Brevet FR2542419A1 — publié le 19840914

L'invention se rapporte à un mécanisme polyarticulé rétraci le. Ce mécanisme constitue une structure de liaison entre deux pièces extrêmes, qui trouve plus particulièrement mais non exclusivement application dans les domaines: des manipulateurs, tels qu'un bras ou poignet de robot, des plateformes élévatrices et orientables telles que les positionneurs de soudage, des tourelles supports d'arme, de réflecteur, d'antenne, des joints d'accouplement extensibles, des dispositifs d'accostage et d'ancrage, des structures érectables rigides ou déformables tels que mâts et barrières flottantes, des engins de franchissement, des véhicules tout-terrain à locomotion péristal- tique, par arpentage ou par culbute. Evidemment, dans tous les domaines, il existe déjà de très nombreux mécanismes polyarticulés réalisant des structures de liaison plus ou moins complexes entre deux pièces extrêmes. La plupart de ces mécanismes utilisent principa- lement des combinaisons de liaisons élémentaires de type prismatique ou rotoïde, les pièces constitutives n'étant généralement assemblées qu'une fois avec la précédente et la suivante. Les pièces constitutives, les organes de liaison les actionneurs et leurs systèmes de commande sont toujours de types très différents. Les mécanismes utilisés industriellement à ce jour possèdent un nombre de degrés de mobilité limité généralement aux strictes conditions cinématiques à satis- faire En effet, la réalisation de structures possédant un nombre de degrés de mobilité élevé et redondant pose de nombreux problèmes théoriques, pratiques, économiques. Un résultat que l'invention vise à obtenir est un mécanisme polyarticulé rétractile qui serait constitué d'au moins un mécanisme élémentaire assurant entre deux pièces extrêmes une liaison à trois degrés de mobilité qui consistent en une translation et deux rotations autour d'axes orthogonaux à l'axe de la translation. Un autre résultat que l'invention vise à obtenir est un tel mécanisme qui permette d'orienter relativement les parties extrêmes sans qu'il y ait de rotation relative des section suivant les tangentes à la fibre moyenne de la structure. A cet effet, elle a pour objet un mécanisme du type cité plus haut notamment caractérisé en ce qu'il comprend au moins un mécanisme élémentaire constitué de deux pièces extrêmes, dont un référentiel, reliées entre elles par au moins trois branches situées dans des plans distincts et composées de deux parties associées chacune, d'une part, à l'autre partie formant la même branche par une liaison sphérique et, d'autre part, à une pièce extrême différente de celle à laquelle est associée cette autre partie par une liaison rotoîde. Elle sera bien comprise à l'aide de la description ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ciannexé qui représente schématiquement: figure 1 le graphe d'agencement d'un mécanisme élémentaire, figure 2 un mécanisme élémentaire modélisé par une structure réticulée, figure 3: un mécanisme élémentaire modélisé par des pièces monoblocs, figure 4: un mécanisme polyarticulé constitué de plusieurs mécanismes élémentaires juxtaposés, figure 5: un mécanisme élémentaire modélisé sous forme mixte, figures 6 et 7; des variantes d'une liaison composée, globalement équivalente à une liaison sphérique, figure 8 une variante de réalisation dans laquelle la branche utilise des pièces à flexibilité orien- tée, figure 9: le schéma de l'articulation virtuelle obtenue avec la branche représentée figure 8, figure 10: un mécanisme polyarticulé modélisé au niveau de sa fibre moyenne, figures -11 à 13 différents dispositifs de couplage cinématique. En se reportant au dessin, on voit (figure 4) que le mécanisme polyarticulé et rétractile 1 constitue une structure de liaison entre deux pièces extrêmes 2, 3, dont l'une est prise comme référentiel 2 et que cet ensemble comprend, soit un seul mécanisme élémentaire 4, soit plusieurs de ces mécanismes qui sont avantageusement juxtaposés par leurs pièces extrêmes en vis à vis 5, 6 et ce directement ou par l'intermédiaire d'au moins un élément intercalaire (non