Brevet FR2593107A1 — publié le 19870724

Dispositif mécanique, notamment pour la rotation d'un organe préhenseur de robot. L'invention concerne un dispositif mécanique permettant de faire tourner un porte-objet par rapport à un support; elle s'applique en particulier à un poignet propre à faire tourner un organe préhenseur de robot. Dans un robot, six degrés de liberté indépendants sont nécessaires pour positionner et orienter dans l'espace à volonté le solide terminal de la chaîne cinématique (objet manipulé, outil...). Différentes combinaisons matérielles sont envisageables pour obtenir ces six degrés de liberté. La solution presque toujours retenue consiste à fixer la position d'un point (suivant des systèmes de coordonnées qui peuvent être cartésiens, cylindriques, etc) par les trois premières articulations (à partir du bâti) et à orienter l'organe terminal par les trois autres articulations. Ces dernières constituent le poignet. En général, les poignets utilisent trois liaisons rotoldes en série. Dans certains cas, les axes de rotation de ces trois liaisons sont concourants, en un point intérieur au poignet. A lui seul, le poignet ne peut alors faire tourner le solide terminal autour de l'un de ses points. En effet, toute action sur les articulations rotoides du poignet induit un déplacement de chacun des points du solide. I1 faut alors solliciter les articulations situées en amont du poignet pour corriger le déplacement. Cette solution comporte donc un couplage entre les différentes variables cinématiques qui pénalise par là-même la commande, en allongeant les temps de calcul du système assurant la commande coordonnée selon les différents degrés de liberté. L'invention vise à éliminer cet inconvénient, et à fournir un dispositif propre à effectuer des rotations pures d'un objet autour de l'un au moins de ses points. Un autre but de 11 invention est de fournir un dispositif permettant de faire tourner un objet autour d'un axe qui le traverse et qui se situe en dehors de la matière de ce dispositif L'invention part d'un dispositif mécanique du type comprenant un porte-objet, un support, et deux mécanismes propres à permettre une rotation relative du porteobjet et du support. Un tel mécanisme peut consister simplement en un pivot. Selon l'invention, chacun de ces mécanismes est relié au porte-objeten un pivot dit aval et au support en un pivot dit amont, d'axes parallèles reliés entre eux par des pièces mobiles; dans chaque mécanisme, un premier parmi ces pivots aval et amont est mobile en rotation autour d'un premier axe principal, lequel est parallèle à l'axe du second desdits pivots et fixe par rapport à celui-ci; enfin, les dimensions et implantations des deux mécanismes sont choisies telles que ledit axe principal leur soit commun, tandis que les plans définis par cet axe commun avec les axes respectifs desdits premiers pivots sont distincts. De préférence, le premier axe principal et les axes des premiers pivots des deux mécanismes définissent un dièdre aigu dont l'arête est constituée par le premier axe principal, et les axes des premiers pivots des deux meeanismes sont à des distances différentes du premier axe principal. Selon des caractéristiques préférées de l'invention1 lesdits mécanismes sont entièrement compris dans l'un des demi-espaces limités par un plan passant par le premier axe principal, et ce dernier est éloigné des deux mécanismes. Selon un mode de réalisation de l'invention, les pièces mobiles de chacun des mécanismes composent un losange déformable dont deux sommets opposés sont reliés respectivement par deux premières barres d'égale longueur au second pivot et un troisième sommet est relié par une troisième barre à un troisème pivot dont l'axe est parallèle à celui du second pivot, ces deux axes étant solidaires du support ou du porte-objet, et étant situés dans un plan passant par le premier axe principal. Un tel dispositif comprend avantageusement au moins un moteur pour animer l'une des barres de l'un des mécanismes. Un mode d'exécution du dispositif selon l'invention, propre à constituer un poignet de robot, comprend en. outre un troisième mécanisme propre à faire tourner autour d'un second axe principal, par rapport a' un Support de base, un premier support intermédiaire, auquel les deux premiers mécanismes sont articulés par les pavots amont, et un quatrième mécanisme propre à faire tourner le porte-objet autour d'un troisième axe princ; par rapport à un second support intermédiaire artcl4 aux deux premiers mécanismes par les pivots aval, les trois axes principaux concourant en un centre. de pivotement autour duquel le porte-objet peut pivter. