Brevet FR2582978A1 — publié le 19861212

Tête articulée pour robot industriel et robot équipé d'une telle tête. La présente invention concerne une tête arti- culée pour les appareils de positionnement et d'orien- tation automatiques d'un outil, capables d'effectuer des opérations industrielles telles que soudage, usi- nage, peinture, ces appareils étant couramment dési- gnés sous le terme de "robots industriels". La "tête articulée" ou "poignet de robot" est l'ensemble articulé qui est monté à l'extrémité du bras du robot et qui assure l'orientation dans l'espace de l'outil qu'il porte. L'invention concerne plus particulièrement les têtes articulées du type dit "à trois axes de rota- tion" qui comprennent trois bâtis mobiles B1, B2, B3 montés à la suite les uns des autres suivant un axe longitudinal XX, le premier bâti B1 étant porté par l'extrémité libre du bras du robot et étant rotatif autour d'un premier axe A1 par rapport à ce bras; le deuxième bâti B2 étant porté par le premier bâti B1 et rotatif autour d'un deuxième axe A2 par rapport au premier bâti; et le troisième bâti B3 étant porté par le deuxième bâti B2 et rotatif autour d'un troi- sième axe A3 par rapport au deuxième bâti; ledit troi- sième bâti supportant un outil positionné et orienté par le robot; le premier axe A1 et le troisième axe A3 étant des axes longitudinaux qui sont confondus avec l'axe longitudinal XX, dans la position droite de la tête articulée; et le deuxième axe A2 étant un axe intermédiaire transversal qui est toujours perpen- diculaire au plan contenant les axes A1 et A3. On connaît déjà des têtes articulées à trois axes de rotation de ce type, par exemple d'après le brevet français No. 2.503.012 ou d'après le brevet EP-No. 00 74 882. Pour actionner ces têtes articulées suivant leurs trois axes, il est prévu trois moteurs hydrauliques (ou trois moto-réducteurs électriques) dont au moins deux sont logés dans les batis mobiles de la tête articulée. Ceci conduit à un poids élevé des parties mo- biles ce qui entraîne des inerties nuisibles aux mou- vements rapides et à la précision de la tête articulée. On connaît également une tête articulée à trois axes de rotation de ce type, d'après le brevet français No. 2.310.842, dans laquelle les trois moteurs rotatifs hydrauliques, qui commandent respectivement chacun des axes de la tête, sont montés dans un bol- tier de commande porté par le bras du robot, mais la transmission de mouvement entre les moteurs et l'axe de rotation qu'ils commandent nécessite des chaînes cinématiques très complexes coûteuses et génératrices de jeux. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des têtes articulées connues en évi- tant de monter des organes lourds, tels que des mo- teurs, dans les parties mobiles; en réduisant le nom- bre des moteurs nécessaires; et en simplifiant les transmissions entre les moteurs et les organes qu'ils actionnent. L'invention a pour objet une tête articulée du type précité caractérisée en ce que la rotation du bâti B2 autour de l'axe de rotation A2 est commandée par un premier organe moteur et en ce que les rota- tions du bâti B1 autour de l'axe A1 et du bâti B3 au- tour de l'axe A3 sont commandées à la fois par un deu- xième organe moteur commun unique, le premier et le deuxième organes moteurs étant portés par le bras du robot. Grâce à l'invention, on peut obtenir les mou- vements de la tête suivant ses trois axes de rotation au moyen de deux moteurs seulement qui sont situés dans la partie fixe du poignet liée au bras du robot. Du fait même de la suppression d'un des moteurs, les mécanismes de transmission sont simplifiés. Suivant l'invention, une première chaîne ciné- matique à pignons coniques est interposée entre le deuxième organe moteur et les bâtis B1, B3, cette chaîne cinématique étant telle que, sous l'effet d'une rotation quelconque du deuxième organe moteur, les bâtis B1, B3 pivotent respectivement, autour