Brevet FR2562459A1 — publié le 19851011

- 1 - Bras de manipulation Modulaire: La présente invention concerne les éléments consti- tutifs et le mécanisme de commande d'un bras de manipulation. Les robots de manutention actuels sont le plus souvent constitués d'un corps vertical, d'un bras et d'un avant-bras avec poignet portant la main de préhension. Le corps a un mouvement de rotation suivant un axe vertical, le bras un mouvement vertical ou de rotation suivant un axe horizontal - dans ce cas l'avant bras peut se plier par rapport au bras enfin le poignet qui porte la main de préhension peut s'orienter suivant deux axes perpendiculaires: en définitive au minimum 5 axes commandés en vitesse et position par un servomécanisme spécifique. Tous les points de l'espace proche ne sont pas pour autant accessibles et, souvent un 6ème axe doit être ajouté (Robot de peinture). Les trois éléments-différents-dont sont constitués ces robots sont rigides, d'o un encombrement dynamique important et une directivité limitée par l'environ- nement dans lequel ils sont généralement installés. Il serait avantageux de pouvoir disposer d'éléments identiques, articulés, de faible longueur, susceptibles de pouvoir con- tourner les obstacles et d'une longueur totale adaptée aux aux distances à parcourir pour atteindre l'objet à manipuler. L'invention fournit un bras de manipulation comportant un certain nombre de couples,d'élèments disposés en série et articulés les uns sur les autres, chaque élément portant deux moyens d'accouplement qui les relient chacun à un élé- ment adjacent avec possibilité de pivotement autour d'un axe, caractérisé en ce que: - les axes de pivotement des moyens d'accouplement d'un élément se rencontrent et font entre eux un angle compris entre 0 et 90 degrés. - des moyens sont prévus pour faire pivoter ou immobi- liser à volonté un élément par rapport à un élément adjacent autour le l'axe du moyen d'accouplement correspondant. De préférence, le premier élément est fixé à une mani- velle mobile dans un plan. De préférence, les dits moyens pour faire pivoter ou immobiliser un élément par rapport à un élément adjacent sont constitués par: - - 2562459 - un arbre formé d'un certain nombre de tronçons rigides dont au moins un est coaxial à l'axe de pivotement d'un des moyens d'accouplement dudit élément, les dits tronçons étant reliés par des joints universels placés au point d'in- tersection de deux axes de pivotement successifs. - un moyen d'entraînement en rotation alternative de cet arbre, avantageusement composé d'une bielle touril- lonnant autour d'un moyeu excentrique, la dite bielle cou- - lissant d'autre part dans le tronçon rigide associé au premier élément et perpendiculairement à lui. - un embrayage reliant à volonté les dits éléments aux dits tronçons constituant l'arbre d'entraînement. - un frein capable d'empêcher le pivotement relatif des deux éléments adjacents. N.B. Les dits moyens pour faire pivoter ou immobiliser un élément par rapport à un élément adjacent peuvent être également constitués par des moteurs freins ou des moteurs pas à pas associés à chaque élément et entraînant l'élément adjacent par un couple d'engrenages; on notera cependant que si un arbre est utilisé pour faire pivoter les éléments les uns sur les autres, une prise de mouvement reste disponible en extrémité de bras pour, par exemple donner un mouvement de rotation à la pince. De préférence, les dits moyens d'accouplement d'un élément avec un élément adjacent comprennent un roulement et, à l'intersection, les axes de pivotement des deux moyens d'accouplement d'un même élément se trouvent dans le plan diamétral de ce roulement. De préférence, les angles des axes de pivotement des moyens d'accouplement des éléments successifs formant une ligne brisée, sont alternativement nuls et non nuls. De préférence, la manivelle de fixation du premier élément du bras de manipulation peut se déplacer dans un plan horizontal ou vertical par l'intermédiaire