Brevet FR2498512A1 — publié le 19820730

La présente invention se rapporte à un système de timonerie de type pantographe, destiné à équiper des ma- nipulateurs ou outils analogues, notamment ceux qualifiés couramment de bras automatiques pour robots. Des timoneries du type pantographe sont bien connues pour monter des lampes, comme le décrit, par exemple, le brevet GB-583 687. Des timoneries de type comparable ont été proposées pour équiper des manipulateurs de micros- copes ou de dissection, comme le décrit le brevet GB-690 494. Il a en outre été proposé (brevet GB-1 478 886) d'utiliser des timoneries de type pantographe dans des grues et engins analogues, pour permettre le déplacement bidimensionnel de charges sur des trajets contrôlés prédéterminables. Cependant, de telles timoneries de l'art anté- rieur se sont plus ou moins avérées n'être efficaces que pour permettre des déplacements en ligne droite dans deux dimen- sions, et/ou bien ellesn'ont pas été à même de maintenir cons- tante l'orientation de l'outil ou élément analogue en mouve- ment lors d'un déplacement tridimensionnel. La présente invention a pour objet de proposer une tringlerie ou timonerie pouvant effectuer des déplace- ments rectilignes dans trois directions, auquel cas un outil ou élément analogue monté sur cette timonerie peut être main- tenu dans une orientation spatiale constante lors de ses déplacements dans les trois dimensions. Il est toutefois évident que l'invention peut aussi être appliquée dans les cas o il n'est pas nécessaire de maintenir constante l'orienta- tion d'un outil déplacé dans trois dimensions,et le déplace- ment peut alors avoir lieu seulement dans une ou deux direc- tions choisies sans affecter l'orientation d'un outil. Selon un aspect de l'invention, un manipula- teur comporte une paire de pantographes reliés l'un à l'autre pour constituer les éléments opposés d'un parallélogramme articulé, lesdits pantographes présentant à leur tour des premier et second bras qui agissent chacun comme une articu- lation du parallélogramme, des moyens pour maintenir mutuel- lement assujetties les interconnexions des articulations du parallélogramme, ainsi que des moyens destinés à imprimer aux pantographes des mouvements linéaires d'entrée dans les trois dimensions. Dans ce cas, un déplacement tridimen- sionnel d'un outil ou élément analogue convenablement fixé aux pantographes peut avoir lieu tout en maintenant constan- te l'orientation spatiale de cet outil. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une élévation schématique 1O d'une timonerie de type pantographe selon l'invention la figure 2 est une vue schématique de la timonerie de la figure 1, mettant en évidence la manière dont peut avoir lieu un déplacement vertical (axe des Z) de cette dernière; la figure 3 est une vue schématique de la timonerie de la figure 1, mettant en évidence la manière dont un mouvement horizontal (axe des X) peut avoir lieu les figures 4a et 4b sont des vues schémati- ques en plan et en élévation, respectivement, de la timonerie de la figure 1, mettant en évidence la manière dont peut avoir lieu un déplacement latéral (axe des Y); et la figure 5 est une perspective en éclaté avec arrachement illustrant un manipulateur équipé de la timonerie de pantographe selon l'invention. Sur les dessins, les éléments correspondants ont été affectés des mêmes références numériques. Sur la figure 1, une timonerie de type panto- graphe comporte une paire de bras l et 2 montés pivotants en 3 et reliés l'un à l'autre par des biellettes 4 et 5, qui sont fixées de manière pivotante auxdits bras en 6 et 7, respectivement, et l'une à l'autre en 8. Les biellettes 4 et 5 délimitent un parallélogramme avec les zones adja- centes des bras 1 et 2. Les longueurs a et c des biellettes 4 et 5, respectivement et d et b des zones libres respectives des bras 1 et 2, sont telles que b = c = m, o m représen- te le facteur de multiplication. Des mouvements d'entrée dans les trois dimen- sions imprimés à une extrémité libre 9 du bras 1 ou au point 24985 12 de pivotement 8 (en maintenant un point qui n'est pas déplacé lors d'un mouvement de translation) entraînent un déplacement parallèle d'une extrémité libre 10 du bras 2, dont l'importance est déterminée par la valeur de m. Les extrémités 9 et 10 des bras 1 et 2, respectivement, restent par conséquent sur une ligne droite passant par le point 8, malgré la plage de déplacement autorisée