Brevet FR2559283A1 — publié le 19850809

L'invention a pour objet une articulation utilisable pour la réalisation d-es articulations du tronc, de l'épaule, du coude, du poignet sur un manipulateur servant à programmer ou a commander un robot possédant des articulations motorisées en nombre égal. Plus précisément, l'articulation de l'invention convient bien à la réalisation d'un manipulateur articulé portable, de dimensions réduites, utilisable comme maître pour la commande directe ou la programmation par apprentissage d'un ou de plusieurs robot, ou d'un bras-robot ou d'un poignet-robot esclaves. L'invention concerne aussi un manipulateur maître muni d'une ou de plusieurs articulations selon l'invention. La programmation par apprentissage des robots est très utilisée en milieu industriel. Malgré leexis- tence et le développement continu de langages symboliques de commande des robots, l'intérêt de la méthode par apprentissage est certain, soit qu'elle soit seule disponible pour des machines destinées à l'exécution de tâches simples, soit qu'elle soit utilisée en complément d'une commande principale par langage. La facilité d'emploi et les performances de la méthode par apprentissage sont directement fonction de la commande manuelle utilisée. On connaît la commande par manipulateur dite à "boîte à boutons", très répandue, mais peu commode, et la commande par manipulateur du type syntaxeur, bien plus efficace en particulier pour l'exécution de trajectoires continues.On désigne usuellement par syntaxeur un système mécanique articulé, manié par l'opérateur, réalisant une transposition entre ses propres mouvements et ceux du robot par l'intermédiaire d'un changeur de coordonnées mécanique, électronique ou informatique. On connaît ainsi des syntaxeurs de type poignée, pantin, ou robot-maître. L'articulation de l'invention s'applique à la réalisation d'un syntaxeur de type robot-maltre, portable et de faible cotit, avec changeur de coordonnées de type informatique, très efficace car permettant une commande gestuelle dont l'exécution s 'avère particulièrement naturelle. Un couplage entre un organe maître et un organe esclave a une souplesse bien plus grande quand il est possible de réaliser à volonté soit un couplage dit positionposition (P/P) grâce auquel l'organe esclave prend les mêmes positions-que l'organe martre, soit un couplage dit position-vitesse (P-V) grâce auquel tout écartement de l'organe maître par rapport à une position initiale quelconque, se traduit par un déplacement dans le même sens que l'organe esclave à une vitesse qui est fonction de l'importance de cet écartement. Il est apparu qu'un fonctionnement satisfaisant de l'ensemble maltre-esclave s'obtient lorsque les articulations peuvent être mises dans trois états définis qui sont : - l'état dit libre (L) dans lequel l'organe maître reste en équilibre indifférent quand on l'abandonne à lui-même ; cette condition nécessite un bon équilibrage des pièces constitutives de cet organe et un léger couple de frottement résiduel. Cet état libre est désirable pour le couplage position-position (P/P). - l'état dit de rappel élastique (RE) à une position de blocage quelconque dans lequel un couple de rappel, qui est réglable de préférence, remet l'articulation à une position initiale quelconque après un écartement par rapport à celle-ci de + 15 à 200. - l'état dit de blocage (B) à une position quelconque dans lequel l'articulation est bloquée et ne fonctionne plus. Ces deux derniers états sont désirables pour le couplage position-vitesse (P-V). L'invention a pour but principal d'apporter une articulation pouvant être montée au tronc, à l'épaule, au coude ou au poignet d'une structure maître et pouvant être mise à volonté dans l'un quelconque des trois états définis ci-dessus. Une articulation conforme à l'invention pour reunir un premier élément à un second élément comprend un corps creux ayant des faces intérieures transversales limi- tant un évidement à axe longitudinal et destiné à être fixé au premier élément, un arbre supporté libre en rotation dans ce corps creux coaxialement à