représenté) de structure différente. Un mécanisme élémentaire 4 (figures 1, 2 et 3) comprend donc lui-même deux pièces extrêmes 5, 6 dont un référentiel 5 reliées entre elles par au moins trois- branches 7, 8, 9 situées dans des plans distincts et consti- tuées de deux parties 10 et 11, ou 12 et 13, ou 14 et 15, associées chacune d'une part, à l'autre partie formant la même branche par une liaison au moins assimilable à une liaison sphérique 16, 17 et 18 et, d'autre part, à une pièce extrême 5, 6 différente de celle à laquelle est associée cette autre partie par une liaison au moins assimilable à une liaison rotoîde soit 19 ou 20, soit 21 ou 22, soit enfin 23 ou 24. Les liaisons sphériques 16, 17 et 18 scindent fictivement le mécanisme élémentaire 4 en deux demi-éléments alternés 4 a, 4 b (figure 1). La disposition des axes des liaisons rotoides 20, 22, 24 ou 19, 21, 23 sera à priori quelconque par rapport respectivement aux pièces 5 et 6 Cependant, si les axes des liaisons rotondes 20, 22, 24 ou 19, 21, 23 au moins assimilables à une pièce extrême 5 ou 6 sont coplanaires, 3.5 ils ne pourront pas être tous les trois parallèles. Selon un mode privilégié de l'invention, ces axes seront disposés suivant une symétrie de révolution par rapport à un axe appartenant aux dites pièces extrêmes 5 ou 4 2542419 6 De plus, ils pourront être coplanaires. De manière théorique, le mécanisme élémentaire 4 peut être modélisé par une structure réticulée (figure 2) dans laquelle les pièces extrêmes 5, 6 mais aussi les parties 10 à 15 constituant les branches 7 à 9 ont toutes la forme de structures triangulaires. Chacune des trois barres 25, 26 et 27 ou 28, 29 et des structures triangulaires modélisant les pièces extrêmes 5, 6 est confondue avec l'une des trois barres 25, 31 et 32 ou 26, 33 et 34 ou 27, 35 et 36 ou 28, 37 et 38 ou 29, 39 et 40 ou enfin 30, 41 et 42 des structures triangulaires modélisant chacune des parties 10 à 15 consti- tuant les branches 7 à 9. Le mécanisme élémentaire qui, de manière théorique, a ainsi été modélisé, peut avantageusement avoir des carac- tères de symétrie et être concrétisé par des dispositions constructives très diverses. Le mécanisme élémentaire pourra être concrétisé sous une forme proche du modèle théorique défini à la figure 3, par l'emploi des pièces monoblocs 5, 6, 10 à 15 qui peuvent être considérées comme rigides vis à vis des efforts auxquels elles sont soumises en fonctionnement. En particulier, si les efforts exercés sur les parties 10 à 15 formant les branches 7 à 9 ne sont dûs qu'aux, actions de liaison d'ordre interne (poids propres négligés) ces parties pourront être simplement rigides dans leurs plans. Le mécanisme élémentaire pourra être concrétisé sous une forme proche du modèle théorique défini à la figure 2, par l'emploi, aux lieu et place des barres 25 à 42, de composants (non représentés) qui, en fonctionnement, leur sont assimilables et ce, que ces composants soient d'une longueur qui est constante ou qui, par réglage ou déformation contrôlée, est variable. Le mécanisme élémentaire pourra être concrétisé sous une forme mixte dérivée des deux modèles théoriques précédemment décrits o, par exemple, les pièces 10 à '15 peuvent, toutes ou en partie, être matérialisées par des 2542419 barres 31 à 36, 37 à 42 (figure 5). En fonction de l'amplitude des mobilités et de la précision requises, les liaisons telles que les liaisons rotondes 19 à 24 ou les liaisons sphériques 16, 17 et 18 peuvent être matérialisées sous la forme d'articulations utilisant des composants classiques de liaison (coussinets, roulements, rotules lisses, etc) ou utiliser des jonc- tions souples à flexibilité orientée. Dans le cas o entre les pièces extrêmes 5 et 6 des débattements angulaires importants sont nécessaires suivant des axes horizontaux perpendiculaires entre eux X et Y, il est possible de concrétiser les liaisons sphériques 16, 17 et 18 sous la forme de joints d'accouplements cinématiquement qui ne sont qu'équivalents à des liaisons sphériques, au moyen de pièces 43, 44 intercalées entre les parties 10 et 11, 12 et 13, 14 et 15 constituant