Brevet FR2540776A1 — publié le 19840817

La présente invention se rapporte aux manipulateurs, c'est-à-dire aux dispositifs qui permettent d'exécuter des opérations à distance d'un opérateur En particulier, de tels dispositifs sont utilisés sur des récipients fermés ayant des ouvertures d'accès limitées, tels que ceux utilisés en liaison avec des appareils sous vide, pour la manipulation de produits radio-actifs et pour la manipulation d'autres liquides ou gaz dangereux. Les manipulateurs existant actuellement ont une structure qui comprend un certain nombre de joints articulés. Chaque joint articulé permet un mouvement autour d'un unique axe, et le rayon de courbure d'un unique joint articulé est plus petit que le rayon de l'orifice d'entrée destinée au manipulateur Ceci limite nécessairement tout alésage de travail étanche destiné au manipulateur à une faible partie de l'alésage de l'orifice d'entrée destiné au manipulateur. Afin d'obtenir un nombre utilisable de degrés de liberté de mouvement, un nombre correspondant de tels joints articulés est nécessaire Chaque joint doit être d'une structure robuste, en particulier celui qui est le plus éloigné de l'extrémité de commande du manipulateur Il en résulte que l'orifice de l'entrée, au travers de laquelle le manipulateur est introduit dans une enceinte, dans laquelle il est destiné à être utilisé, doit être important, ce qui n'est pas souhaitable si l'en- ceinte forme une partie d'une chambre à vide ou d'un récipient contenant des matériaux dangereux. Conformément à la présente invention, on propose un bras manipulateur comprenant plusieurs anneaux raccordés les uns aux autres par des longueurs de tubage ayant des ondula- tions circonférentielles, deux âmes longitudinales s'étendant sur la longueur du bras manipulateur et étant diamétralement opposéespar rapport aux anneaux, les âmes étant destinées à être flexibles dans un premier plan, mais raides dans un *second plan, à angle droit par rapport au premier plan, et ainsi positionnéesque les premiers plans des âmes coincident, afin de raidir le bras manipulateur dans le premier plan mais de le rendre flexible dans le second plan, et des moyens destinés à provoquer la flexion du bras manipulateur dans le premier plan. De préférence, les moyens destinés à provoquer la flexion du bras manipulateur dans le premier plan comprennent deux câbles positionnés aux extrémités d'un diamètre de la série d'anneaux, à angle droit par rapport au plan raccordant les âmes Chaque câble est attaché à un tambour d'enroulement, à une extrémité, et à l'anneau le plus éloigné du tambour à l'autre extrémité, de sorte qu'en raccourcissant un câble par rapport à l'autre, la poutre en treillis est contrainte de se déformer dans la direction du câble le plus court, par les mouvements de flexion ainsi appliqués De tels mouvements de flexion peuvent tout aussi bien être appliqués par des moyens hydrauliques ou pneumatiques. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, deux tronçons du bras manipulateur sont raccordés par un joint rotatif, de sorte que les deux longueurs du bras manipulateur peuvent être rendues flexibles-dans des plans différents, afin de donner une capacité de fonctionnement tridimensionnel- le à une tête manipulatrice ou à une sonde optique montée à l'extrémité libre du bras manipulateur. L'invention sera à présent décrite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue générale d'un manipulateur conforme à l'invention, la figure 2 est une coupe transversale d'un tronçon du bras manipulateur représenté sur la figure 1, la figure 3 est une vue en perspective d'une unité de commande destinée à être utilisée dans le mode de réalisa- tion décrit de l'invention, et la figure 4-est une coupe longitudinale d'un joint rotatif raccordant deux tronçons du mode de réalisation décrit de l'invention. * En se référant aux dessins, un bras manipulateur comprend un premier tronçon constitué d'un certain nombre de longueurs 1 de tubes en acier inoxydable qui présentent des ondulations circonférentielles 2 Les ondulations 2 rendent flexibles les longueurs de tubes 1 en acier inoxydable Chaque longueur de tube 1 est raccordée à sa ou ses longueurs voi- sines par un collet annulaire 3 Deux âmes longitudinales 4 et 5, de section allongée; telles que leursplus grandsaxesde section soient coplanaires, passent au travers de-trous ménagés dans les collets 3 et sont liées à ces derniers. L'ensemble forme une poutre en treillis qui est raide dans le plan dans lequel les axes les plus longs des âmes 4 et 5 s'étendent, mais flexible dans un plan à angle droit par rapport à ce plan Deux câbles de tension longitudinaux 6 et _ 10 7 passent librement au travers d'autres trous ménagés dans les collets ihtèrmédiaires 3, mais sont fermement attachés à un collet d'extrémité 8 Les autres extrémités