par la ti- monerie. Avec une timonerie classique de type panto- graphe telle que décrite, il est manifeste que l'orientation du bras 2 varie lors d'un mouvement du pantographe et que, de ce fait, l'orientation d'un outil, dispositif de préhen- sion ou mécanisme analogueassujetti à l'extrémité libre 10 dudit bras varie de la même manière. Une telle variation de l'orientation peut, comme on le sait, être évitée en dis- posant d'autres biellettes 11 et 12 parallèlement aux biel- lettes respectives 1 et 2, pour former deux parallélogrammes articulés. Les extrémités de ces parallélogrammes articulés sont maintenues dans des orientations relatives fixes, par exemple au moyen d'une console 13 sur laquelle se trouvent le point de pivotement 3 des bras 1 et 2, ainsi que des points de pivotement 3' et 3" des biellettes parallèles 11 et 12. Commodément, comme dans le cas illustré, l'agence- ment est tel que les extrémités des deux parallélogrammes articulés soient maintenues à angles droits les unes par rapport aux autres, mais d'autres orientations relatives peuvent être choisies si on le désire. Il résulte de l'agencement décrit ci-dessus que lorsque le mécanisme se déplace dans des directions qui, par commodité, peuvent être qualifiées d'horizontales ou verticales, ou bien lors de combinaisons de tels mouve- ments,dans le plan des dessins, l'extrémité 10 du bras 2 et une extrémité 10' de la biellette 12 conservent une orientation fixe. Les figures 2, 3 et 4 illustrent la manière dont la timonerie de type pantographe peut être déplacée. On admettra que l'axe des Z correspond au mouvement vertical du système (figure 2), que l'axe des X correspond au mouvement horizontal dans le plan des dessins (figure 3) et que l'axe des Y correspond à des mouvements latéraux ou mouvements de la- cet (figures 4a et 4b). Dans tous les cas illustrés, un mouvement de translation des pivots 9, 9' du bras 1 et de la biellette 11, respectivement, est interdit>tandis que le mécanisme est actionné par une force d'entrée appliquée au point 8. Comme mentionné ci-avant, un mouvement de l'ex- trémité libre 10 du bras 2 et de l'extrémité correspondante ' de la biellette 12 est, dans tous les cas, parallèle au mouvement appliqué au point 8 et, comme cela est égale- ment illustré, l'orientation spatiale des points 10 et la' reste constante pendant les mouvements, comme illustré par les positions alternatives représentées. Ainsi, un outil, un porte-outil ou un organe analoguejfixé de manière appro- priée entre les points 10 et 10' ou par rapport à ces der- niersest maintenu dans une orientation constante. Bien que cela n'ait pas été représenté sur les figures 1 à 3 dans un but de clarté, la timonerie de type pantographe selon la présente invention comporte en fait, comme le montrent les figures 4a et 4b, deux tringle- ries de type pantographe agencées pour agir parallèlement et reliées l'une à l'autre de telle sorte que cette paire de timoneries constitue un parallélogramme articulé. Dans ce cas, lorsque l'ordonnée Y du mécanisme est déplacée, l'orientation d'une extrémité 10" des timoneries de type pantographe combinées est maintenue constante. Il est évi- dent qu'un mouvement rectiligne peut être assuré entre deux points quelconques dans l'espace par une simple interpolation. La manière précise dont le système articulé est construit, ainsi que la manière dont les nombreux paral- lélogrammes articulés qu'il renferme sont agencés pour fonc- tionner, dépendent dans une large mesure du choix considéré, par exemple de la nature des sources d'entraînement primaire qui peuvent être utilisées pour actionner le système. La figure 5 illustre cependant un exemple d'un bras de manipula- teur assurant le déplacement rectiligne d'un porte-outil selon des coordonnées cartésiennes XYZ par de simples mouvements d'entrée rectilignes. Dans la forme de réalisation illustrée, les timoneries de type pantographe sont montées sur une structure de base ou bâti 20 sur lequel reposent une paire de montants 21 et 22. Les extrémités inférieures des biellettes 5 sont fixées à des émerillons 23 supportés par le montant 21 et les extrémités inférieures des bras 1 et des biellettes 11 sont fixées de manière correspondante à des consoles oscillantes 24 supportées par le montant 22. Un porte-outil 30 sous la forme d'un dispositif de préhension est monté aux extrémités libres des bras 2 et des biellettes 12. Le déplacement dans le sens de l'axe des Z