des axes A1 et A2, d'angles "1 et a3 qui sont toujours proportionnels et de même sens, et, de préférence, toujours égaux. Dans une tête articulée suivant l'invention, une deuxième chaîne cinématique à pignons coniques est interposée entre le premier organe moteur et le bâti B2 pour faire pivoter ce dernier par rapport au bati B1 autour de l'axe A2. - La tête articulée suivant l'invention présen- te l'avantage de ne posséder aucun "point singulier" sur la surface (portion de sphère) que peut balayer l'outil qu'elle porte, un "point singulier" pouvant être défini comme une orientation de l'outil à partir de laquelle cette orientation ne peut pas être modi- fiée, dans un plan donné, avec une vitesse non nulle. L'existence d'un point singulier empêche de passer -4- d'une orientation à une orientation voisine par un dé- placement continu, ce qui oblige à des reprises d'outils. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des - des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs plusieurs modes de réalisation de l'inven- tion. La figure 1 est une représentation schématique d'une tête articulée à trois axes de rotation du type con- nu auquel s'applique l'invention. La figure 2 montre les moyens d'entraînement et les chaînes cinématiques d'un mode de réalisation d'une tête articulée suivant l'invention. La figure 3 est une vue schématique partielle d'une autre forme de réalisation de l'invention. La figure 4 montre un exemple d'application de l'invention. On a représenté sur la figure i l'extrémité 2 du bras 4 d'un robot. Ce bras 4 peut généralement être déplacé suivant trois axes, par exemple trois axes rectangulaires, par un système connu qui ne fait pas partie de l'invention. La tête articulée 6 est portée par le bras 4. Elle comprend trois bAtis mobiles B1, B2, B3 montés à la suite les uns des au- tres, suivant un axe longitudinal XX. Le bâti B1 peut tourner par rapport au bras 4 autour d'un axe A1; le bati B2 est articulé sur le bati B1 par rap- port auquel il peut pivoter autour d'un axe A2; le bâti B3 est porté par le bâti B2 par rapport auquel il peut tourner autour d'un axe A3; l'outil à orien- ter par la tête articulée, par exemple un outil d'usi- nage 7, est porté par le bâti rotatif B3. En position droite de la tête articulée, les axes de rotation A1 et A3 sont des axes longitudinaux confondus avec l'axe longitudinal XX de la tête arti- culée, tandis que l'axe A2 est un axe intermédiaire transversal qui est toujours perpendiculaire au plan contenant les axes A1 et A3. Des têtes articulées à trois axes de rotation, avec la disposition relative des axes qui vient d'être décrite, sont déjà connues et c'est à ce type de tête articulée que s'applique l'invention. On retrouve sur la figure 2 les éléments es- sentiels, bâtis B1, B2, B3 et axes A1, A2, A3, repré- sentés sur la figure 1. Sur la partie fixe de la tête articulée, c'est-à-dire sur l'extrémité 2 du bras 4 du robot, sont montés coaxialement un premier organe moteur M2 et un deuxième organe moteur M1, M3. Ces deux organes moteurs peuvent être constitués, comme représenté sur la figu- re 2, par deux poulies crantées 8, 10 entraînées par des courroies 12, 14, elles-mêmes entraînées par deux moteurs (non représentés) portés par le bras 4. Ces deux organes moteurs pourraient bien en- tendu être constitués, en variante, par deux moteurs montés directement suivant l'axe longitudinal XX, sur le bras 4. Une chaîne cinématique 16, Q1' Q2' 18, qui sera décrite plus en détail dans ce qui suit, relie le premier organe moteur M2 au bâti B2 de-façon à faire pivoter le bâti B2 par rapport au bâti B1, au- tour de l'axe de rotation A2, lorsque le premier orga- ne moteur M2 est commandé en rotation. Une autre chaîne cinématique, qui comprend essentiellement: un arbre d'entrée creux 20; trois pignons coniques P'1, P2, P3; et un arbre de sortie 22; relie le deuxième organe moteur M1, M3 à la fois au bâti B1, pour