l'axe longitudinal pour s'étendre dans ledit évidement et destiné à être rixe au second élément 2 cet arbre est pourvu d'une part, d'un éle ment de blocage s'étendant en regard d 'une première race interieure du corps creux, d'autre, d'un moyen de rappel élastique en rotation comprenant une première pièce s'appli- quand élastiquement contre 1 arbre et une seconde pièce s'étendant. en race dsune seconde ace intérieure du corps creux ;; au moins un piston est disposé autour de l'arbre dans l'évidement pour coulisser de manière étanche dans ce dernier et le long de l'arbre pour agir, à volonté, sur l'élément de blocage ou sur le moyen de rappel élastique Selon une première variante de réalisation de l'invention, le piston est placé entre l'élément de blocage et le moyen de rappel élastique en rotation, 1 'ensemble composé de l'élément de blocage, du piston et du moyen de rappel élastique se trouvant entre deux faces intérieures de ' évidement, cependant que des canaux sont percés à travers la paroi du corps creux pour permettre l'arrivée ou l'éva- cuation de fluide hydraulique de part et d'autre du piston Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, l'évidement est divisé par une cloison transversale partielle en deux volumes communicants, le moyen de rappel élastique et un premier piston sont montés dans un premier volume, l'élément de blocage et un deuxième piston sont montés dans un deuxième volume, des canaux sont percés à travers la paroi du corps creux pour permettre l'arrivée ou l'évacuation de fluide hydraulique pour les déplacements fonctionnels du premier et du deuxième piston. De préférence, le premier piston est proche de la cloison transversale partielle d'un côté de celle-ci, l'élément de blocage est proche de la cloison transversale partielle de l'autre côté de celle-ci, cet élément de blocage est traversé par des trous dans sa partie dégagée de la cloison transversale partielle et le deuxième piston est repoussé par un ressort en direction de l'élément de blocage, les canaux percés à travers le corps étant situés pour que le fluide sous pression pousse les pistons en les éloignant de la cloison transversale partielle. Avantageusement, dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément de blocage est un disque transversal à l'arbre qui est fixé à l'arbre ou qui en fait partie intégrante, disposé pour être serré par un piston contre une face intérieure du corps. Le moyen de rappel élastique comprend une enveloppe cylindrique montée dans le corps et ayant une ouverture transversale à l'arbre, au moins un piston monté coulissant dans cette ouverture transversale, un ressort appuyé contre une butée à une extrémité de l'ouverture et repoussant le piston contre l'arbre ou contre une pièce fixée à ce dernier ; selon une première variante, l'extrémité du piston proche de l'arbre présente une face extrême en V et une pièce fixée à l'arbre est contenue dans cette face en V ; selon une deuxième variante l'arbre a deux méplats opposés parallèles et il existe deux pistons disposés en sens opposés pour s'appliquer chacun contre un méplat sous la poussée d'un ressort correspondant. Une structure maître, conforme à l'invention, a une partie extrême comprenant trois articulations conformes à la première variante de réalisation et ces trois articula tions sont disposées avec leurs axes longitudinaux concourants. De préférence, cette structure comprend aussi, en des points assimilables à un coude, à une épaule et à un tronc, trois articulations conformes à la seconde variante de réalisation de l'invention. La structure mécanique est complétée par des moyens électroniques et informatiques qui assurent deu fonctions principales : - permettre le dialogue entre l'opérateur et les structures maître et esclave par l'intermédiaire dsun pupitre de commande, par exemple un modèle du commerce à faible coût possédant une liaison série standard ; - assurer la transmission vers la structure esclave et son moyen de commande des informations relatives à la position angulaire de chaque articulation et à l'état de celles-ci (L, RE, B). On