Brevet FR2512727A1 — publié le 19830318

Poignet orientable à trois axes de rotation pour robot in- dustriel. La présente invention a pour objet un poignet ou tête orientable comportant trois axes de rotation et destiné à être monté à l'extrémité d'un bras de robot industriel à commande électrique. Les robots industriels utilisés pour répondre aux besoins d'automatisation des outils de production et en particulier de production en série, peuvent comporter selon leur configura- tion, un bras ou une unité de translation comprenant un cha- riot mobile L'extrémité du bras ou du chariot est munie d'un module orientable ou poignet à trois axes de rotation Le poignet peut être équipé d'outils divers permettant d'automa- tiser un grand nombre dzopérations de fabrication ou de trans- fert telles que le soudage, la découpe de pièces, la manuten- tion etc. Jusqu'à présent la commande des différents mouvements de rotation autour des trois axes du poignet orientable était faite par des moyens hydrauliques alimentés par une centrale unique ou par des moyens électriques comprenant un ou plu- sieurs moteurs électriques d'entraïnement montés dans le bras ou le chariot de support du poignet Des moyens de transmis- sion comportant généralement des trains d'engrenages, des courroies o des chaines d'entraînement étaient donc prévus entre le bras et le poignet Une telle disposition entraîne l'apparition de jeux de fonctionnement entre les différents organes et en particulier de jeux de glissement lors de l'uti- lisation de transmissions par courroie De plus l'utilisation d'un moteur de commande commun aux trois axes de rotation du poignet, muni d'un dispositif de codage unique et d'un dispo- sitif de détection de position initiale également unique pour les trois axes de rotation, est la cource de difficultés dans la pratique. En particulier, les poignets de l'art antérieur ne peu- vent pas aisément être remplacés par des poignets de structure différente en fonction d'une modification des taches à effec- tuer ou adaptés à des robots d'architectures diverses. La présente invention a donc pour objet la réalisation d'un poignet orientable à trois axes de rotation dit également à trois degrés de liberté, pour un robot industriel à commande électrique qui soit aisément interchangeable et puisse ainsi être monté à volonté sur tout type de robot industriel, en particulier aussi bien sur un robot horizontal que sur un robot vertical ou sur un robot du type portique comprenant un chariot de support du poignet. L'invention a également pour objet un tel poignet orien- table de très grande compacité par rapport à ceux de l'art antérieur. Le poignet orientable à trois axes de rotation selon l'invention est destiné à être monté à l'extrémité d'un bras de robot industriel à commande électrique Selon l'invention, le poignet orientable comprend trois ensembles motoréducteurs munis chacun d'un dispositif de codage individuel afin de commander respectivement chacun des trois mouvements autour des trois axes de rotation La disposition à l'intérieur même de la tête ou poignet orientable des trois motoréducteurs indépendants permet d'obtenir un poignet de robot électrique parfaitement interchangeable susceptible d'être monté sur tout type de robot, qu'il soit de structure horizontale, verticale ou en portique. Le poignet de l'invention présente en outre de préférence une structure particulière qui permet d'obtenir une très grande compacité Dans ce but, le poignet comprend un élément de fixation sur l'extrémité du bras de robot recevant un premier motoréducteur muni de son dispositif de codage; un élément intermédiaire entraîné en rotation autour du premier axe par le premier motoréducteur et recevant un deuxième motoréducteur muni de son dispositif de codage; et un élément d'extrémité muni d'un support d'outil entraîné en rotation autour du deuxième axe par le deuxième motoréducteur et rece- vant un troisième motoréducteur muni de son dispositif de codage Le support d'outil est entraîné en rotation autour du troisième axe par le troisième motoréducteur Les premier et deuxième axes de rotation du poignet ainsi que les deuxième et troisième axes sont concourants deux à deux Par ailleurs les -2512727 trois axes se trouvent contenus dans un même plan lorsque