est as- suré par un organe d'entraînement tel qu'un moteur 25 pas à pas qui entraîne un mécanisme à filetage agissant sur le mon- tant 21. Un mouvement dans le sens de l'axe des X est assuré par un organe d'entraînement comparable 26, grâce auquel le mon- tant 22 peut coulisser vers le montant 21 et à l'écart de ce dernier. Un mouvement dans le sens de l'axe des Y est assuré par un organe d'entraînement 27 destiné à faire coulisser latéra- lement l'ensemble solidaire comprenant le montant 22 et l'or- gane d'entraînement 26 par rapport au montant 21. Comme indi- qué précédemment, les mouvements d'entrée nécessaires peu- vent être imprimés soit au point 8, soit au point 9/et la façon de provoquer ces mouvements se situe dans une large plage de choix. Il convient de faire observer que, bien qu'on ait admis par exemple sur la figure 3 que le déplacement dans le sens de l'axe des X avait lieu en déplaçant le point 8, un mouvement correspondant résulte d'un mouvement du point 9 dans la forme de réalisation pratique illustrée sur la figure 5. De même, bien que le système nécessite globalement que ses différents composants agissent comme des parallélogrammes, cela peut être obtenu sans devoir nécessairement pré- voir des biellettes parallèles dans toutes les posi- tions illustrées sur les schémas. On fera par exemple obser- ver que, dans la forme de réalisation pratique de la figure 5, aucune articulation horizontale n'est intercalée entre les extrémités internes des bras 2 et des biellettes 12 des pantographes parallèles, et l'on compte sur la rigidité de l'agencement, résultant des autres interconnexions et conso- les illustrées, pour maintenir mutuellement parallèles les extrémités internes des bras et biellettes susmentionnées. Cela dispense en fait de la nécessité de prévoir des joints compliqués tels que ceux qui seraientsinon,nécessaires pour assurer les degrés de mouvement requis. Bien que, normalement, l'amplification entre les mouvements d'entrée et de sortie assurée par le système articulé soit réglée de manière nette, simple et définitive, on pourrait ma- nifestement tirer parti du système pour ajuster les longueurs efficaces des bras et biellettes, afin de faire varier cette amplification dans le sens souhaité. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au manipulateur décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 24985 12 REVENDICATIONS 1. Manipulateur équipé d'une timonerie de type pantographe et caractérisé par le fait qu'il comporte une paire de pantographes (1, 2, 4, 5) qui sont reliés l'un à l'autre pour constituer des articulations opposées d'un parallélogramme articulé, lesdits pantographes présentant à leur tour des premiers (1; 11) et seconds (2; 12) bras qui agissent chacun comme une articulation du parallélogram- me; par le fait qu'il comporte des moyens (13, 22, 24; 21, 23) pour maintenir dans des positions fixes relatives les interconnexions des parallélogrammes articulés; et par le fait qu'il comporte des moyens (25, 26, 27) pour impri- mer aux pantographes des mouvements linéaires d'entrée dans les trois dimensions, un mouvement tridimensionnel d'un ou- til (30) ou élément analogue convenablement fixé auxdits pantographes pouvant avoir lieu alors que l'orientation spatiale dudit outil est maintenue constante. 2. Manipulateur équipé d'une timonerie de type pantographe et caractérisé par le fait qu'il comporte une paire d'articulations de ce type (1, 2, 4, 5) en liaison efficace pour agir comme des articulations opposées d'un parallélogramme articulé; par le fait que, de manière con- nue en soi, chaque timonerie de type pantographe comporte des premier (1) et second (2) bras dont chacun présente une paire d'articulations (1, 11; 2, 12) en liaison efficace pour agir comme un parallélogramme articulé; et par le fait que le manipulateur comporte des moyens (25, 26, 27) pour imprimer des mouvements linéaires d'entrée aux timoneries de type pantographe, dans les trois dimensions, un mouvement d'un outil (30) ou d'un élément analogue convenablement fixé auxdites timoneries pouvant avoir lieu cependant que l'orientation spatiale dudit outil est maintenue constante. 3. Manipulateur selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens desti- nés à imprimer des mouvements d'entrée consistent en trois moteurs pas à pas (25, 26, 27) qui actionnent chacun un élément fileté pour provoquer des déplacements le long d'axes mutuellement orthogonaux.