donnera maintenant, sans intention limitative et sans exclure aucune variante, une description de deux exemples de réalisation en se reportera au dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une structure maître à 6 axes de rotation utilisant l'articulation de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe par un plan passant par l'axe, selon II-II de la figure 3, d'un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue an coupe selon III-III de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe par un plan passant par l'axe, selon IV-IV de la figure 5 d'un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe selon V-V de la figure 4, - la figure 6 est une vue en coupe analogue à la figure 5 montrant une variante d'exécution du moyen de rappel élastique de l'invention. La structure représentée sur la figure 1 comprend les deux modes de réalisation de l'invention, le mode le plus simple des figures 2 et 3 pour constituer des articulations dites de poignet désignées par la référence générale P et le mode le plus perfectionné des figures 3 et 4 pour constituer des articulations dites de coude et de tronc désignées par la référence générale C. Dans cet exemple, il existe donc trois articulations de poignet P à la partie extrême du bras. L'articulation la plus extrême P1 est montée sur une branche 1 d'une équerre 2 à 900 dont la seconde branche 3 porte une deuxième articulation P2. Celle-ci est réunie aussi à une branche 4 d'une équerre 5 à 900 dont la seconde branche 6 est réunie à la troisième articulation P3. De cette façon, les équerres 2 et 5 ayant leurs branches situées dans des plans parallèles, avec leurs angles disposés en opposition; les axes de rotation des arbres de l'articulation la plus extrême P1, de la deuxième articulation P2 et de la troisième articulation P3 sont concourants. La troisième articulation P3 est réunie à une branche 7 d'une équerre 8 à 900 dont la seconde branche 9 est réunie dans la région du coude par l'intermédiaire de la première articulation C1 à l'extrémité d'un bras 10. Ce dernier est articulé dans la région de l'épaule au sommet d'un tronc 11 par l'intermédiaire de la seconde articulation C2. Le tronc 11 est lui-même monté tournant sur une base 12 grâce à une articulation de tronc C3. Les articulations C et P de l'invention peuvent être utilisées autrement sur des poignets, des bras, des robots, ou des manipulateurs ayant une structure différente et un nombre identique ou différent d'axes d'articulation. On se reportera bmaintenant plus spécialement aux figures 2 et 3 pour décrire le mode d'exécution le plus simple de l'invention. Un corps creux 14 est destiné à être fixé à un premier élément à articuler, par exemple une branche d'une équerre 2,5, 8. Il a des faces intérieures 15 qui limitent un évidement 16 à axe géométrique longitudinal 17. Un arbre 18 est supporté dans le corps creux 14 coaxialement à l'axe géométrique longitudinal 17. Il est saillant par une extrémité pour être fixé à un second élément à articuler, par exemple une autre branche d'une équerre 2, 5, 8. Cet arbre 18 traverse l'évidement 16 et à l'intérieur de celuici il est pourvu d'un élément de blocage constitué par un disque 19 fixe en position transversale à l'arbre 18 et placé, au moins en partie, en regard d'une face intérieure 15 de l'évidement 16. Un piston 20 est renté dans l'évidement 16, autour de l'arbre 18 pollr pouvoir coulisser de façon étanche dans le sens de l'axe géométrique 17. Ce piston 20 a une face latérale 20E voisine du disque 19 par laquelle il peut être applique contre ce dernier afin de l'immobiliser contre la face interne du corps 14. Dans cette situation l'articulation est à l'état de blocage (B) puisque l'arbre 18 est immobilisé par rapport au corps 14. Du côté de la face opposée 20 B du piston 20 est ménagée dans l'évidement 16. une chambre 21 d'alimentation en fluide sous pression mise en communication avec un canal d'alimentation 22. Cette chambre 21 contient un moyen de rappel élastique en rotation désigné par la référence générale 23, mieux visible sur la figure 3. Dans cet