les premier et troisième axes sont en ligne - L'axe de sortie du moteur de chaque ensemble motoréduc- teur est parallèle à l'axe du dispositif réducteur correspon- dant, lequel se trouve monté suivant l'axe de rotation du mouvement obtenu - De plus, le moteur du deuxième ensemble motoréducteur est de préférence décalé par rapport à l'axe de son dispositif ré- ducteur qui se trouve disposé selon le deuxième axe de rota- tion Le moteur du troisième ensemble motoréducteur est dis- posé transversalement dans le prolongement du dispositif réducteur qui fait partie du deuxième ensemble motoréducteur. Grâce à cette disposition, il est possible d'obtenir un ensem- ble extrêmement compact, notamment dans le sens longitudinal par rapport au bras de support, malgré les contraintes résul- tant de l'utilisation de trois motoréducteurs indépendants disposés dans la structure même du poignet orientable de façon à assurer comme il a été dit précédemment, le caractère inter- changeable de l'ensemble. A chaque ensemble motoréducteur est associé un détecteur d'initialisation monté directement sur l'organe de sortie de chaque dispositif de réduction de façon que la mesure corres- ponde très exactement au mouvement obtenu autour de l'axe de rotation respectif. Chaque dispositif de réduction comprend de préférence un premier étage de réduction constitué par un train d'engrenages à axes parallèles suivi d'un deuxième étage de réduction à transmission coaxiale monté cette fois dans l'axe de rotation du mouvement obtenu par l'ensemble motoréducteur considéré. Dans un mode de réalisation préféré, le deuxième étage de réduction est constitué par un réducteur différentiel du type commercialisé sous la dénomination "Harmonic Drive" permettant de réaliser des rapports de réduction importants avec un ensemble mécanique de volume réduit et de faible poids assu- rant en outre un rendement élevé et un très faible jeu angu- laire. L'association d'un premier étage de réduction muni d'un train d'engrenages à un tel deuxième étage de réduction permet donc de combiner les résultats avantageux des réducteurs différentiels à transmission coaxiale connus sous la dénomina- tion "Harmonic Drive" avec la nécessité du décalage des axes de sortie des différents moteurs par rapport aux axes de rota- tion du poignet. Les réducteurs connus sous la dénomination "Harmonic Drive" comprennent un générateur de déformations qui n'est rien d'autre qu'un roulement elliptique constitué d'une bague intérieure elliptique, d'une cage à billes et d'une bague extérieure flexible La bague extérieure flexible est munie d'une couronne dentée à denture extérieure et elle subit les déformations engendrées par la rotation du roulement ellipti- que Une couronne dentée intérieurement, rigide, possédant une denture dont les caractéristiques sont les mêmes que celles de la couronne dentée extérieure flexible et dont le nombre de dents est supérieur, généralement de deux dents, engrène sur une portion de la denture extérieure de la couronne dentée flexible, 15 % environ de la denture de ces deux éléments restant toujours en contact On obtient ainsi des rapports de réduction extrêmement élevés. Pour assurer la transmission de couple important malgré une exécution de très faibles dimensions selon son axe de rotation, on peut adjoindre à ces réducteurs, une deuxième couronne dentée intérieurement, rigide, possédant une denture de même caractéristique que la denture de la bague extérieure flexible et le même nombre de dents On peut également dispo- ser un deuxième roulement elliptique augmentant ainsi les capacités de charge de l'ensemble. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la descrip- tion détaillée d'un mode de réalisation particulier faite à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les des- sins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'un poignet orientable à trois axes de rotation selon la présente invention; et la figure 2 est une vue de dessus partiellement en coupe du poignet de la figure 1. Tel qu'il est représenté sur les figures, le poignet orientable de l'invention comprend un premier axe de rotation 1, un deuxième axe de rotation 2 et un troisième axe de rota- tion 3 qui constituent les trois axes permettant de définir les différents