des-câbles de tension 6 et 7 'sqnt attachées à des tambours d'enroulement 9 et 10 qui forment des parties d'une uniteé de commande 11. -Les câbles de tension 6 et 7 sont positionnés aux extrémités de diamètres des collets 3 qui sont à angle droit par rapport à ceux qui raccordent-les âmes 4 e et défiiissent le - second plan dans lequel le-bras manipulateur est relativement flexible Les âmes 4 et 5 s'étendent sur l'axe neutre du bras manipulateur par rapport aux mouvements dans le second plan. Dans le mode de réalisation qui est décrit, les âmes 4 et 5 sont constituées de deux tubes superposés de section transversale circulaire qui sont utilisés pour porter des câbles de commande destinés à d'autres parties de l'appareil, mais, bien évidemment, d'autres configurations peuvent être utilisées Par exemple, les âmes 4 et 5 peuvent être consti- tuées de plus de deux tubes superposés, d'un seul tube ou de plusieurs tubes de section transversale rectangulaire avec ou sans coins arrondis, ou de profilés en I. Un second tronçon de bras manipulateur, de structure similaire au premier tronçon, est fixé à l'autre côté du collet d'extrémité 8 Le second tronçon de bras manipulateur se termine par un joint rotatif 12, qui sera décrit en détail' ci-dessous Les âmes 4 et 5 s'étendent le long du second tronçon du bras manipulateur, de sorte que ce dernier présente les mêmes plans de raideur et de flexibilité que le premier tronçon Les âmes 4 et 5 sont fermement fixées à un collier 254 È 7 '76 13 qui constitue une partie du joint rotatif 12 Un second jeu de câbles de tension 14 et 15 passe librement au travers de trous 16 ménagés dans le collet de raccord 8, et dans tous les collets intermédiaires 3 des deux tronçons du bras mani- pulateur Les câbles de tension 14 et 15 sont également soli- darisés au collier 13 du joint rotatif 12 Ainsi, le second tronçon du bras manipulateur peut également être fléchi dans le même plan que le premier tronçon, mais indépendamment de ce premier tronçon. En se référant plus particulièrement à la figure 4, le joint rotatif 12 comprend le collier 13 précité, auquel est fixée une structure ouverte cylindrique 17, qui est en position fixe par rapport au collier 13 La jonction entre la structure 17 et le collier 13 est rendue étanche à l'air au moyen d'un joint d'étanchéité torique 18 La structure 17 comporte une partie détachée 19, qui peut se déplacer dans le sens axial par rapport à la partie principale de la struc- ture 17, sur deux guides, qui ne sont pas représentés sur les dessins La partie détachée 19 de la structure 17 ne tourne pas non plus par rapport au collier 13 Une seconde structure cylindrique 20 est montée sur la-structure 17 au moyen de rou- lements 21 et-22 La structure cylindrique 20 comporte une partie principale 23, qui est creuse et relie le second tron- çon du bras manipulateur à un troisième tronçon qui forme une tête de sonde 24, et une partie secondaire 25 qui peut se déplacer le long de la partie principale 23 à l'aide d'un palier 26-et tourne conjointement avec la partie principale 23 La partie détachée 19 de la structure 17 et la seconde partie 25 de la structure 20 forment un sous-ensemble 27, dont les deux parties sont libres de tourner l'une par rapport à l'autre, grâce à un roulement à aiguilles 28 et à deux paliers de butées 29 et 30, et les deux parties du sous-ensemble 27 sont également libres de se déplacer axialement le long de la structure cylindrique 20, grâce au palier 26 La jonction entre la structure 20 et la structure 17 est rendue étanche au moyen d'un joint rotatif étanche à l'air 31, et la jonction entre la troisième structure 20 et la tête de sonde 24 est rendue étanche au moyen d'un joint d'étanchéité torique 32. La partie de la structure 20 qui s'étend à l'intérieur de la partie ouverte de la structure 17 présente une partie en tam- bour 33, dans laquelle sont formées deux gorges circonféren- tielles 34 et 35 Les tubes internes des âmes 4 et 5 passent au travers d'une partie de base 36 de la structure 17 et. s'étendent jusqu'aux positions axiales des gorges 34 et 35, au niveau desquelles ils sont tournés l'un vers l'autre, à angle droit, et suivent la circonférence de la partie en tambour 33 sur environ un quadrant de cette partie en tambour 33, de sorte que des câbles de commande 37 et 38, sortant des tubes internes des âmes 4 et 5,pénètrent tangentiellement dans les gorges 34 et 35 Les câbles de commande 37 et 38 s'éten- dent approximativement autour des trois-quarts de la circon- férence de la partie en tambour 33 et sont ensuite fixés à cette dernière Ainsi, le serrage de l'un ou de l'autre des câbles de commande entraînera la rotation de la structure cylindrique interne 20 dans un sens ou dans l'autre Le recou- vrement entre les câbles 37 et 38 permet d'obtenir un mouve- ment circulaire complet de