le faire pivoter autour de l'axe A1, et au bâti B3, pour le faire pivoter autour de l'axe A3. Cette chaîne cinématique, qui sera décrite Z582978 plus en détail dans ce qui suit, est agencée de façon telle qu'une rotation quelconque de l'organe moteur M1, M3 fait pivoter les batis B1 et B3, respectivement autour des axes A1 et A3, d'angles a1 et a3 qui sont toujours de même sens et proportionnels, de préféren- ce toujours égaux. On voit donc qu'on peut commander l'orientation de la tête articulée, suivant ses trois axes-de rota- tion, avec seulement deux organes moteurs, lesquels, au surplus, sont supportés par une partie fixe et non pas par les bâtis mobiles de la tête. La chaîne cinématique 16, Q1i Q2t 18 (qui se- ra désignée dans ce qui suit sous le terme de deuxième chaîne cinématique) est de construction simple et ne comporte que peu d'éléments: l'arbre d'entrée 16 calé sur l'organe moteur M2 et coaxial à l'axe A1, le pignon conique Q1' le pignon conique Q2 et l'arbre de sortie 18 coaxial à l'axe A2. Dans une forme simple de réalisation de l'in- vention l'arbre de sortie 18 pourrait être simplement calé sur le bâti B2. Mais dans ce cas on devrait uti- liser, comme organe moteur, un moteur lent à fort couple ou bien un réducteur entre l'organe moteur M2 et l'arbre d'entrée. Suivant une forme préférée de réalisation, re- présentée sur la figure 2, on monte un réducteur R2 entre l'arbre de sortie 18 (ou le pignon de sortie Q2) et le bâti B2. Grace a cette disposition, on mini- mise dans le rapport de la démultiplication, les jeux dans le couple de pignons coniques Q1' Q2. On peut utiliser avantageusement un réducteur coaxial épicycloidal, mais on choisit de préférence un réducteur du type connu dit "Harmonic Drive", le rapport de réduction pouvant être par exemple de 100/1. Grace à cette disposition de la deuxième chaî- ne cinématique et grâce au fait qu'elle ne comporte que deux pignons en engrènement, on peut obtenir un jeu mécanique total minimal entre l'organe moteur M2 et l'organe entraîné, c'est-à-dire le bâti B2. L'autre chaîne cinématique 20, P'1, P2, P3, 22, ou première chaîne cinématique, comprend seule- ment trois pignons coniques: P1 sur l'axe A1, P2 sur l'axe A2 et P3 sur l'axe A3. Malgré ce petit nom- bre de pignons, il est avantageux également, pour minimiser les jeux d'engrènement, de prévoir deux ré- ducteurs R1 et R3 dans la chaîne cinématique de façon que l'arbre creux 20, les pignons P1I P2' P3 et l'ar- bre de sortie 22 tournent à grande vitesse, c'est-à- dire à la vitesse de l'organe moteur M1, M3. Là en- core, on choisit de préférence des réducteurs du type "Harmonic Drive" ayant par exemple un rapport de réduc- tion 100/1. Le premier réducteur R1 est porté par l'extré- mité du bras 4 du robot, ce qui permet de ne pas augmenter l'inertie des parties mobiles de la tête articulée. L'élément central d'entrée à grande vites- se du réducteur peut être calé sur l'arbre creux 20 (entraîné à la vitesse de la poulie 10), la couronne fixe du réducteur peut être solidaire du bras 4, tan- dis que l'organe de sortie à vitesse lente est calé sur la partie tubulaire 24 du bâti B1 qui tourillonne, suivant l'axe A1, dans l'extrémité 2 du bras 4. De même, pour le réducteur R3, son élément central d'entrée à grande vitesse est calé sur l'arbre de sortie 22 de la chaîne cinématique, tandis que la couronne fixe et l'organe de sortie à vitesse lente sont solidaires respectivement de la partie tubulaire 26 du bâti B2 (autour de laquelle tourne le bâti B3) et du bâti B3 portant l'outil 7. Z582978 Avec les rapports de réduction 100/1 indiqués ci-dessus, lorsque la poulie 10 (ou organe moteur équivalent M1, M3) tourne d'un tour, dans un sens ou dans l'autre, les réducteurs R1 et R3 tournent respec- tivement d'angles a1 et o3 égaux à 1/100ème de tour, tous les deux dans le même sens, si bien que le mouve- ment de pivotement résultant du bati B3 est de 2/100ème de