les branches. Par exemple, il s'agira (figure 6) d'une pièce d'accouplement 43 liée à l'une des parties précitées par une liaison rotonde et à l'autre partie par une rotule lisse dont le centre est situé sur l'axe de la liaison rotoide, ce qui permettra d'obtenir une amplification du débattement angulaire de la rotule suivant l'axe de l'articulation rotofde La mobilité supplémentaire suivant l'axe de l'arti- culation rotoïde que constitue la rotation indépendante de la pièce ainsi intercalée 43 n'influence pas la cinématique globale du mécanisme. Dans un autre exemple, il s'agira de deux pièces d'accouplement 44 et 45 intercalées (figure 7) entre les parties des branches de manière que les trois liaisons successives (tout d'abord entre la première partie de branche et la première de ces pièces d'accouplement puis entre les deux pièces d'accouplement 44, 45 et enfin entre la deuxième pièce d'accouplement et la deuxième partie 11 de la branche) soient du type rotoîde (montage à la cardan), les axes de ces trois liaisons rotondes étant de préférence concourants bien que cela ne soit pas une nécessité. Le mécanisme élémentaire pourra également être 6 2542419 concrétisé (figure 8) sous une forme dérivée du modèle défini à la figure 3 par l'emploi dans les branches 7 à 9-de parties 10 à 15 qui sont toutes ou partiellement réalisées sous la forme de pièces incurvables à flexibilité orientée, dont la courbure ne dépend quasisment que d'un seul paramètre telles que des structures gonflables ou des lames élastiques. Dans une telle disposition constructive o chacune des parties 10, 12 et 14 ou 11, 13 et 15 formant les bran- ches est réalisée sous la forme d'une pièce à flexibilité orientée, on peut considérer que l'articulation avec la pièce extrême correspondante 6 ou 5, s'effectue autour d'un axe virtuel 19, 21, 23 ou 20, 22, 24 dont la position par rapport à cette même pièce extrême dépend de la déformation de la partie concernée (figures 8 et 9). Comme indiqué plus haut, le mécanisme polyarticulé peut être constitué d'une juxtaposition, par leurs pièces extrêmes 5, 6 d'un nombre quelconque de mécanismes élémen- taires 4 qui, de préférence, seront géométriquement sembla- bles et même de dimensions identiques. Chaque mécanisme 4 ayant trois degrés de mobilité, une structure de liaison (figure 4) qui, pour relier deux pièces extrêmes 1, 2 serait composée d'un nombre "N" de ces mécanismes élémentaires 4, posséderait évidemment une mobilité égale à trois fois, le nombre "N". Dans le cas o le mécanisme polyarticulé résulte de la juxtaposition en vis à vis de plusieurs mécanismes élémentaires 4 par leurs pièces extrêmes 5, 6 il peut être modélisé au niveau de sa fibre moyenne par une succession d'arcs de cercle de rayons variables ayant des tangentes communes en chaque point de raccordement (voir figure 10 un ensemble de deux tronçons). Le comportement cinématique de chaque mécanisme élémentaire peut être indépendant de celui des mécanismes voisins ou en être dépendant de manière que l'angle "A" entre le plan d'une pièce extrême 5 ou 6 et celui d'une partie 10 à 15 articulée sur cette pièce extrême soit fonction de l'angle "B" entre le plan de l'autre pièce extrême 6 ou 5 juxtaposée et le plan de la partie correspon- dante 10 à 15 articulée sur cette autre pièce extrême 6 ou 5 (figures 4, 11 et 12) Afin de faciliter ce couplage cinématique éventuel, les pièces extrêmes 5, 6 par lesquelles deux mécanismes élémentaires 4 se juxtaposent seront avantageusement orien- tées l'une par rapport à l'autre, de manière telle que les axes des articulations rotondes 19 à 24 soient parallèles deux à deux Dans ce cas, le couplage cinématique de deux mécanismes élémentaires juxtaposés pourra être réalisé par des mécanismes plans classiques. Evidemment, ce couplage cinématique d'au moins certaines des parties 10 à 15 d'au moins deux mécanismes élémentaires voisins réduit le nombre de degrés de mobilité de l'ensemble du mécanisme. Au couplage cinématique de mécanismes juxtaposés peut encore s'ajouter un couplage cinématique de parties entrant dans la constitution d'un même mécanisme