Brevet FR2565882A2 — publié le 19851220

FR 2565882 A2 19851220 FR 8409927 A 19840613 DISPOSITIF DE LIAISON A PLUSIEURS DEGRES DE LIBERTE L'invention concerne un dispositif mobile de liaison entre un élément porteur et un élément porté du type de celui décrit et revendiqué dans la demande principale n 82.21389. Elle est applicable dans le secteur de la roboti- que pour réaliser des bras de manipulation. Un des modes de réalisation décrit dans la demande principale vise un dispositif à action différentiel- le, comprenant: - une membrure-support adaptée pour être fixée sur l'élément porteur, - une membrure mobile adaptée pour permet- tre la fixation de l'élément porté, - une pluralité de vérins souples agencés entre la membrure-support et la membrure mobile de façon à maintenir ladite membrure mobile par rapport à ladite membrure- support dans une position relative fonction de l'ensemble des états de déformations desdits vérins souples, - associé et connecté à chacun desdits vérins souples, un réservoir de capacité variable formant avec le vérin souple considéré un circuit de fluide fermé de sorte que la capacité dudit réservoir impose l'état de déformation du vérin souple, chaque ensemble formé d'un vérin souple et d'un réservoir de capacité variable étant associé à un second ensemble formé d'un vérin souple et d'un réservoir de capacité variable pour former un système différentiel, - des moyens moteurs aptes à permettre de faire varier la capacité des réservoirs précités afin de l'a- juster à des valeurs déterminées, lesdits moyens étant agencés pour actionner simultanément deux réservoirs associés de sorte que leur capacité varie en sens inverse, les deux vérins sou- ples associés subissant des déformations opposées, - des moyens de mesure associés à chaque vérin souple et adaptés pour délivrer un signal représentatif de l'état de déformation dudit vérin souple. La présente invention se rapporte à des compléments techniques à ce type de dispositif. 2 2565882 Un objectif de l'invention est en parti- culier de fournir un dispositif dans lequel tout déplacement s'effectue sous l'action d'une compression hydraulique en vue d'éliminer les limitations de puissance que conditionne l'appa- rition de phénomènes de cavitation dans les systèmes en dépres- sion. Un autre objectif est d'autoriser des dé- placements précis non affectés par des déformations parasites des divers organes souples du système (conduit de liaison, soufflets) ou par la compressibilité du fluide utilisé (en gé- néral un liquide pour limiter cette compressibilité). A cet effet, le dispositif du type défini précédemment est équipé: - d'une unité de traitement agencée pour recevoir les signaux issus des moyens de mesure associés à chacun des vérins souples et adaptée pour délivrer des signaux différentiels représentatifs, pour chaque paire de vérins sou- ples associés, de la différence des états de déformations des deux vérins de ladite paire, - d'une unité de génération de signaux de consigne adaptée pour délivrer des signaux de consigne corres- pondant à des états de déformation souhaités des paires de vé- rins souples, - d'une unité de comparaison agencée pour recevoir les signaux différentiels précités et les signaux de consigne et adaptée pour délivrer des signaux d'erreur repré- sentatifs des écarts entre lesdits signaux, - de moyens de commande des moyens moteurs précités, agencés pour recevoir les signaux d'erreur et adaptés pour commander lesdits moyens moteurs dans le sens tendant à annuler les signaux d'erreur. Comme on le comprendra mieux plus loin, un tel dispositif agencé en boucle fermée fonctionne selon un mode différentiel aussi bien au niveau des moyens actionneurs (vérins souples) que des moyens de commande de ceux-ci (réser- voirs de capacité variable, moyens moteurs et moyens de mesure). Il est ainsi possible d'obtenir des déplacements très précis de l'élément porté, qui ne soient influencés par aucun phéno- mène parasite; de plus, chaque déplacement s'effectue par compression hydraulique dans l'un des deux vérins associés, de sorte que sont totalement écartés les phénomènes de cavita- tion qui pourraient apparaître au delà d'une certaine puissance. La description qui suit en référence aux dessins annexés présente à titre d'exemples non limitatifs des modes de réalisation de l'invention; sur ces dessins: - la figure 1 est une vue schématique par- tielle illustrant un premier mode de réalisation de l'inven- tion, - la figure 2 est une vue schématique par- tielle présentant un autre mode de réalisation. Comme indiqué dans la demande principale, le dispositif de liaison visé par l'invention peut présenter des agencements divers en vue de réaliser un système de mani- pulation fonction de l'application envisagée. Ce dispositif de liaison comprend plusieurs vérins associés deux à deux qui