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après et des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un schéma montrant le principe géométrique d'un mécanisme utilisé dans le dispositif de la figure I; - la figure 3 est une vue en élévation du dispositif de la figure 1; - la figure 4 est une vue partielle de dessus en coupe du même dispositif; - la figure 5 est une vue schématique en élévation, montrant uniquement les deux mécanismes basés sur le principe illustré par la figure 2. Le dispositif représenté dans les figures 1, 3 et 4, destiné à servir de poignet de robot, comprend un support de base SO dont seule est représentée une extrémité sous forme d'un bout d'arbre, un premier support intermédiaire S1 en forme de fourche pouvant tourner par rapport au support de base SO autour d'un axe A2 au moyen d'un mécanisme M3, un second support intermédiaire S2 en forme de fourche pouvant tourner par rapport au premier support intermédiaire S1 autour d'un axe Al au moyen de deux mécanismes M1 et M2, et un porte-objet T pouvant tourner par rapport au second support intermédaiire S2 autour d'un axe A3 au moyen d'un mécanisme M4. Les axes A2 et A3 sont perpendiculaires à l'axe Al. Pour simplifier la représentation, le support S2 et les mécanismes M3 et M4 n'apparaissent pas dans la figure 1. Les mécanismes M3 et M4 sont des mécanismes rotoides classiques qui ne nécessitent pas de description particulière. En revanche, les mécanismes M1 et M2 présentent la particularité de permettre la rotation du support S2 par rapport au support S1 autour d'un axe Al qui n'est pas un axe d'articulation du dispositif et qui est en fait éloigné des.mécanismes M1 et M2, cesderniers étant entièrement compris dans l'un des demi-espaces limités par un plan passant par cet axe, ce qui veut dire en pratique qu'il existe une infinité de plans passant par l'axe Al et ne coupant aucun des mécanismes M1 et M2. Le porte-objet T comporte trois doigts D pouvant appartenir par exemple à un préhenseur tel que décrit dans le brevet N" 2 551 389 et propres à saisir et à tenir un objet à manipuler, non représenté, dans une position fixe par rapport au porte-objet T, cette position étant telle que l'objet soit traversé par l'axe Al et contienne le point G de concours des axes Al, A2 et A3. Dans ces conditions, l'actionnement des mécanismes M1 et M2 permet une rotation sur lui-meme de l'objet autour de l'axe Al, tandis qu'un actionnement conjoint des mécanismes M1, M2, M3 et M4 permet d'orienter l'objet avec trois degrés de liberté de façon que l'un de ses points reste confondu avec le point G. Afin de comprendre la structure et le fonctionnement des mécanismes M1 et M2, tous deux du type connu sous le nom d'inverseur de Peaucellier, il convient de se référer à la figure 2, qui illustre le principe de l'inverseurde Peaucellier. On voit à la figure 2 un losange PBQC de côté s dont deux sommets opposés B et C sont à des distances égales 1 d'un point fixe 0. Un troisième sommet P est à une distance r d'un point fixe Op. Si on déforme dans son propre plan la figure qui vient d'être décrite en conservant les longueurs indiquées, le point P se déplace sur un cercle Kp de centre O et de rayon r, les points B et p C se déplacent sur un cercle K de centre O et de rayon 1 et le losange se déforme en conservant la longueur de son côté s.On constate alors que le point Q se déplace lui aussi sur un cercle K dont le centre Oq est aligné avec O et O p Le rayon R du cercke K et la distance D entre O et q q O sont donnés par les relations ci-après dans lesquelles d représente la distance entre les points O et Op. Le point Q ne décrit pas la totalité du cercle Kq, son déplacement étant limité, de part et d'autre de la droite 00p' à un arc #max inférieur à 1800, défini par la relation: Les mécanismes de Peaucellier M1 et M2 du dispositif des figures 3 et 4, contrairement au système géométrique de la figure 2, ne sont bien entendu pas rigoureusement plans ni même d'épaisseur négligeable.Ils comprennent des pivots ou articulations matérialisant les points o, op, P, B, Q et C de la figure 2, ces pivots à axes parallèles étant désignés dans les figures 1, 3 et 4 par les mêmes lettres que les points correspondants de la figure 2 pour le mécanisme M1 et par les mêmes lettres affectées du signe prime pour le mécanisme M2. Ces articulations sont reliées entre elles par des barres matérialisant les côtés du losange et les segments OB, OC et O P. Comme on le voit à