élémentai- re, et ce, par exemple au moyen d'engrenages coniques (figure 13). La fixation des paramètres définissant l'état géométrique du mécanisme global peut être due à des actions mécaniques agissant de l'intérieur et/ou de l'extérieur du mécanisme. Si les actions mécaniques qui définissent l'état géométrique du mécanisme global agissent de l'intérieur du mécanisme, celles-ci seront exercées par des actionneurs mécaniques (non représentés) agissant sur des pièces constitutives du mécanisme, directement ou indirectement par -30 l'intermédiaire de transmetteurs (mécanismes divers, trin- gleries, liens flexibles inextensibles maintenus en tension, etc) Ces actionneurs pourront être de tout type connu (actionneurs linéaires, rotatifs, structure gonflable) utilisant une source d'énergie quelconque et fonctionnant suivant une loi de mouvement quelconque. Un cas particulier sera obtenu avec des actionneurs dont la loi de mouvement pendant une période donnée consiste dans le repos. Au niveau d'un mécanisme élémentaire tel que 4, les trois degrés de mobilité peuvent être fixés par trois actionneurs avantageusement identiques dont l'action con- siste par exemple pour chacun d'entre eux à contrôler directement ou indirectement - la distance entre deux points quelconques appar- tenant aux pièces extrêmes 5 et 6 ou la distance entre deux points quelconques appar- tenant aux deux parties d'une même branche 7, 8, 9 ou la distance entre deux points quelconque appar- tenant à deux parties de branches différentes, la rotation relative d'une partie 10 à 15 de branches par rapport à la pièce extrême correspondante 5 ou -15 6. Dans le cas cité plus haut o une partie 1 l de branche est réalisée sous la forme d'une structure à flexi- bilité orientée comme par exemple une structure gonflable ou une lame élastique, une telle pièce peut être le siège d'un phénomène physicochimique entraînant sa déformation contrôlée On peut alors considérer qu'une telle partie est sont propre actionneur. A un instant donné, les actionneurs pourront être commandés simultanément ou en nombre limité O Ils pourront avantageusement être pilotés par des moyens d'asservisse- ment. Aux lieu et place ou en combinaison avec ces action- neurs, l'ensemble pourra avantageusement comprendre des capteurs de déplacement (non représentés) tels par exemple un potentiomètre ou un codeur optique dont la commande par l'articulation d'une partie 10 à 15 de branche par rapport à la pièce extrême associée 5 ou 6 modifiera les caractéristiques d'un signal qui pourra être enregistré et/ou comparé à un signal antérieur ou à une consigne pour piloter les actionneurs. Si les actions mécaniques qui définissent l'état géométrique du mécanisme global agissent de l'extérieur du mécanisme, celles-ci peuvent comme il a été vu plus haut, entraîner la déformation contrôlée de certaines pièces constitutives du mécanisme Il en sera de même des actionneurs mécaniques ou de leurs transmetteurs. Cette déformabilité d'au moins l'un des éléments que sont ces parties et ces actionneurs permet de réaliser des -ensembles à déformation contrôlée. L'ensemble ainsi obtenu présente de nombreux avan- tages: il est extensible et rétractile, en un point quelconque de sa fibre moyenne, il est incurvable dans tous les plans contenant la tangente à cette fibre moyenne, d'o l'absence de points morts, son amplitude d'incurvation peut être augmentée à volonté par juxtaposition de mécanismes élémentaires, ses mécanismes élémentaires peuvent être couplés par des mécanismes plans classiques, ses symétries réduisent le nombre de types de pièces, d'assemblages, d'actionneurs, de capteurs, la symétrie interne de chaque mécanisme élémentai- re et la juxtaposition de tels mécanismes rend la commande d'une structure possédant un nombre de degrés de mobilité élevé relativement simple par l'utilisation d'allures propagatoires; il offre un facteur d'échelle favorable, en effet, à partir de certaines dimensions il est possible de réaliser des structures assimilables à des structures réticulées, ce qui est performant du point de vue de la rigidité et de la résistance par rapport