sont commandés par des réservoirs de capacité variable, eux- mêmes associés deux à deux, de sorte que chaque paire de vé- rins associés forme avec chaque paire de réservoirs associés un système différentiel en boucle fermée. A la figure 1, a été représentée une paire de vérins associés, les réservoirs correspondants et une unité électronique de traitement 5 assurant l'asservissement du sys- tème. En cet exemple, les vérins 1 et 2 sont constitués par deux soufflets la ou 2a assujettis chacun sur deux parois rigides Ib, lc ou 2b, 2c. Les soufflets la, 2a s'étendent le long d'un même axe, de part et d'autre d'une paroi rigide intermédiaire 6 qui est assujettie entre les pa- rois lc et 2c et est solidaire d'une membrure 7. Les autres parois lb et 2b sont traversées par des conduits de fluide 8 et 9 et sont en l'exemple soli- daires d'une membrure 10. Les vérins 1 et 2 permettent ainsi de déplacer la membrure 7 par rapport à la membrure 10, ces membrures constituent les membrures intermédiaires évoquées dans la demande principale qui peuvent être agencées avec d'autres paires de vérins, conformément aux exemples décrits dans cette demande ou selon tout autre agencement adapté à l'application envisagée. En l'exemple, chaque paire de vérins 1 et 2 du dispositif est agencée de sorte que les centres des deux parois lb, lc ou 2b, 2c qui délimitent chaque vérin, soient constamment positionnes sur l'axe commun des soufflets la et 2a; ceci peut être obtenu grâce à des guides tels que 11, qui guident le déplacement des parois des vérins selon un mouve- ment de translation parallèle à l'axe. En outre, chaque vérin est doté d'un émet- teur-récepteur ultrasonore 12 disposé dans chaque soufflet sur l'axe de celui-ci en position fixe par rapport à l'une des deux parois (lb), de façon à pouvoir émettre en direction du centre de l'autre paroi (lc); cet émetteur-récepteur est as- socié à des moyens électroniques 13 ou 13' (tels que circuit bistable) adaptés pour délivrer un signal électrique représen- tatif du temps séparant une émission de la réception de l'echo correspondant. De tels moyens de mesure permettant de connaître à chaque instant l'état de déformation du vérin con- sidéré sont connus en eux-mêmes et peuvent notamment compren- dre une pastille de quartz associée à des moyens d'excitation impulsionnelle à sa fréquence propre, la réception étant as- surée dans l'exemple visé par la même pastille. Le temps qui sépare une émission de la réception de son écho est représen- tatif du double de la distance séparant la pastille 12 et la paroi lc et donc de l'état de déformation du vérin le long de son axe. Il est également possible, dans une varian- te, de dissocier l'émetteur et le récepteur et de prévoir dans chaque soufflet une pastille émettrice au centre d'une paroi, apte à émettre en direction du centre de l'autre paroi, une pastille réceptrice au centre de cette autre paroi et des moyens électroniques adaptés pour délivrer un signal électri- que représentatif du temps séparant une émission par l'émet- teur de la réception par le récepteur. Par ailleurs, les deux vérins 1 et 2 sont hydrauliquement reliés par les conduits 8 et 9 aux réservoirs de capacité variable 3 et 4. Ces réservoirs sont constitués par deux soufflets 3a, 4a s'étendant le long d'un même axe entre deux parois fixes 14 et 15 portées par un bâti et traversées par les conduits de fluide 8 et 9. Les soufflets 3a et 4a sont séparés par une paroi intermédiaire 16 mobile le long de l'axe des souf- flets et liée à des moyens moteurs en vue d'engendrer son dé- placement le long de cet axe. En l'exemple, la paroi intermédiaire 16 est assujettie à une douille taraudée 17 portée par une vis sans fin 18 parallèle à l'axe des soufflets., Un moto-réducteur électrique 19 alimenté par un circuit de puissance 20 permet d'entraîner en rotation la vis 18 dans un sens ou dans l'au- tre. Les deux signaux électriques issus des moyens de mesure (12, 13) qui sont associés à chaque paire de vérins (1, 2) sont traités par l'unité 5. Chacun des deux si- gnaux est délivré vers un circuit d'échantillonnage 21 ou 22, qui génère une série d'impulsions dont le nombre proportionnel à la durée du signal initial est représentatif de l'état de déformation du vérin considéré. Les impulsions issus des cir- cuits 21 et 22 sont envoyées vers un différentiateur 23 qui fournit un signal numérique différentiel, représentatif de la différence du nombre d'impulsions entre les deux signaux issus des circuits d'échantillonnage. Ce signal numérique est représentatif de l'état du système différentiel constitué par les deux vérins 1 et 2. Ce signal numérique est envoyé vers une unité de comparaison 24 comprenant des compteurs numériques et recevant également un signal numérique de consigne issu d'une unité de génération; cette dernière est adaptée pour délivrer des signaux numériques de consigne correspondant aux états de déformations souhaités des vérins 1 et 2. L'unité de comparaison 24 délivre un si- gnal d'erreur numérique vers un convertisseur numérique/ana- logique 25; après conversion, le signal est amplifié et com- mande le circuit de puissance 20 qui alimente le moto-réduc- teur 19; la rotation de ce dernier est commandée dans le sens tendant à annuler le signal de commande. Les diverses fonctions ci-dessus évoquées peuvent être assurées par un microprocesseur qui engendrera les signaux de consigne grâce à une programmation associées àa l'ensemble des paires de réservoirs 3, 4 appropriée et commandera 'ensemDle des moteurs l9/-en ?