la figure 4, ces barres p s'étendent chacune sensiblement dans un plan perpendiculaire aux axes de ces pivots et peuvent se déplacer selon ce plan, mais sont décalées les unes par rapport aux autres, pour des raisons d'encombrement, le long de ces axes. Pour le mécanisme M1 par exemple, un point quelconque de l'axe du pivot P, un point quelconque de l'axe du pivot B ou du pivot C et un point quelconque de l'axe du pivot Q peuvent se déplacer respectivement sur des cercles ayant pour axes l'axe AO du pivot O l'axe p p' AO du pivot O et l'axe Al parallèle aux précédents et correspondant au point O de la figure 2. Les plans q de ces cercles, qui ne sont pas nécessairement confondus, possèdent néanmoins une même direction de plan, perpendiculaire aux axes précités, et qui est appelée ici plan principal du mécanisme. I1 convient de tenir compte de cette différence entre les mécanismes réels et le modèle plan pour apprécier la définition de l'invention donnée plus haut. Les mécanismes M1 et M2 sont montés sur les supports intermédiaires S1 et S2 de façon à être articulés au support S1 par les pivots o, Op, O' et OXp et au support p S2 par les pivots Q et Q', les axes Al des deux mécanismes étant confondus. Dans ces conditions, les deux mécanismes assurent un guidage des supports S1 et S2 en rotation relative autour de leur axe Al commun. Bien entendu,pour que l'orientation du support S2 correspondant à une position donnée des mécanismes M1 et M2 soit déterminée, il faut que les axes des pivots Q et Q' soient distincts. De plus, pour assurer la stabilité de cette orientation, il convient que ces derniers axes ne soient pas dans un même plan avec l'axe Al, le dièdre ayant pour arête l'axe Al et dont les faces contiennent respectivement les axes des pivots Q et Q étant de préférence aigu. En revanche, rien n1 interdit que les axes des pivots O et O' soient confondus et que les axes AOp et AO'p soient également confondus. Tel est le cas, pour une plus grande simplicité de la construction, dans l'exemple décrit. I1 est également possible de choisir ces quatre axes tels que deux d'entre eux seulement soient confondus ou qu'ils soient tous distincts. Dans ce dernier cas, ils peuvent être situés dans un même plan ou non. Quand aux axes AQ et AQ', ils peuvent être équidistants de l'axe Al, bien qu'on ait choisi ici, pour une meilleure stabilité mécanique, des valeurs de R et R' inégales. I1 est possible en particulier d'utiliser des mécanismes M1 et M2 geonetriquement égaux, mais dont bien entendu au moins les pivots Q et Q' sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre. Quoi qu'il en soit, le choix des axes Al, AO, AOp, AO', AO'p, AQ et AQ' détermine les paramètres D, d et R, définis en relation avec la figure 2, des deux mécanismes. I1 est alors encore possible de choisir, pour chacun des deux mécanismes, l'un des paramètres r, 1 et s, les deux autres paramètres se déduisant des précédents par les relations indiquées plus haut. Dans la réalisation illustrée, les paramètres D et d sont égaux pour les deux mécanismes, et les autres paramètres sont plus petits pour le mécanisme M2 que pour le mécanisme Ml, comme le montre en particulier la figure 5 où sont représentées les barres constituant les deux mécanismes. Le premier support intermédiaire S1 a la forme d'une fourche comportant une branche F1 et une seconde branche F'1 (figure 1) r symétrique de la branche F1 par rapport à l'axe A2. Les pivots O et Op associés au mécanisme M1 sont montés sur la branche F1, et les pivots 0' et O'p associés au mécanisme M2 sont montés sur la branche F'1. De même, les pivots Q et Q' sont montés respectivement sur les deux branches F2 et F'2 du second support intermédiaire S2 en forme de fourche. Le porte-objet T est situé entre les branches du support S2, lesquelles se trouvent entre les mécanismes M1 et M2 qui à leur tour sont situés entre les branches du support S1. Les mécanismes M3 et M4 sont montés respectivement sur la traverse joignant les branches du support S1 et sur la traverse joignant les branches du support S2. On décrira ci-après, en relation avec la figure 4, les moyens d'entraînement du mécanisme M1, les moyens d'entraînement du mécanisme M2 étant identiques à ceux-ci et disposés symétriquement à eux par rapport à l'axe A2. Afin de rendre la figure 4 lisible malgré la structure spatiale relativement complexe du dispositif, on n'y a représenté que la moitié du dispositif contenant le mécanisme M1, en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 3, le mécanisme M1 étant, contrairement à la