à la masse et à l'inertie qui sont réduites; il sera d'autre part possible d'incorporer les actionneurs dans la structure, il n'imprime pas de rotation relative des sections suivant la tangente à la fibre moyenne d'o la possibilité de réaliser l'étanchéité sans joint tournant et la pos- sibilité de transmettre un moment de torsion entre les pièces extrêmes compte tenu d'une fibre moyenne géométri- quement imposée; de plus, si les demi-éléments de chaque mécanisme élémentaire sont structurellement symétriques et identiques, il y aura homocinétisme, 2542419 l'étanchéité sa offrant une âme centrale creuse, il permet le passage de cables, tuyaux; pour de grandes dimensions, l'espace central peut même constituer un champ d'inter- venti on. Du fait de ces nombreux avantages, l'ensemble se prête à des applications très variées, telles par exemple comme trompes ou poignets-trompe utilisés en robotique pour lesquels le mécanisme étant rétractile et offrant une grande amplitude d'orientation entre ses pièces extrêmes, le champ d'intervention du mécanisme est un volume et permet à partir d'une fenêtre d'accés de dimensions réduites, de décrire tout courbe ou surface incluse dans ce champ d'intervention, comme raccord orientable sans joint tournant, comme joint d'accouplement extensible homocinéti- que pour lequel le facteur d'échelle est favorable, comme dispositifs d'accostage et d'ancrage à déformation contrôlée passifs ou actifs, comme véhicules tout-terrain à locomotion péris- taltique, par arpentage ou par culbute pour lesquels le mécanisme proposé constitue une solution idéale tant du point de vue mécanique (cinématique spatiale, symétrie des mobilités, similitude des pièces constitutives, morphologie configurable, énergie dépensée réduite) qu'au point de vue 2 _ 5 de la commande (nombre de paramètres manipulés à chaque instant réduit, permutation possible des ordres donnés aux actionneurs au sein de chaque mécanisme élémentaire, allures propagatoires), comme manipulateurs sous-marins ou spatiaux l'une des pièces extrêmes étant prise comme référentiel, l'autre pièce extrême peut, à l'aide d'un dispositif ap- proprié, réaliser la préhension d'un objet; la configura- tion géométrique du mécanisme reliant alors l'objet au référentiel peut être aisément déterminée et un mouvement peut aisément être communiqué à l'objet compte tenu de certaines contraintes cinématiques Il est notamment possible de rétracter la structure suivant le tunnel spatial qu'elle occupe Des manutentions à caractère propagatoire peuvent être assurées par l'âme centrale (péristaltiques) ou extérieurement à la structure, comme engin de franchissement ou de sauvetage Des structures gonflables insubmersibles pourrait permettre le passage de personnels dans l'âme centrale, comme mâts érectables pour lesquels le mécanisme proposé permet une extension sans rotation relative des faceo e-r un ceéIoienrent soit de tous les êléments à la Fais, soit de parties successives en commencant par les éléments inférieurs les plus chargés, comme plateformes élévatrices et orientables en tant que supports d'objets, notamment dans le domaine des manipulateurs du type positionneur pour opérations de montage, de soudage, de parachèvement, etc en tant que supports d'appareils, le mouvement de translation permettant de réaliser des accostages fins (support de poste de soudage), comme tourelle ne nécessitant pas une orientation angulaire fixe de la face extrême suivant la normale (tou- relles supports de canon, missile, caméra, projecteur, réflecteur, antenne, capteur de rayonnement, laser, jet de fluide en projection ou en aspiration. Pour de telles applications, la possibilité d'une rotation continue en gisement ne nécessitant pas de joint tournant au niveau de la base, entraîne une simplification des connections électriques, hertziennes, optiques, flui- diques, et des dispositifs d'étanchéité en milieu hostile. L'absence de points morts (possibilité de balayage continu dans deux plans de site orthogonaux) et l'inertie réduite (facteur d'échelle favorable) sont également des avantages. Le mouvement de translation peut