tour autour de l'axe A3. De même, lorsque la poulie 8 (ou organe moteur- équivalent M2} tourne d'un tour, le réducteur R2 fait 1/100ème de tour (en supposant que Q1 et Q2 sont dans le rapport 1/1), c'est-à-dire que le bâti B2 pivote d'1/lOOème de tour autour de l'axe A2. Les mouvements relatifs des pignons Pl P2, P3 et Qi' Q2 lors d'une rotation autour de l'axe A2 ou d'une rotation autour des axes A1, A3 peuvent être corrigés par un programme de correction introduit dans un calculateur de pilotage des moteurs M2 et Ml, M3. Sur la figurel, on a représenté l'outil d'usinage 7 comme ayant son axe de rotation perpen- diculaire à l'axe A3, mais son orientation peut être choisie sensiblement différente. Cet outil peut être entrainé directement, ou par courroies, à partir d'un moteur d'outil 28 porté par le bâti B3 de la tête articulée. Cependant, comme il est représenté schémati- quement sur la figure 3, le moteur de broche 28' peut être reporté sur la partie fixe 4, pour ne pas alourdir les parties mobiles de la tête articulée. Dans ce cas, un arbre intérieur 30, 30', pourvu d'un accouplement à trois pignons coniques 32 formant une articulation suivant l'axe A2, attaque une transmis- sion à pignons et courroies 34, 36 pour entraîner l'outil 7 porté par le bati B3. Bien entendu, les Z582978 arbres 16, 22 du mode de réalisation de la figure 2 sont remplacés par des arbres creux 16', 22'. Grâce à la simplification des chaînes cinéma- tiques dans une tête articulée suivant l'invention, la précision de l'orientation de l'outil peut être très bonne. En effet, la première chaîne cinématique ne comporte que deux engrènements (P1 avec P2; P2 avec P3) et la deuxième chaîne cinématique un seul engrènement (Q1 avec Q2). On évite donc les accumula- tions de jeux successifs qu'on rencontre dans des transmissions plus compliquées, ces jeux étant au surplus réduits dans le rapport de démultiplication des réducteurs. Ces derniers peuvent de leur côté pré- senter des jeux angulaires très réduits, par exemple quelques minutes d'arc. Enfin, l'absence de points singuliers sur la portion de sphère balayée par l'outil dans ses diver- ses orientations permet de réaliser certaines surfaces gauches sans reprise d'outil. Sur les figures, les bâtis B1 et B2 ont été schématiquement représentés par des pièces en forme d'étrier, pour la clarté des dessins. Dans la prati- que ces bâtis ont plutôt la forme de boîtiers articu- lés l'un à l'autre suivant l'axe A2, la totalité des pignons (Pli P2' P3' Q1' Q2) étant logée à l'intérieur des boîtiers. On a représenté sur la figure 4 une application de la tête articulée 6 suivant l'invention à une ma- chine à tailler constituant un robot industriel. La machine comprend un châssis, comportant deux poutres longitudinales 3838' et deux poutres transversales 40-40', fixé au solpar despieds 42. Les pOutreS38-38'portent des guidages 44-44'guidant, suivant l'axe des X, un cha- riot mobile 46. Ce chariot 46 porte, par l'intermé- -10- diaire d'un système de guidage transversal 48, com- mandant les déplacements suivant l'axe des Y, le bras 4 à l'extrémité duquel est montée la tête articulée 6. Dans l'exemple représenté, le bras 4 est un bras vertical, mobile verticalement suivant l'axe des Z. L'outil d'usinage 7, porté par la tête articu- lée 6 orientable suivant trois axes est représenté comme taillant une pièce à usiner 50, par exemple une forme pour coque de bateau. Z582978 REVENDICATIONS 1. Tête articulée pour robot industriel qui comprend trois bâtis mobiles (B1,, B B3) montés à la suite les uns des autres suivant un axe longitudinal (XX), le premier bâti (B1) étant porté par l'extrémi- té libre du bras (4) du robot et étant rotatif autour d'un premier axe (A1) par rapport à ce bras; le deuxième bâti (B2) étant porté par le premier bâti (B1) et rotatif autour d'un deuxième axe (A2) par rap- port au premier bâti; et le troisième bati (B3) étant porté par le