figure 3, dans une position telle que l'axe A3 soit confondu avec l'axe A2.Par exception, les barres et les pivots du mécanisme M1 sont représentés coupés selon des lignes de coupe s'étendant de l'axe d'un pivot à l'axe d'un autre pivot selon la longueur de la barre qui les relie, les barres ainsi coupées étant en outre projetées dans le plan de coupe principal et certaines d'entre elles n'étant représentées que partiellement. L'entraînement des mécanismes M1 et M2 est assuré par deux moteurs agissant respectivement sur les barres OpP et O'pP' et commandés de façon coordonnée pour faire tourner à la même vitesse les pivots Q et Q' autour de l'axe Al. Le moteur MM1 associé au mécanisme M1, monté sur le côté extérieur de la branche F1 du support S1, et dont l'axe est parallèle aux axes du mécanisme Ml, est relié à un réducteur MR1 par 11 intermédiaire d'une courroie crantée Mrl coopérant avec des poulies crantées placées respectivement sur 11 arbre de sortie du moteur et sur l'arbre d'entrée du réducteur. L'arbre d'entrée MRE1 et l'arbre de sortie MRS1 du réducteur sont coaxiaux et décalés selon leur axe commun, qui constitue l'axe du pivot Op, la barre OpP étant solidaire de l'arbre MRS1. Un capteur de déplacement MD1, monté comme le moteur MM1 et le réducteur MR1 sur le côté extérieur de la branche F1, et entrainé par le moteur MM1 au moyen d'une courroie crantée Mdl et de poulies crantées, permet de suivre les déplacements du mécanisme M1 et par suite de commander le moteur M1 de façon que l'angle entre les axes A2 et A3 prenne la valeur souhaitée. Aux mécanismes M2, M3 et M4 sont associés des moteurs, des réducteurs et des capteurs semblables aux éléments MM1, MR1 et MD1. Les caractéristiques de ces éléments sont données dans les tableaux 1 à 3. caractéristiques urm - 45 cmN couple crête Cc = 45 cmN vitesse maximum #m = 315 rad/S tension à couple crête Vc = 31 volts courant à couple crête 1c = 4,7 A constante de couple KT = 9,65 cmN/A constante de F.E.M. KE = 96,5 mvolts/rad/s résistance (250C) R = 8,6 je inductance L = 2 mH masse M = 215 g Tableau 1 : moteur couple à courant continu ARTUS type MCS 3400 XXC. Caractéristiques Mécanismes M3 et M4 Mécanismes M1 et M2 type HDUF 20 HDUF 14 rapport de réduction 100 vitesse primaire maximale Nmax = 3500 tr/oen max = 3500 tr/mn jeu angulaire j = 36' j = 36' couple de sortie maximal C = 16 mN Cmax 8 mN max onstante d'élas ici té moyenne KR = 20900 mN/rad KR = 3370 mN/rad Tableau 2 : réducteur "Harmonic-Drive". caractéristiques nombre de points 250 pts nombre de voies 2 poids 25 g Tableau 3 : capteur de position incrémental SHEDS SOBQ L'entraînement des mécanismes M1 et M2 par des moteurs indépendants permet un équilibrage des asses et un rattrapage des jeux par une commande différentielle des deux moteurs.Bien entendu,il serait également possible d'en- traîner seulement l'un de ces mécanistes. Par ailleurs le moteur ou chaque moteur pourrait agir sur l'une des barres OB et OC du mécanisme correspondant, bien que la liaison à la barre OpP soit plus avantageuse en ce qui p concerne le couple. On voit clairement sur les dessins qu'il est possible de saisir et de tenir un objet au moyen des doigts D dans une position telle que cet objet soit traversé par l'axe Al et contienne le point G de concours des axes Al, A2 et A3. L'actionnement des mécanismes M1 et M2 permet alors de faire tourner l'objet sur lui-même autour de l'axe Al, et l'actionnement conjoint des mécanismes M1 à M4 permet d'orienter l'objet selon trois degrés de liberté en gardant fixe un de ses points. Cette orientation se fait sans que les mécanismes qui la réalisent viennent empiéter sur la région de l'axe Al. En dehors des applications, notamment en robotique, nécessitant le positionnement d'un objet selon six degrés de liberté, l'invention est également utilisable dans des applications nécessitant un nombre de degrés de liberté moins élevé, mais qui comportent une rotation autour d'un axe dont les mécanismes assurant cette rotation restent dégagés. Le dispositif peut alors comporter deux mécanismes tels que M1 et M2 reliant directement ou indirectement un porte-objet mobile à un support fixe, les mécanismes M3 et M4 étant supprimés ou remplacés par des mécanismes de types différents. Des exemples de telles applications sont des appareils pour la tonte des moutons, dans lesquels l'outil de coupe doit tourner autour de l'arête de coupe, et des appareils de soudage dans lesquels l'outil de soudage doit tourner autour de la ligne de soudure. Bien que seuls des inverseurs de Peaucellier aient été décrits en tant que mécanismes M1 et M2, il est bien entendu que l'invention s'étend à l'utilisation d'autres types de mécanismes susceptibles d'exercer les mêmes fonctions. Revendications. 