la structure 20 Un autre câble de commande 39 passe au travers du tube supérieur de l'âme 4 et est fermement attaché à un collier 40, qui forme une partie de la structure détachée 19. Les autres extrémités des câbles de commande 37, 38 et 39 sont attachées à d'autres tambours d'enroulement dans l'unité de commande 11. L'extrémité externe de la structure cylindrique 20 présente un collet 43 auquel est boulonné un collet d'extrémi- té 44 de la tête de sonde 24 du bras manipulateur, cette tête de sonde 24 étant d'une structure générale similaire à celles déjà décrites Cependant, au lieu de commander la déflection par deux câbles de tension, un unique câble 41 est utilisé, sur un côté de la tête de sonde 24, et coopère avec une série de ressorts de traction 46 de l'autre côté de cette tête 24 - Une série d'entretoises 47 limite l'amplitude de la déflection de la tête de sonde 24 qui peut âtre obtenue L'ensemble est agencé afin que cette déflection soit environ à angle droit. La déflection se produit seulement dans une direction, mais en raison du mouvement circulaire complet permis par le joint 12, ceci est sans importance La déflection de la tête de sonde 24 est exécutée en tirant sur le câble de commande 39, qui déplace le sous-ensemble 27 vers la gauche sur la figure 4, en tirant ainsi sur le câble 41 Si le câble de commande 39 est relâché, alors le sous-ensemble 27 est libre de se déplacer vers la droite La tension dans le câble 41, due aux ressorts 46, fait que ceci se produit, avec pour résul- tat que, lorsque le sous-ensemble 27 se déplace, la tension dans le câble 41 est relâchée et que la 'tête de sonde 24 ' prend une configuration rectiligne La course permise au sous- ensemble 27 et les longueurs des ressorts 46 sont choisies de telle sorte que, lorsque la tête de sonde 24 est rectili- gne, une certaine tension reste dans les ressorts 46 et dans le câble 41, en donnant ainsi un certain degré de rigidité à la tête de sonde 24 dans sa position de repos. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Bras manipulateur, caractérisé en ce qu'il com- prend plusieurs anneaux ( 3) reliés les uns aux autres par- des longueurs de tubes ( 1) ayant des ondulations circonfé- rentielles ( 2), deux âmes longitudinales ( 4,5) s'étendant sur la longueur du bras manipulateur et étant diamétralement espacées par rapport aux anneaux ( 3), les âmes ( 4,5) étant destinées à être flexibles dans un premier plan mais raides dans un second plan, à angle droit par rapport au premier plan, et ainsi disposées que les premiers plans des âmes ( 4,5) coïncident, afin de raidir le bras manipulateur dans le premier plan, mais de le rendre flexible dans le second plan, et des moyens ( 6,7,14,15) destinés à provoquer la flexion du bras manipulateur dans le premier plan. 2 Bras manipulateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens destinés à provoquer la flexion du bras manipulateur dans le premier plan comprennent au moins un câble ( 6,7,14, 15,41) s'étendant dans le second plan et attaché à une extrémité à un tambour d'enroulement ( 9,10) et, à l'autre extrémité, à l'anneau ( 3) le plus éloigné du tambour d'enroulement ( 9,10) et passant librement au travers de trous ménagés dans les anneaux intermédiaires ( 3). 3 Bras manipulateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comprend deux tels câbles ( 6,7) et deux tels tambours d'enroulement ( 9,10), les câbles ( 6,7) étant diamétralement opposés l'un à l'autre. 4 Bras manipulateur selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comprend plusieurs dispositifs de traction coplanaires ( 46) reliant les anneaux ( 3) et disposés en position opposée audit câble ( 41). Bras manipulateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux tronçons de bras- manipulateur raccordés l'un à l'autre au'moyen d'un joint rotatif ( 12) et des moyens ( 37,38) destinés à entraîner en rotation un tronçon du bras manipulateur par rapport à l'autre. 6 Bras manipulateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les âmes ( 4,5) sont creuses et sont traversées par au moins un câble de commande ( 39) des- tiné à manoeuvrer un dispositif ( 24) à l'extrémité libre du bras manipulateur. -5 7 Bras manipulateur selon la revendication 6, telle que rattachée à la revendication 5, caractérisé en ce que des câbles de commande ( 37,38) passent dans les âmes ( 4,5) afin d'actionner le joint rotatif ( 12) et de provoquer la flexion du second tronçon du bras manipulateur dans son premier plan correspondant. 8 Bras manipulateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens destinés à provoquer la flexion du bras manipulateur dans le premier plan comprennent plu- sieurs organes d'actionnement à double effet reliant les anneaux ( 3) et s'étendant en position diamétralement opposée les uns par rapport aux autres dans le second plan.