-Zhc- tion de ces signaux de consigne et des signaux de mesure. La figure 2 schématise une variante du dispositif. Dans celle-ci, les réservoirs de capacité varia- ble et l'unité de traitement sont similaires au mode de réa- lisation précédent et n'ont pas été représentés. Par contre, les vérins souples 26 et 27 sont appariés de façon à faire pivoter une première membrure rigide telle que 28 par rapport à une seconde membrure rigide telle que 29. Ces vérins appariés sont actionnés comme précédemment selon un mode différentiel de façon à subir des déformations opposées. Ils s'étendent le long de deux axes sen- siblement parallèles entre les deux membrures rigides 26 et 27. Chaque vérin est constitué par un soufflet tel que 26a assujetti sur deux parois rigides 26b et 26c. La paroi 26b est fixée sur la membrure 28 et est traversée par le conduit hydraulique. La paroi 26c porte une bille de roulement en appui contre la membrure 29. Les vérins 26 et 27 sont1en ou- tre,dotés de moyens de mesure du même type que précédemment, aptes à délivrer un signal électrique représentatif de leur état de déformation. Par ailleurs, les deux membrures 28 et 29 sont reliées par une entretoise 30 fixée sur la membrure 28 et articulée sur 1a membrure 29 au moyen d'une rotule 30a. L'état de déformation des vérins 26 et 27 commande l'angle d'inclinaison de la membrure 29 par rapport à la membrure 28, dans le plan des deux vérins. Un système analogue de deux vérins asso- ciés peut être prévu dans un plan orthogonal afin de comman- des deuxmembrures der l'inclinaison/dans ce plan. Il est ainsi possible d'in- cliner la membrure 29 autour de son articulation selon toutes les directions de l'espace avec une amplitude fonction de la coursedes vérins. Plusieurs systèmes tels que définis ci- dessus peuvent être empilés en série pour réaliser un bras manipulateur apte à se déplacer dans l'espace de façon extrè- mement precise. Le bouclage des systèmes de commande en mode différentiel rend les déplacements indépendants de la charge, de la compressibilité du liquide utilisé ou des déformations parasites. En outre, tout déplacement s'effectue avec un vérin en compression, ce qui autorise des puissances très élevées. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif mobile de liaison, à plu- sieurs degrés de liberté, entre un élément porteur et un élé- ment porté, permettant de faire subir des déplacements de l'élément porté par rapport à l'élément porteur, ledit dispo- sitif conforme à l'une des-revendications de la demande prin- cipale comprenant: - une membrure-support adaptée pour être fixée sur l'élément porteur, - une membrure mobile adaptée pour permet- tre la fixation de l'élément porté, - une pluralité de vérins souples (1, 2) agencés entre la membrure-support et la membrure mobile de fa- çon à maintenir ladite membrure mobile par rapport à ladite membrure-support dans une position relative fonction de l'en- semble des états de déformations desdits vérins souples, - associé et connecté à chacun desdits vé- rins souples, un réservoir de capacité variable (3, 4) formant avec le vérin souple considéré un circuit de fluide fermé de sorte que la capacité dudit réservoir impose l'état de défor- mation du vérin souple, chaque ensemble formé d'un vérin sou- ple (1) et d'un réservoir de capacité variable (3) étant as- socié à un second ensemble formé d'un vérin souple (2) et d'un réservoir de capacité variable (4) pour former un système dif- férentiel, - des moyens moteurs (19) aptes à permet- tre de faire varier la capacité des réservoirs (3, 4) précités afin de l'ajuster à des valeurs déterminées, lesdits moyens étant agencés pour actionner simultanément deux réservoirs as- sociés (3, 4) de sorte que leur capacité varie en sens inverse, les deux vérins souples associés (1, 2) subissant des défor- mations opposées, - des moyens de mesure (12, 13) associés à chaque vérin souple et adaptés pour délivrer un signal re- présentatif de l'état de déformation dudit- vérin souple, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - une unité de traitement (21, 22, 23) agencée pour recevoir les signaux issus des moyens de