exemple, ce moyen de rappel élastique 23 comprend une enveloppe cylindrique 24 dans laquelle est prévue une ouverture transversale et diamétrale 25 qui contient deux pisons 26 coulissant en sens radial, de part et d'autre de 11 arbre 18. Entre ces deux pistons 26, cet arbre 18 est réduit en grosseur à l'intérieur de l'enveloppe 24 pour présenter deux méplats opposés parallèles 18A contre lesquelles les deux pistons 26 viennent s'appliquer.Ces derniers sont poussés en direction des méplats 18A par deux ressorts 27 dont l'extrémité opposée est en appui contre une butée 28 vissée dans l'enveloppe cylindrique 24. Quand l'enveloppe cylindrique 24 est laissée libre dans la chambre 21, l'ensemble du moyen de rappel élastique tourne avec l'arbre 18 à l'intérieur du corps 14. Mais quand cette même enveloppe 24 est immobilisée par rapport au corps 14 pendant que les pistons 26 conservent leur liberté de coulissement en sens radial, l'arbre 18 peut tourner. Les méplats 18A se mettent en oblique par rapport aux pistons 26 en repoussant ces derniers contre l'effet des ressorts 27. Dans cette situation, tant que les pistons 26 restent en contact respectivement chacun avec des bords opposés longitudinaux des méplats 18A, ils exercent sur l'arbre 18 un couple de rappel qui tend à remettre cet arbre à sa position initiale visible sur la figure 3 dans laquelle les deux pistons sont appliqués chacun sur la totalité de la surface d'un méplat 18A. L'articulation est alors à l'état rappel élastique (RE). Le moyen de rappel élastique 23 est placé dans la chambre 21 entre une face interieure 15 du corps 14 et la face 20B du piston 20. Une autre chambre 29 qui communique avec un canal d'alimentation 30 est prévue du côte de la face 20A de ce piston 20. Le disque 19 se trouve dans cette autre chambre 29 et il est perforé pour être traversé par le fluide sous pression. Celui-ci repousse le piston 20 qui applique alors fermement l'enveloppe 24 contre la surface intérieure 15 du corps 14 et l'immobilise. Cette immobilisation se fait à toute position quelconque en rotation de l'arbre 18. Les deux pistons opposés 26 qui agissent sur les méplats 18A ont une dimension assez faible par rapport à celle de l'ouverture 25 dans laquelle ils sont logés pour ne pas être en contact avec le piston 20. Ainsi le rappel élastique expliqué ci-dessus se produit sans aucune entrave. L'enveloppe 24 est également perforée dans le sens de l'axe 17, comme le disque 19 afin qu'elle soit traversée librement par le fluide sous pression que l'on peut envoyer dans la chambre 21. En l'absence de pression dans les deux chambres 21 et 29, le piston 20 n'immobilise pas le disque 19 ni l'enveloppe 24, de sorte que l'arbre 18 est libre en rota tion. On rotera que dans cet exemple des figures 2, 3 d'une articulation P, le piston 20 est placé entre l'élément de blocage constitué par le disque 19 et le moyen de rappel élastique 23, à l'intérieur de l'évidement 16. On decrira, maintenant, l'articulation illustrée par les figures 4 et 5. On utilisera les mêmes références numé@iques pour désigner les pièces identiques ou analogues ayant les mèmes fonctions. On insistera principalement sur les différences qui existent entre ces deux exemples de r@alisation. Le corps creux 14 est destiné à être fixé, par exemple, à la seconde branche 9 de l'équerre 8 ; ce corps 14 contient l'arbre 18 qui est destiné à être fixé au bras 10 (figure 1).Dans l'évidement 16 sont montés, autour de l'arbre 18 et de l'axe géométrique 17, à partir d'une face interne 15 de l'évidement 21, en premier lieu le moyen de rappel élastique 23, puis le piston 20 servant à immobiliser l'enveloppe 24 de ce moyen de rappel 23, enfin l'élément de blocage 19 également constitué ici par un disque 19 qui fait partie intégrante de l'arbre 18. La différence principale avec l'exemple précédent est que le piston 29 ne sert qu'à immobiliser l'enveloppe 24 du moyen de rappel élastique 23, quand il est repoussé jusqu'à venir an contact par sa face 20A avec cette enveloppe 24. Entre le piston 20 et le disque 19 il existe une cloison transversale