1. Dispositif mécanique, du type comprenant un porteobjet (T), un support (S1), et deux mécanismes (M1,M2) propres à permettre une rotation relative du porte-objet et du support, caractérisé en ce que chacun de ces mécanismes est relié au porte-objet en un pivot dit aval et au support en un pivot dit amont, d'axes parallèles reliés entre eux par des pièces mobiles, en ce que, dans chaque mécanisme, un premier (Q) parmi ces pivots aval et amont est mobile en rotation autour d'un premier axe principal (Al), lequel est parallèle à l'axe du second (o) desdits pivots et fixe par rapport à celui-ci, et en ce que les dimensions et implantations des deux mécanismes sont choisies telles que ledit axe principal leur soit commun, tandis que les plans définis par cet axe commun avec les axes respectifs (AQ,AQ') desdits premiers pivots (Q,Q') sont distincts. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier axe principal et les axes des premiers pivots des deux mécanismes définissent un dièdre aigu dont l'arête est constituée par le premier axe principal. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les axes des premiers pivots des deux mécanismes sont à des distances différentes du premier axe principal. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits mécanismes (M1,M2) sont entièrement compris dans l'un des demi-espaces limités par un plan passant par le premier axe principal. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier axe principal est éloigné desdits mécanismes (M1,M2). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites pièces mobiles s'étendent sensiblement selon des plans perpendiculaires au premier axe principal et se déplacent dans ces mêmes plans. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pieces de chacun desdits mécanismes composent un losange déformable dont deux sommets opposés (B,C) sont reliés respectivement par deux premières barres (OB,OC) d'égale longueur au second pivot (O) et un troisième sommet (P) est relié par une troisième barre (OpP) à un troisième pivot (Op) dont l'axe (AOp) est parallèle à celui du second pivot, ces deux axes étant solidaires du support ou du porte-objet et étant situés dans un plan passant par le premier axe principal. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les axes (AO,AO') des seconds pivots des deux mécanismes sont confondus. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les axes (AOp,AO'p) des troisièmes pivots des deux mécanismes sont confondus. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moteur (MM1) pour animer l'une des barres de l'un des mécanismes. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moteur agit sur la troisième barre (OpP,O'pP') du mécanisme. 12. Dispositif selon 1-'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux moteurs (MM1,MM2) commandés de façon coordonnée et agissant respectivement sur des barres homologues des deux mécanismes. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième mécanisme (M3) propre à faire tourner autour d'un second axe principal (A2), par rapport à un support de base (su), un premier support intermédiaire (S1) auquel les deux premiers mécanismes sont articulés par les pivots amont (0,0'), et un quatrième mécanisme (M4) propre à faire tourner le porte-objet (T) autour d'un troisième axe principal (A3) par rapport à un second support intermédiaire (S2) articulé aux deux premiers mécanismes par les pivots aval (Q,-Q'), les trois axes principaux concourant en un centre de pivotement (G) autour duquel le porte-objet peut pivoter. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le premier axe principal est perpendiculaire aux second et troisième axes principaux. 15. Dispositif selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que le premier support intermédiaire (S1) comporte une fourche sur les deux branches de laquelle sont articulés respectivement les deux premiers mécanismes. 16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que le second support intermédiaire (S2) comporte une fourche sur les deux branches (F2,F'2) de laquelle sont articulés respectivement les deux premiers mécanismes. 17. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le porte-objet comporte des moyens propres à tenir un objet dans une position telle que l'objet soit traversé par le premier axe.principal ou contienne le centre de pivotement.