mouvements désirés lors du fonctionnement du robot industriel équipé dudit poignet Dans la position repré- sentée en trait plein sur les figures 1 et 2, les trois axes 1, 2 et 3 sont contenus dans un même plan qui est celui de la figure 1, les axes 1 et 3 étant alignés Dans la position illustrée en tirets sur la figure 2, les trois axes sont concourants deux 3 deux En effet, les axes 1 et 2 d'une part, 2 et 3 d'autre part, sont concourants comme on peut le voir sur la figure 2 Il en est de même des axes 1 et 3. Les mouvements de rotation autour de chacun de ces trois axes 1, 2 et 3 sont engendrés par trois ensembles motoréduc- teurs référencés respectivement 4, 5 et 6 Le premier ensemble motoréducteur 4 engendrant fn mouvement de rotation autour de l'axe 1, comprend un moteur électrique 7 de faible encombre- ment axial, associé à un dispositif codeur 8 et alimenté en courant continu par un connecteur multibroche 9 Le moteur électrique 7 est avantagouasme-ent un moteur à courant continu à aimant permanent présentant an très faible encombrement et de bonnes caractéristiques de couple en fonction de la vitesse de rotation L'ensemble motordducteur 4 se complète par un disposi- tif réducteur comprenant un premier étage de réduction 11 et un deuxième étage de réduction 12. Le deuxième ensemble motor 6 ducteur 5 comprend les mêmes éléments que le premier ensemble motoréducteur 4 On trouve en effet le même moteur électrique 7 associé à son codeur 8 et recevant un courant électrique d'alimentation par le connec- teur 9 Le dispositif de réduction associé, comprend un pre- mier étage de réduction 14 et un deuxième étage 15 de même 3.5 structure que le deuxième étage 12 précédent. Le troisième ensemble motoréducteur 6 comprend un moteur électrique à courant continu à aimant permanent 16 muni d'un dispositif de codage intégré et alimenté en courant continu par le connecteur 17 Le dispositif de réduction associé comprend comme précédemment, un premier étage 18 associé à un deuxième étage 19. Chaque ensemble motoréducteur comprend en outre un dé- tecteur d'initialisation permettant de connaître l'état de chaque mouvement de rotation en début de cycle On voit sur la figure 1 les détecteurs d'initialisation 20, 21 et 22 qui coopèrent chaque fois avec un aimant 23 solidaire de l'arbre de sortie du deuxième étage de réduction 12, 15 et 19 de chaque ensemble motoréducteur respectif 4, 5 et 6. Dans ces conditions il apparaît que le poignet orientable à trois axes de rotation 1, 2 et 3 selon l'invention, à com- mande électrique, utilise pour chaque mouvement de rotation autour des différents axes, un ensemble de commande indépen- dant comprenant chaque fois un moteur électrique monté dans le poignet lui-même. Le poignet de l'invention comprend un carter ou élément de fixation 24 qui peut être rendu solidaire de l'extrémité d'un bras de robot industriel non représenté sur les figures. Cet élément de fixation de forme générale cylindrique présente un premier logement 25 à l'intérieur duquel se trouve monté le moteur électrique 7, son dispositif de codage 8 et le connec- teur d'alimentation 9 - L'élément 24 comporte également un deuxième logement 26 délimité d'une part par une paroi 27 permettant la fixation du moteur 7 et d'autre part par une plaque de fermeture 28 ser- vant de support aux deux étages 11 et 12 du dispositif de réduction, recevant le couple de sortie du moteur 7 transmis par l'arbre de sortie 29 (figure 2) Comme on peut le remar- quer sur la figure 2, le pignon 30 solidaire de l'arbre de sortie 29 engrène avec le pignon mené 31 constituant l'entrée du deuxième étage de réduction 12 et monté comme on peut le voir sur la figure 2, selon le premier axe de rotation 1. L'arbre de sortie 32 du deuxième étage de réduction 12 est rendu solidaire par la bride 33 d'un carter ou élément intermédiaire 34 Cette fixation se fait par une portion en forme de disque 34 a coaxiale avec le premier axe de rotation 1 Dans ces conditions, le mouvement de rotation autour de l'axe 1, engendré par le moteur électrique 7 et transmis par les deux étages de réduction 11 et 12 se traduit par la rota- tion de l'élément de carter intermédiaire 34 autour de l'axe 1. L'élément intermédiaire 34 comprend un premier logement qui reçoit le deuxième moteur 