être utilisé pour escamoter l'appareil ou être éventuellement neutralisé par une barre supplémentaire reliant par exemple les centres des pièces extrêmes. REVENDICATIONS 1 Mécanisme polyarticulé rétractile ( 1) formant une structure de liaison entre deux pièces extrêmes ( 2, 3), dont l'une est prise comme référentiel, CARACTERISE en ce qu'il comprend au moins un mécanisme élémentaire ( 4) constitué de deux pièces extrêmes ( 5, 6), dont un référentiel, et, pour relier entre elles ces pièces extrêmes ( 5, 6) au moins trois branches ( 7, 8, 9) situées dans des plans distincts et composées de deux parties ( 10 et il ou 12 et 13 ou 14 et 15) associées chacune d'une part, à l'autre partie formant la même branche par une liaison assimilable à une liaison sphérique ( 16, 17 et 18) et, d'autre part, à une pièce extrême ( 5, 6) différente de celle à laquelle est associée cette autre partie par une liaison assimilable à une liaison rotonde (soit 19 ou 20, soit 21 ou 22, soit enfin-23 ou 24). 2 Mécanisme polyarticulé rétractile selon la revendication l caractérisé en ce que l'un au moins des éléments que sont les pièces extrêmes ( 5, 6) et les parties ( 10 à 15) constituant les branches ( 7 à 9) à la forme d'une structure consistant en une pièce monobloc ( 5, 6 et 10 à 15) assimilable à une pièce rigide vis à vis des sollicitations mécaniques auxquelles elle est soumise. 3 Mécanisme polyarticulé rétractile selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'un au moins des éléments que sont les pièces extrêmes ( 5, 6) et les parties 10 à 15) constituant les branches ( 7 à_ 9) a la forme d'une structure réticulée triangulaire -dont les composants con- sistent en des moyens ( 25 à 42) qui en fonctionnement sont assimilables à des barres. 4 Mécanisme polyarticulé rétractile selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'une au moins des -parties ( 10 à 15) constituant les branches ( 7 à 9) a la forme d'une structure incurvable à flexibilité orientée et dont on peut considérer que la courbure ne dépend que d'un paramètre. 5 Mécanisme polyarticulé rétractile selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs mécanismes élémentaires ( 4) qui sont juxtaposés par leurs pièces extrêmes ( 5, 6). 6 Mécanisme polyarticulé selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'entre au moins certains des mécanismes élémentaires est intercalé au moins un élément intercalaire de structure différente. 7 Mécanisme polyarticulé rétractile selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pièces extrêmes ( 5, 6) sont en vis à vis. 8 Mécanisme polyarticulé rétractile selon les revendications 5 ou 7 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen de couplage cinématique entre au moins certains de ses mécanismes élémentaires ( 4). 9 Mécanisme polyarticulé rétractile selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que les pièces extrêmes ( 5, 6) par lesquelles deux mécanismes élémentaires ( 4) se juxtaposent sont, l'une par rapport à l'autre, orientées de manière telle que leurs articulations rotondes ( 19 à 24) respectives soient parallèles deux à deux. Mécanisme polyarticulé rétractile selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'au moins l'un des mécanismes élémentaires ( 4) comprend au moins un moyen de couplage cinématique entre des éléments intérieurs à ce mécanisme élémentaire. 11 Mécanisme polyarticulé rétractile selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comprend des actionneurs déterminant les positions relatives des éléments que sont les pièces extrêmes ( 5, 6) et les parties ( 10 à 15) de branches ( 7 à 9) de chaque mécanisme élémentaire ( 4). 12 Mécanisme polyarticulé rétractile selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs des positions relatives des éléments que sont les pièces extrêmes ( 5, 6) et les parties ( 10 à 15) de branches ( 7 à 9) de chaque mécanisme élémentaire ( 4). 13 Mécanisme polyarticulé rétractile selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce qu'au moins cer- tains des composants que sont les actionneurs et les cap- teurs sont reliés à des moyens d'asservissement.