d'un moto- réducteur commandable en position ou d'un moteur pas à pas. De préférence, les moyens de commande du mouvement utili- sent un ou plusieurs micropresseurs pour remplir entre autres les fonctions suivantes: - 3 _ 2562459 - memorisation des coordonnées cylindriques et des posi- tions angulaires successives de la main de préhension. - calcul des positions angulaires des éléments les uns par rapport aux autres et de la position angulaire de la manivelle en fonction d'une stratégie de déformation du bras tenant compte des obstacles. - commande des mouvements angulaires des éléments corres- pondant aux séquences successives à exécuter en prenant en compte les ordres logiques extérieurs; plus particuliè- ment le (ou les) microprocesseur établit les états vrais ou faux des embrayages et freins de façon à maintenir la solida- rité statique et dynamique de tous les éléments du bras entre eux. Bien évidemment les dispositifs décrits ci-dessus sont complémentaires dans la mesure o ils impliquent la prise en compte de la modularité des éléments constitutifs à la fois au niveau mécanique, informatique et de contrôle commande. L'invention sera mieux comprise en se référant aux figures 1, 2, 3, 4 qui illustrentdefaçonnonlimitative deux modes de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 est une vue schématique, en élévation de l'ensemble du manipulateur et du dispositif à manivelle qui assure le déplacement angulaire du premier élément d'accou- plement de celui-ci. La figure 2 est une vue du dispositif bielle-excentrique qui assure le mouvement angulaire alternatif de l'arbre de commande en rotation des éléments du bras. La figure 3 enfin présente une coupe d'un couple d'élé- ments avec leurs moyens d'accouplement, l'arbre d'entrai- nement, les embrayages et les freins reliant les éléments entre eux et à l'arbre d'entraînement. La figure 4 présente une autre solution permettant de faire pivoter les éléments les uns par rapport aux autres. On se réfère d'abord à la figure 1. Une manivelle (40), mobile autour d'un axe horizontal ou vertical (45) peut se déplacer angulairement d'un angle variable au moyen du moto- réducteur (48). Le premier élément du bras de manipulation (la) est fixé à l'extrémité de cette manivelle au point (47). Le dit point décrivant un arc de cercle et plusieurs élé- ments successifs pouvant être orientés de façon à faire entre eux un angle constant, la partie non utilisée du bras peut alors être enroulée suivant un arc de cercle de rayon R égal à la longueur de la manivelle et du centre de l'axe de cette manivelle. On se réfère maintenant à la figure 2. Une bielle (46) tourillonne librement autour d'un moyeu excentrique (45) mis en rotation par le moteur (43). La tige (49) de la bielle peut coulisser dans un trou (50) percé dans la partie inférieure du premier tronçon (22) de l'arbre du ma- nipulateur et perpendiculairement à cet arbre. Lorsque le moyeu excentrique est mis en rotation, la tige de bielle prend alternativement une inclinaison gauche et droite en faisant tourner l'arbre d'entralnementd'un angle\ alternati- vement à gauche et à droite. Par le jeu des embrayages et des freins associés aux éléments du manipulateur, il est alors possible de faire pivoter ces éléments les uns par rapport aux autres soit à droite soit à gauche en une seule séquence si la rotation à effectuer est inférieure à 0 rieure à O . On se réfère maintenant plus précisément à la figure 3. 