mesure associés à chacun des vérins souples et adaptée pour délivrer 9 2565882 des signaux différentiels représentatifs, pour chaque paire de vérins souples associés (1, 2), de la différence des états de déformations des deux vérins de ladite paire, - une unité (25) de génération de signaux de consigne adaptée pour délivrer des signaux de consigne cor- respondant à des états de déformation souhaités des paires de vérins souples, - une unité de comparaison (24) agencée pour recevoir les signaux différentiels précités et les si- gnaux de consigne et adaptée pour délivrer des signaux d'er- reur représentatifs des écarts entre lesdits signaux, - des moyens (20, 25) de commande des moyens moteurs (19) précités, agencés pour recevoir les si- gnaux d'erreur et adaptés pour commander lesdits moyens mo- teurs dans le sens tendant à annuler les signaux d'erreur. 2/ - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque paire de vérins souples associés (1, 2) est constituée par deux soufflets (la, 2a) s'étendant de part et d'autre d'une paroi rigide intermédiaire (6), le long d'un même axe, chaque soufflet étant obturé à son extrémité opposée à ladite paroi intermédiaire par une autre paroi (lb, 2b), traversée par un conduit de fluide (8, 9). 3/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque paire de vérins souples associés (26, 27) est constituée par deux soufflets (26a), chacun, as- sujettis sur deux parois rigides (26b, 26c) situées aux deux extrémités desdits soufflets, lesdits vérins s'étendant entre deux membrures rigides (28, 29) agencées pour pouvoir pivoter l'une-par rapport à l'autre sous l'effet de l'action différen- tielle des deux vérins souples (26, 27). 4/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 2 ou 3,caractérisé en ce que: - chaque paire de vérins souples est agen- cée de sorte que les centres des deux parois qui délimitent chaque vérin soient constamment positionnés sur l'axe des soufflets, - les moyens de mesure comprennent, d'une part, un émetteur-récepteur ultrasonore (12) disposé dans chaque soufflet sur l'axe de celui-ci en position fixe par rapport à l'une des deux parois précitées, de façon à émettre en direction du centre de l'autre paroi, d'autre part, des moyens électroniques (13, 13') adaptés pour délivrer un signal électrique représentatif du temps séparant une émission de la réception de l'écho correspondant. / - Dispositif selon l'une des revendica- tions 2 ou 3, caractérisé en ce que: - chaque paire de vérins souples est agen- cée de sorte que les centres des deux parois qui délimitent chaque vérin soient constamment positionnés sur l'axe des soufflets, - les moyens de mesure comprennent, d'une part, un émetteur ultrasonore disposé dans chaque soufflet au centre d'une des deux parois précitées, de façon à émettre en direction du centre de l'autre paroi, d'autre part, un récep- teur ultrasonore disposé au centre de cette dernière paroi, enfin des moyens électroniques adaptés pour délivrer un signal électrique représentatif du temps séparant une émission par -l'émetteur de la réception par le récepteur. 6/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 4 ou 5, dans lequel l'émission ultrasonore est assurée par une pastille de quartz associée à des moyens d'excitation impulsionnelle à sa fréquence propre, la réception étant assu- rée par la même pastille de quartz ou par une pastille séparée. 7/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque paire de réservoirs associés (3, 4) est constituée par deux soufflets (3a, 4a) s'étendant le long d'un même axe entre deux parois fixes (14, 15) traversées par des conduits de fluide (8, 9), lesdits soufflets étant séparés par une paroi intermédiaire (16) mobile le long de l'axe précité et liée aux moyens mo- teurs (19) en vue d'engendrer son déplacement le long de cet axe. 8/ Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la paroi intermédiaire (16) de chaque paire de réservoirs associés est assujettie à une douille taraudée (17) portée par une vis sans fin (18) parallèle à l'axe des souf- flets, un moto-réducteur (19) étant associé à ladite vis sans fin pour pouvoir l'entraîner en rotation dans un sens ou dans il l'autre. 9/ - Dispositif selon l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, dans lequel: 5. l'unité de traitement (21, 22, 23) com- prend des circuits d'échantillonnage et un différenciateur, en vue de délivrer des signaux différentiels numériques, l'unité de génération (25) est adaptée pour délivrer des signaux de consigne numériques, 10. l'unité de comparaison (24) comprend des compteurs numériques adaptés pour délivrer des signaux d'er- reurs numériques, les moyens de commande (20, 25) compren- nent un convertisseur numérique/analogique et un circuit de puissance apte à alimenter les moyens moteurs constitués par des moto-réducteurs (19).