partielle 31 qui est ouverte en son centre pour laisser passer l'arbre 18. Elle a des faces internes 15 et elle divise l'évidement 16 en deux -volumes Un premier volume contient le moyen de rappel élastique 23, le piston 20 et une chambre de fluide 32 qui communique avec un canal d'alimentation 33. Le second volume contient le disque 19 percé de trous 19A, une chambre de fluide 34 et un second piston 35.La chambre de fluide 34 communique par les trous 19A du disque 19 et par l'ouverture centrale de la cloison 31 avec la chambre de fluide 32. En outre, le second piston 35 et le corps creux 14 ont, en correspondance, des épaulements 36 qui limitent une chambre annulaire 37. Celle-ci communique avec un second canal d'alimenta- tion 38. Un ressort de rappel 39 est monté entre le second piston 35 et la paroi extrême voisine du corps creux 14 pour pousser ce second piston 35 vers le disque 19. Le fonctionnement de cette articulation C est le suivant. En l'absence de pression dans les deux chambres 32 et 37, le moyen de rappel élastique 23 est libre et sans effet, le second piston 35 est poussé par le ressort 39 contre le disque 19 qu 8 ss 1 serre contre la cloison transversale 31, de sorte que l'articulation est bloquée, au moins jusqu'à une certaine valeur du couple que l'on peut déterminer à l'avance. L'articulation est à l'état de blocage (B). Quand on envoie du fluide sous pression dans la chambre 37 seule, le second piston 35 est écarté du disque 19. L'articulation est libre et se trouve à l'état (L). Quand on envoie du fluide sous pression dans la chambre 32 seule, ce fluide arrive aussi dans la chambre 34, à travers le disque 19 et il agit à la fois sur les deux pistons 20 et 35 en les écartant de la cloison transversale 31. Le piston 20 immobilise l'enveloppe 14 du moyen de rappel élastique 23 comme on l'a expliqué plus haut ; le piston 35 est éloigné du disque 19 qu'il libère. L'articulation se trouve alors à l'état de rappel élastique (RE). En bref, la différence essentielle entre les deux articulations C et P est que, en l'absence de fluide sous pression, l'articulation C est bloquée par l'effet du ressort 39 tandis que l'articulation P est libre. Sur la figure 4, on peut voir que l'arbre 18 est prolongé en dehors du carter 14, à son extrémité opposée à celle où se trouve le bras 10, jusqu'à un capteur 40, de type potentiométrique par exemple, qui permet de mesurer la position angulaire de cet arbre. La figure 6 se rapporte à une variante de réalisation du moyen de rappel élastique 23 Dans cette variante, l'en=Jeloppe 24 montée à a l'intérieur du corps creux 14 a une ouverture transversale 25 qui ne contient qug un seul piston 26 ç ce dernier est poussé par un ressort 27 qui s'appuie contre une butée vissée 28. Le piston 26 a une face extrême libre 26A taillée en V. Dans cette face en V est contenu un ergot longitudinal 18B qui fait partie de l'arbre 18 et qui est excentré par rapport à l'axe géométrique 17.Tout déplacement angulaire de 1 arbre 18 qui écarte l'ergot 13B du plan de symétrie de la face 26A en V provoque un rappel élastique vers sa position initiale visible sur la figure 6. Ceci se produit quand l'enveloppe 24 est immobilisée en rotation par rapport à arbre 18 Dans une variante de réalisation le bras 10 est prolonge au delà de son articulation avec le tronc Il et l'articulation C1 est montée à l'extrémité de la prolongation 10A représentée en trait mixte sur la figure 1. Une courroie crantée 1OB assure la transmission du mouve- ment de rotation de axe de coude, c'est-à-dire de l'équerre 8 à laquelle sont fixees les trois articulations du poignet P1 à P3. Ce montage permet d'obtenir une structure à équilibre indifférent autour de l'axe d'épaule. REVENDICATIONS 1. Articulation pour réunir un premier élément à un second élément d'une structure articulée de type maître, caractérisée en ce qu'elle comprend d'une part, un corps creux (14) ayant des faces intérieures transversales (15) limitant un évidement (16) à axe longitudinal (17), destiné à être fixé au premier élément ; d'autre part, un arbre (18) monté libre en rotation