2 éléments associés (1) et (2), à corps cylindrique sont re- présentés. Une des faces du corps cylindrique de chaque élé- ment est perpendiculaire à l'axe du cylindre - faces (10) et (20) -, l'autre face fait un angle 9 avec ce même axe - faces (11) et (21) -. Le moyen d'accouplement entre les deux éléments (1) et (2) est réalisé par le roulement (4) placé dans le plan des faces obliques (11) et (12), avec les éléments amont et aval par les roulements (5) et (6) situés dans les plans des faces (10) et (20) perpendiculaires à l'axe du corps cylindrique et dans les plans des faces analogues des modules amont et aval. Deux des tronçons associés aux éléments (1) et (2) sont figurés en (12) et (22); reliés par le joint universel (7) ils constituent une portion de l'arbre d'entraînement. Le tronçon (22) est monté dans l'axe du couple des éléments (2) et (3) par l'intermédiaire de deux roulements (23) et (33). - 5- 2562459 Il en est de même du tronçon (12) monté dans l'axe de l'élé- ment (1), [ roulement(13)]. L'entraînement de l'élément (2) est commandé par l'em- brayage (24) dont le moyeu est fixé sur le tronçon (22) par la clavette (25). De même le corps cylindrique (1) est commandé en rotation par l'embrayage (14) fixé sur le tron- çon (12) par la clavette (15). La liaison entre les éléments (1) et (2) est assurée par le frein (8), et entre les éléments (2) et (3) par le frein (9). Des disques à fentes (16) et (36) sont montés sur les éléments (1) et (3) et deux capteurs magnétiques (26) et (27) sur le module (2). La position respective des éléments (1) (2) et (3) entre eux peut ainsi être repérée. Le fonctionnement est alors le suivant: les trois élé- ments sont normalement rendus solidaires par les freins (8) et (9). L'arbre constitué par les tronçons (12) et (22) et le joint universel (7) a un mouvement oscillant donné par le dispositif suivant la figure 2. Revenons à cette figure: le moteur (43) entraîne le moyeu d'excentrique (45). La tête de bielle (46) associée à cet excentrique, est animée de ce fait d'un mouvement circulaire autour de l'axe fixe (51). Le pied de bielle (49), maintenu dans le trou (50) du tron- cçon (22), est animé, lui, à la fois d'un mouvement linéaire et d'un mouvement d'oscillation d'amplitude. Ce mouve- mentd'oscillation est transmis au tronçon (22). Revenons à la figure 3: si l'on relâche le frein (9) et que l'on sollicite l'embrayage (34), on aura une rotation de l'élé- ment (3) par rapport à l'élément (2) dans le plan ZZ. De même, si l'on relâche le frein (8) et que l'on sollicite l'embrayage (24),on aura une rotation de l'élément (1) par rapport à l'élément (2) dans le plan YY. Le mouvement s'effectue dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse suivant l'instant de la commande. On se réfère à la figure 4. Nous retrouvons sur cette figure les éléments (1) (2) et (3) et les roulements (4)et (5) faisant accouplement entre eux. Le moyen d'entra - nement du module (2) par rapport au module (1) est ici cons- titué d'un moteur (52) attaquant la roue à denture inté- rieure (53) par l'intermédiaire du pignon (54). - 6 - 2562459 De la même façon le moteur (55) solidaire de l'élément (3) entraîne la roue à denture intérieure (56) solidaire de l'élément (2) dans le plan YY. On a représenté sur cette figure en 3a, en tirets, la position de l'élément (1) après rotation de 180 . Revenons maintenant à la figure 1. Le manipulateur dans sa version complète est constitué de: - un dispositif à manivelle monté sur un pied fixe (52) - un certain nombre de couples d'éléments modulaires (1) (2) montés en série le premier de ces éléments (la) étant fixé à la manivelle (40), le dernier (2a) portant la main de préhension (41). - un dispositif de commande de mouvement alternatif suivant figure 2 fixé également sur la manivelle d'entrai- nement et faisant pivoter les éléments les uns par rapport aux autres. Ce dernier dispositif peut être remplacé par des moteurs et des couples d'engrenages associés à chaque module (fig.4) - on notera l'intérêt de combiner les 3 dispositifs ci-dessus: manivelle, éléments d'accouplement avec leurs tronçons d'entraînement et dispositif de commande à mouve- ment alternatif. On peut de cette façon donner au bras de manutention la longueur utile nécessaire tout en conservant toutes les possibilités d'orientation des éléments les uns par rapport aux autres. La forme et la longueur du bras peuvent à tout instant être adaptées aux conditions optimum correspondant aux mouvements à effectuer. On notera également les