deuxième bâti (B2) et rotatif au- tour d'un troisième axe (A3) par rapport au deuxième bâti; ledit troisième bâti supportant un outil (7) positionné et orienté par le robot; le premier axe (A1) et le troisième axe (A3) étant des axes longitu- dinaux qui sont confondus avec l'axe longitudinal (XX), dans la position droite de la tête articulée; et le deuxième axe (A2) étant un axe intermédiaire transversal qui est toujours perpendiculaire au plan contenant les axes (A1) et (A3), ladite tête articulée étant caractérisée en ce que la rotation du bâti (B2) autour de l'axe de rotation (A2) est commandée par un premier organe moteur (M2) et en ce que les rotations du bâti (B1) autour de l'axe (A1) et du bâti (B3) autour de l'axe (A3) sont commandées à la fois par un deuxième organe moteur commun unique (M 13), lesdits Z582978 organes moteurs (M2) et (M1]3) étant portés par le bras (4). 2. Tête articulée suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une première chaine cinéma- tique à pignons coniques (P1, P22, P3) est interposée entre le deuxième organe moteur (M1, M3) et les batis (B1, B3), cette chaîne cinématique étant telle que, sous l'effet d'une rotation quelconque du deuxième organe moteur (M1, M3), les bâtis (B1, B3) pivotent respectivement, autour des axes (A1) et (A2), d'angles (a1) et (a3) qui sont toujours proportionnels et de même sens. 3. Tête articulée suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les angles de rotation (a1) et (a3) sont toujours égaux et de même sens. 4. Tête articulée suivant l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'une deuxième chaîne cinématique à pignons coniques (Q1' Q2) est interposée entre le premier organe moteur (M2) et le bâti (B2) pour faire pivoter ce dernier par rapport au bati (B1) autour de l'axe (A2). 5. Tête articulée suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la première et la deuxième chaînes cinématiques à pignons coniques sont entière- ment contenues à l'intérieur des batis (B1, B2). 6. Tête articulée suivant la revendication 5, caractérisée en ce que: les pignons coniques (P2Q2) de la première et deuxième chaîne sont disposés coaxialement suivant l'axe (A2); les pignons coniques (PiQ1) de la première et de la deuxième chaîne sont disposés coaxialement suivant l'axe (A1), le pignon conique (P3) de la première chaîne étant disposé sui- vant l'axe (A3). 7. Tête articulée suivant l'une des revendica- tions 2 à 6, caractérisée en ce qu'un premier réducteur (R1) est interposé entre le deuxième organe moteur (M1, M3) et le bâti (B1) et en ce qu'un deuxième ré- ducteur (R3) est interposé entre le troisième pignon conique (P3) de la première chaîne cinématique et le bâti (B3). 8. Tête articulée suivant l'une des revendica- tions 4 à 7, caractérisée en ce qu'un troisième réduc- teur (R2) est interposé entre le pignon de sortie (Q2) de la deuxième chaîne cinématique et le bâti (B2) 9. Tête articulée suivant l'une des revendica- tions 7 ou 8, caractérisée en ce que les réducteurs (R1, R2, R3) sont des réducteurs épicycloldaux ou ana- logues ayant leurs axes respectivement confondus avec les axes (A1, A2, A3). 1O.Tête articulée suivant l'une des revendica- tions 7 ou 9, caractérisée en ce que le réducteur (R1) est porté par le bras (4). 11. Tête articulée suivant l'une des revendica- tions 1 à 10, caractérisée en ce que l'outil (7) por- té par ladite tête est un outil rotatif d'usinage et en ce que l'axe de rotation dudit outil est orienté sensiblement perpendiculairement à l'axe (A3). 12. Tête articulée suivant la revendication 11, caractérisée en ce que l'outil (7) est entraîné par un moteur (28) porté par le bâti (B3). 13. Tête articulée suivant la revendication 11, caractérisée en ce que l'outil (7) est entraîné par un moteur (28') porté par le bras (4) du robot. 14. Robot industriel, caractérisé en ce qu'il est équipé de la tête articulée suivant l'une des revendications précédentes.