7, son codeur 8 et son con- necteur 9 L'arbre de sortie 36 porte un pignon de sortie 37 coopérant avec un pignon intermédiaire 38 dont l'axe 40 est parallèle à l'arbre de sortie 36 Le pignon intermédiaire 38 engrène avec le pignon mené 39 constituant l'entrée du deuxiè- me étage de réduction 15. L'arbre de sortie 36 ainsi que l'arbre 40 du pignon in- termédiaire 38 et l'arbre d'entrée du deuxième étage de réduc- tion 15 sont montés sur une paroi 41 de l'élément intermédiai- re 34 Le deuxième étage de réduction 15 est monté quant à lui dans un deuxième logement 42 de l'élément intermédiaire 34 délimité par une face plane 43 Comme on peut le voir sur la figure 1, les deux étages de réduction du deuxième ensemble motoréducteur 5, se trouvent totalement disposés d'un côté du premier axe de rotation 1 Au contraire le moteur 7, son codeur 8 et la broche d'alimentation 9 de l'ensemble 5 occu- pent tout le logement 35 de chaque côté de l'axe de rotation 1. Le moteur 7 du deuxième ensemble motoréducteur 5 entraine en rotation l'arbre de sortie 44 de l'étage de réduction 15, lequel est solidaire de la bride d'entraînement 45 La bride est fixée sur une face 46 d'un élément de carter d'extré- mité 47. Dans ces conditions, la commande du moteur 7 du deuxième ensemble motoréducteur 5, entraîne la rotation de l'élément d'extrémité 47 autour du deuxième axe 2 Le débattement maxi- mal de ce mouvement angulaire dans l'un des sens, est repré- senté en tirets sur la figure 2 Les différents pignons 37, 38 et 39 sont protégés par un capot de fermeture 48 disposé sensiblement parallèlement à la paroi 41. Le moteur 16 du troisième ensemble de motoréducteur 6 est monté sur une portion 49 en forme de disque coaxiale au troi- sième axe de rotation 3 et faisant partie de l'élément d'ex- trémité 47 Le pignon de sortie 50 du moteur 16 attaque le pignon d'entrée 51 du deuxième étage de réduction 19 Le pignon 51 est coaxial au troisième axe de rotation 3 de même que le deuxième étage de réduction 19 L'arbre de sortie 52 du deuxième étage-de réduction 19 est solidaire d'une bride 53 jouant le rôle de support d'outil pour un outil non représenté sur les figures. L'entraînement du moteur 16 provoque donc une rotation autour du troisième axe 3 du support d'outil 53 et de l'outil qui s'y trouve fixé. Un capot de fermeture 54 fixé sur l'élément intermédiaire 34 protège le connecteur 17 du moteur 16 - Comme on peut le voir sur la figure 1, le moteur 16 se trouve monté audessus et à l'extérieur de la paroi 43 dans l'emplacement laissé libre audessus de l'axe de rotation 1 par le logement 42 de l'élément de carter intermédiaire 34 La structure du moteur électrique 16 est telle qu'il présente une forme relativement allongée et de faible diamètre ce qui permet effectivement de loger ledit moteur 16 dans cet empla- cement libre La portion de l'élément d'extrémité 47 qui reçoit le moteur 16 se trouve donc, par rapport à l'axe de rotation 1 de l'autre côté du logement 42 recevant le deuxième étage de réduction 15 Cette disposition est rendue possible notamment par le fait que l'arbre de sortie 36 du moteur 7 de l'ensemble 5 est disposé de manière décalée et parallèle par rapport à l'axe de rotation 2 compte tenu de l'existence du premier étage de réduction 14 constitué par les trois pignons 37, 38 et 39 De même le décalage entre l'arbre de rotation du premier moteur 7 et le premier axe de rotation 1 ainsi que le décalage entre l'arbre de sortie du moteur 16 et le troisième axe de rotation 3, permettent de disposer ces différents moteurs à l'intérieur des logements des différents éléments de carter 24, 34, 47 tout en augmentant la compacité du poignet dans toutes les dimensions. On notera en outre, que dans l'exemple de réalisation illustré, les moteurs d'entraînement 7 des axes de rotation 1 et 2 sont identiques ainsi que leur codeur 8 et leur connec- teur multibroche 9 ce qui simplifie naturellement la mainte- nance de l'ensemble et diminue les colts de fabrication en augmentant la standardisation Il en est de même des trois étages de réduction à transmission coaxiale 12, 15 et 19 On notera que ces réducteurs différentiels qui ont été représen- tés en vue extérieure sur les figures, sont du type connu et commercialisé sous la dénomination "Harmonic Drive". Il