avantages de chacun des moyens d'entraînement décrits ci-dessus et représentés respecti- vement sur les figures 3 et 4. Dans le premier cas, un seul moteur entraîne l'ensemble des tronçons constituant l'arbre de transmission du mouvement angulaire aux éléments d'accouplement, d'o une simplicité de conception qui con- vient aux apllications o la rapiditéetlasimultanéité des mouvements ne sont pas des conditions essentielles. Dans le second cas, chaque élément d'accouplement dis- pose de son propre moyen d'entraînement; on peut donc modi- fier simultanément dans le sens voulu la position angulaire de tous les élements d'accouplement l'un par rapport à l'autre, d'ou une très grande rapidité de déplacement de la main de préhension. On peut également par une program- mation pertinente, donner à chaque couple d'éléments de liaison la position angulaire de celui qui le suit immé- diatement tout en faisant tourner la manivelle (40) d'un angle correspondant à la longueur de 2 éléments. En répétant cette opération, on obtient un déroulement progres- sif du bras de manutention suivant une trajectoire connue et modifiable. - 8 - 2562459 REVENDICATIONS 1Bras de manipulation comportant un certain nombre d'éléments (1,2 Fig.3) disposés en série et articulés les uns sur les autres, chaque élément portant deux moyens d'ac- couplement (4,6 Fig.3) qui les relient chacun à un élément adjacent avec possibilité de pivotement autour d'un axe, caractérisé en ce que: - les axes de pivotement des moyens d'accouplement d'un élément se rencontrent et font entre eux un angle com- pris entre 0 et 90 , - des moyens sont prévus pour faire pivoter ou immo- biliser à volonté un élément par rapport à un élément adja- cent autour de l'axe du moyen d'accouplement correspondant. 2. Bras de manipulation selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens pour faire pivoter ou immobi- liser un élément par rapport à un élément adjacent sont constitués par: un arbre (12 Fig.3) formé d'un certain nombre de troncons rigides (12,22 Fig.3) dont au moins un est coaxial à l'axe de pivotement d'un des moyens d'accouplement dudit élément, lesdits tronçons étant reliés par des joints uni- versels (7 Fig.3) placés au point d'intersection de deux axes de pivotement successifs, - un moyen d'entraînement en rotation alternative de cet arbre, (Fig.2) - un embrayage (24 Fig.3) reliant à volonté ledit élé- ment au dit arbre - un frein (9 Fig.3) capable d'empêcher le pivotement relatif des deux éléments adjacents. 3. Bras de manipulation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'accouplement d'un élément avec un élément adjacent comprenant un roulement et, à l'intersection, les axes de pivotement des deux moyens d'accouplement d'un même élément, se trouvent dans le plan diamétral de ce roulement. 4. Bras de manipulation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les angles des axes de pivote- ment des moyens d'accouplement des éléments successifs for- mant une ligne brisée dans l'espace sont alternativement nuls et non nuls. - 9 - 2562459 5. Bras de manipulation suivant la revendication carac- térisé en ce que le premier élément modulaire est assujetti à une trajectoire curviligne par fixation sur un dispositif à manivelle (40 Fig.1). 6. Bras de manutention suivant les revendications 1 et2 caractérisé en ce que le mouvement de rotation alternatif de l'arbre d'entraînement est donné par un système à moyeu excentrique (Fig.2). 7. Bras de manutention suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les dits moyens pour faire pivoter ou immobiliser un élément par rapport à un élément adjacent sont constitués par des ensembles moteurs-couples, engre- nages associés à chacun des modules (Fig.4). 8. Bras de manutention suivant l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la commande des mouvements rela- tifs des modules constituant le manipulateur en fonction des séquences et de trajectoires à réaliser est effectuée par un système microprocesseur.