travail pour un manipulateur avec réglage télescopique de sa longueur, la partie intérieure téles- copique se composant de plusieurs tubes concentriques engagés l'un dans l'autre de manière à pouvoir tourner en vue des dif- férentes fonctions à remplir par le bras de travail, cette rota- tion des tubes étant produite par des arbres rotatifs s'éten- dant dans la partie supérieure de l'ensemble télescopique, bras caractérise en ce que les extrémit4s supérieures des quatre tubes (3, 4, 5, 6) qui forment la partie intérieure (1) téles- copique, sont montées au moyen de paliers de roulement (11, 12, 13, 14, 28) superposés, dans un chariot de mécanisme (15) ser- vant de base, qui coulisse dans ie tube e:térieur (2) de la partie supérieure télescopique, et cqui en conservant sa possi- lS bilité de coulissement longitudinal transmet sur les tubes (3, 4, 5, 6) de la partie intbrieure télescopique, engagés l'un dans l'autre, et pourvus de dentures frontales (25, 26, 27) engrenant entre ellest le dêplacemernt d'entra nement des arbres rotatifs (8, 9, 10) excentrés et exterieurs, constituAé co.mme des tubes à quatre pans, au moyen de bottiers à roulements (20) montés à rotation sur le chariot de micanisme, qui glissent sur les tubes à quatre pans (8 9e 10) et presentent également des dentures frontales (22, 23, 24) sur une partie de prolonge- ment axial (21). 2 ) Bras de travail suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le chariot de mécanisme (15) consiste en un bottier ou carter {17), pourvu d'un couvercle supérieur (16) et d'un fond (18), le palier extérieur (28) du tube le plus extérieur (3) étant disposé au milieu du fond (18) du mécanisme, -tandis que l'autre palier (14) du tube le plus intérieur (6) qui comprend le boîtier à roulements (19) qui le guide, est disposé, par contre, au centre du mécanisme (16), et contient dans sa cavité intérieure (29) les paliers de roulement (11, 12, 13) superposés, qui recoivent concentriquement les tubes (4, 5, 6) sur la face intérieure et la face extérieure des supports de couronnes dentées (30, 31, 32). 3 ) Bras de travail suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, sur la face supérieure du cou- vercle de mécanisme (16), est fixée une des extrémités (42) de la cha ne (33), qui passe sur une roue à chaîne (34) entraînée, 2497 138 laquelle est fixée sur un fond intermédiaire (35) disposé, fixe ou mobile, au--dessus du chariot de mécanisme (15) dans le tube télescopique extérieur (2), et qui est entratnée par un autre arbre rotatif (36) dans le tube extérieur (2) pour réali- ser le mouvement ascendant ou descendant du chariot. 4 ) Bras de travail suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le chariot de mécanisme (15) présente un évidement latéral (37), dans lequel circule vers le haut et vers le bas, en sens opposé du-chariot (15) un contrepoids (38) dans la partie extérieure du tube télescopique (2), étant guidé par un rail profilé (39) dans le tube (2) et qui s'appuie contre celui-ci au moyen de galets (41), et qui est fixé à l'autre extrémité (43) de la chatne (33). ) Bras de travail suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la masse du contrepoids (38) est égale à la masse du chariot de mécanisme (15) avec ses éléments mobiles. ) Bras de travail suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chariot de méca- nisme (15) est guidé dans le tube (2) au moyen d'autres galets (44) qui circulent sur des profilés (40) répartis sur le pour- tour intérieur du tube (2) et qui présentent une surface exté- rieure prismatique. ) Bras de travail suivant la revendication.6, caractérisé en ce que le chariot de mécanisme (15) présente, sur son pourtour, des entailles (46) correspondant aux surfaces extérieures prismatiques (45). 8 ) Bras de travail suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, sur le bottier de galets médian (19) est monté, sur le pourtour extérieur, au- dessous du palier de roulement (14), le palier (13) pour le support intérieur des tubes (3, 4, 5). ) Bras de travail suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les arbres rotatifs (7 à 10) consistent en un tube à quatre pans intérieur (47) et un tube à quatre pans extérieur (48), et les bottiers à galets (19, 20) roulent sur le tube extérieur pour transmettre la rota- tion par engagement de forme.