dans ce corps creux coaxialement à l'axe longitudinal (17), destiné à être fixé au second élément ; cet arbre (18) est muni à l'intérieur de l'évidement (16) d'un élément de blocage (19) placé en regard d'une première face intérieure (15), et d'un moyen de rappel élastique en rotation (23) ayant au moins une enveloppe (24) entourant l'arbre (18), disposée-en regard d'une seconde face intérieure (15), avec une ouverture transversale (25) contenant au moins un piston (26) appliqué élastiquement contre l'arbre (18), cependant qu'au moins un piston (20-) est disposé dans l'évidement (16) autour de l'arbre (18) pour serrer, à volonté, l'élément de blocage (19) ou le moyen de rappel élastique en rotation (23) contre la face intérieure (15) correspondante. 2. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un seul piston (20) est disposé entre l'élément de blocage (19) et le moyen de rappel élastique en rotation (23), des chambres d'alimentation en fluide sous pression (21,29) étant ménagées de part et d'autre de ce piston (20) et contenant respectivement l'élément de blocage (19) et le moyen de rappel élastique (23). 3. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une cloison transversale partielle (31) à faces intérieures (15) divise l'évidement (16) dVune part en un premier volume qui contient le moyen de rappel élastique (23), le piston (20), une chambre de fluide (32), ce piston (20)étant proche de ladite cloison (31), d'autre part en un second volume qui contient l'élément de blocage (19) à proximité de ladite cloison (31), une chambre de fluide (34), un second piston (35), un ressort (39) poussant ce second piston (35) vers l'élément de blocage (19), le corps creux (14) et le second piston (35) ayant en correspondance des épaulements (36) qui limitent une chambre annulaire de fluide (37), les chambres de fluide (32, 34) proches respectivement du piston (20) et du second piston (35) étant en communication à travers la cloison transversale partielle (31) et à travers l'élément de blocage (19) percé de trous (19A). 4. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément de blocage est un disque (19) transversal à l'axe longitudinal tel7), qui fait corps avec l'arbre (18). 5. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre (18) présente à lsinterieur de l'enveloppe (24) du moyen de rappel élastique (23) deux méplats (18A) parallèles, deux pistons (26) sont montés dans l'ouverture transversale (25) et poussés chacun par un ressort correspondant (27) contre un méplat (18A). 6. Articulation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'arbre (18) est muni à l'intérieur de l'enveloppe (24) d'un ergot longitudinal (1BB) excentré par rapport à l'axe longitudinal (17), un seul piston (26) est monté dans l'ouverture transversale (25) avec une face extrême libre (26A) taillée en V, pour contenir l'ergot longitudinal (18B). 7. Structure maître articulée, caractérisée en ce qu'elle est pourvue à sa partie extrême libre de trois articulations, selon la revendication 2, ces trois articulations comprenant une articulation extrême (P1) suivie d'une articulation intermédiaire (P2) et une troisième articulation (P3), les axes longitudinaux de l'articulation extrême (P1) de la deuxième articulation (P2) et de la troisième articulation (P3) étant concourants. 8. Structure maître selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, d'une part entre sa partie extrême et un bras (10), d'autre part entre ce bras (10) et un tronc (11), deux articulations (C1, C2) selon la revendication 3. 9. Structure maître selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en plus une troisième articulation (C3) selon la revendication 3 montée entre le tronc (11) et une buse (12) supportant ce tronc. 10. Structure selon la revendication 8, caractérisée en ce que le bras (10) a un prolongement (10A) audelà de son articulation avec le tronc (11), l'articulation (C1) entre la partie extrême et ce bras (10) est montée à l'extrémité de ce prolongement (10A) et réunie par une courroie (10B) à l'axe d'articulation de ladite partie extrême.