s'agit donc de réducteurs présentant un très grand rapport de réduction pour un faible poids, un rendement élevé et un faible jeu angulaire De plus ces réducteurs permettent de transmettre des couples de rotation élevés Les trois détecteurs d'initialisation 20, 21 et 22 sont identiques et sont montés de façon à coopérer directement avec l'organe de sortie du deuxième étage de réduction considéré On obtient donc une information extrêmement précise sur la position angulaire exacte selon chacun des trois axes de rotation 1, 2 et 3. En définitive, on obtient donc un poignet orientable à trois axes ou à trois degrés de liberté, facilement inter- changeable, très compact d'un prix de revient réduit et d'une grande précision de commande des mouvements de rotation. REVENDICATIONS 1 Poignet orientable à trois axes de rotation ( 1, 2, 3) destiné à être monté à l'extrémité d'un bras de robot indus- triel à commande électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend trois ensembles motoréducteurs ( 4, 5, 6) munis chacun d'un dispositif de codage ( 8) pour provoquer respectivement chacun des trois mouvements autour des trois axes de rotation ( 1, 2, 3). 2 Poignet orientable suivant la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'il comprend un élément ( 24) de fixation sur l'extrémité du bras de robot, recevant un premier ensemble motoréducteur ( 4) muni de son dispositif de codage ( 8), un élément intermédiaire ( 34) entraîné en rotation autour du premier axe ( 1) par le premier motoréducteur 4 et recevant un deuxième motoréducteur ( 5) muni de son dispositif de codage ( 8), un élément d'extrémité ( 47) muni d'un support d'outil ( 53), entraîné en rotation autour du deuxième axe ( 2) par le deuxième motoréducteur ( 5) et recevant un troisième motoré- ducteur ( 6) muni de son dispositif de codage, le support d'outil ( 53) étant entraîné en rotation autour du troisième axe ( 3) par le troisième motoréducteur ( 6), les premier et deuxième axes ( 1, 2) ainsi que les deuxième et troisième axes ( 2, 3) étant concourants deux à deux et les trois axes ( 1, 2, 3) étant contenus dans un même plan lorsque les premier et troisième axes ( 1, 3) sont en ligne. 3 Poignet orientable selon la revendication 2, caracté- risé par le fait que l'axe du moteur ( 7, 16) de chaque ensem- ble motoréducteur ( 4, 5, 6) est parallèle à l'axe du réducteur correspondant disposé suivant l'axe de rotation du mouvement obtenu. 4 Poignet orientable selon les revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que le moteur ( 7) du deuxième ensemble motoréducteur ( 5) est décalé par rapport à l'axe de son réduc- teur ( 15) disposé selon le deuxième axe de rotation ( 2), le moteur ( 16) du troisième ensemble motoréducteur ( 6) étant dis- posé transversalement dans le prolongement du réducteur préci- té ( 15). Poignet orientable selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que trois détec- teurs d'initialisation ( 20, 21, 22) sont montés de façon à coopérer avec l'organe de sortie de chaque réducteur ( 12, 15, 19). 6 Poignet orientable selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que chaque dispo- sitif de réduction comprend un premier étage de réduction muni d'un train d'engrenages à axes parallèles ( 11, 14, 18) et un deuxième étage de réduction ( 12, 15, 19) monté selon l'axe de rotation du mouvement obtenu par l'ensemble motoréducteur considéré ( 4, 5, 6). 7 Poignet orientable selon la revendication 6, caracté- risé par le fait que chacun des deuxièmes étages de réduction ( 12, 15, 19) est du type comprenant au moins un roulement elliptique constitué d'une bague intérieure elliptique, d'une cage à billes et d'une bague extérieure flexible, une denture étant pratiquée sur la bague extrérieure flexible précitée, et une première couronne dentée intérieure rigide possédant une denture de mêmes caractéristiques que la denture de la bague extérieure flexible mais un nombre de dents supérieur. 8 Poignet orientable selon la revendication 7, caracté- risé par le fait que chacun des deuxièmes étages de réduction ( 12, 15, 19) comprend en outre une deuxième couronne dentée intérieurement, rigide, possédant une denture de mêmes carac- téristique, que la denture de la bague extérieure flexible et le même nombre de dents.