Brevet FR2587644A1 — publié le 19870327

La présente invention est relative à un dispositif destiné à relier dux objets et à faire varier leur position et leur orientation relatives. De tels dispositifs constituent des éléments de bras de télémanipulation ou de robots, ils sont cependant d'usage bien plus genéral, car toute liaison comprennant une articulation à pivot cylindrique ou sphérique et des moyens pour faire varier les positions et orientations relatives des deux parties de l'articulation, peut, dans certains cas au mains, etre remplacée par un dispositif conforme à l'invention. Les bras de télémanipulation ou robot usuels, plus généralement dénommés bras robotiques, comprennent une série dséléMents rigides reliés par des articulations et des moyens d'actionnement associés à chaque articulation, pour changer sa configuration. Ces bras permettent d'obtenir une bonne précision et une bonne stabilité de l'extrémité du bras robotique, mine si cette extrémité est soumise a des forces variables. En revanche, les inconvénients de ces structures sont le poids, dû à la masse nécessaire pour assurer une bonne rigidité des éléments, la faible résistance des articulations aux chocs et à l'usure, et la transnission integrale des vibrations d'une extrémité à l'autre du bras. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif de faible poids, peu sensible aux chocs et à l'usure, et capable d'absorbeur les vibrations, Dans ce but, l'invention fournit un dispositif destiné à relier deux objets et à faire varier leur position et leur orientation relatives, caractérisé en ce qu'il comprend:: - un tube tanche, déformable, élastique, et pourvu des moyens interdisant ou contrôlant d'une part, la torsion, le cisaillement, et le gonflement du tube, et autorisant d'autre part, la flexion, i'allongement ou -le raccourcissement du tube, - des moyens pour relier un premier objet à une première extrémité du tube et, des moyens pour relier un second objet à une seconde extrémité du tube, - des passages de câbles, situés sensiblement longitudinalement par rapport à l'axe du tube et solidaires des parois du tube, - des câbles susceptibles de coulisser dans lesdits passages de cables, et reliant lesdits objets entre eux ou bien l'un des objets à un point quelconque du tube, et capables de s'opposer par leur résistance à la traction, à un allongeMent exagéré du tube et à un pliage du tube sous les charges pour lesquelles le dispositif est conçu, - des moyens pour faire varier la longueur desdits chables, solidaireMent et/ou indépendamment l'un de l'autre, - des moyens pour créer et/ou maintenir une pression à l'intérieur du tube. Comme on peut le comprendre, si les câbles sont de mëme longueur, le dispositif, sous l'effet de la pression à l'intérieur du tube, prend une forne rectiligne. Si on augnente la pressiondans le tube sans laisser varier la longueur des cables, c'est à dire en exerpant sur eux une tension tendant à annuler l'effet d'allongement du tube, la position des deux objets ne variera pas, mais la rigidité de la liaison sera augmentée. Si au contraire, on augMente la pression du tube en faisant croître simultanément la longueur des câbles, on obtiendra un déplacement relatif des deux objets dans le sens de l'axe du tube, puisque le gonfleMent du tube est contrarié par les moyens prévus a cet effet.Par ailleurs, Si on fait varier la longueur des câbles les uns par rapport aux autres, le tube prendra une forne incurvée, et l'orientation relative des objets sera modifiée en mêne tenps que leur position, Là encore, des variations sinultanées de la pression dans le tube et des forces exercées sur les câbles pernettent de modifier la rigidité du dispositif. A cet égard, les moyens dont est pourvu le tube pour interdire et/ou contrôler sa torsion, son cisaillenent et son gonflement, ont pour objet d'assurer la stabilité de forme du tube et conséquemment sa rigidité, et ceci quelle que soit la configuration géonétrique adoptée et quels que soient les chargeMents pour lesquels le dispositif est conçu. Suivant des Modalités particulièrenent avantageuses: - les objets sont des plaques métalliques maintenues par collage et/ou vulcanisation sur les extrémités du tube, et servant à relier le dispositif à un support ou à un outil ou autre accessoire porte par le dispositif, ou encore à un autre dispositif analogue, - le tube est en caoutchouc et pourvu d'une carcasse, constituée d'arMatures métalliques, disposées obliquement le long du tube, de préférence à 35', - ladite carcasse du tube est constituée d'une ou plusieurs nappes de câbles, de préférence 2, formant un réseau de spires hélicoidales s'enroulant le long de la paroi du tube, - ladite carcasse est incorporée au caoutchouc du tube, - ladite carcasse constitue une enveloppe extérieure au caoutchouc du tube, - le caoutchouc du tube est renforcé par un cerclage constitué d'anneaux métalliques en nombre suffisant et de resistance suffisante, pour empecher le pliage du tube sous les charges pour lesquelles le dispositif est conçu, - certains desdits anneaux de cerclage constituent un ancrage pour une extrémité de certains desdits câbles, - les passages de câbles sont constitués par des tubes flexibles et/ou extensibles, mais de diamètre sensiblement constant, - les passages de câbles sont incorporée â la paroi du tube, - les moyens pour faire varier la longueur des cables sont constitués par des vérins attaquant chacun l'extrémité d'un câble et solidaires de l'un des objets, l'autre extrémité du câble etant solidaire de l'autre objet ou d'un point quelconque du tube, - le second objet est relié à un troisième objet par un dispositif du méme type, certains desdits câbles reliant le premier objet au second, d'autres desdits câbles reliant le premier objet au troisième objet à travers le troisième, - l'intérieur du tube est divisé en plusieurs chambres, parallèles à l'axe du tube, et de section sensiblement circulaire, - la section du tube est dotée d'une forme aplatie, pour laquelle le rapport des dimensions transversales correspond au rapport des effets de flexion plane pour lequel le dispositif est conçu. L'invention va maintenant etre exposée de façon plus détaillée en s'aidant d'un exemple pratique, non limitatif, illustré à l'aide des dessins parmi lesquels: Fig. 1 est une vue schématique d'ensemble, en perspective, avec arraché, d'un dispositif selon l'invention, Fig. Z est une vue an perspective, avec arraché, d'une portion de tube dans une autre réalisation de l'invention, Fig. 3 est une demi-coupe, an perspective, d'une forme particulière du socle, Fig. 4 est une demi-coupe, en perspective, d'une autre forme de socle, Fiy. 5 est une vue schématique en perspective d'une autre réalisation de l'invention, Fig. 6 est encore une vue schématique en perspective, avec arraché, d'une autre réalisation de l'invention, Fig. 7 est une section schématique de tube, dans une réalisation particulière de l'invention. Le dispositif décrit à la figure 1 est formé d'un tube (1), d'un socle (2) contenant les organes mécaniques de commande, d'une tëte (3), et d'un ensemble (4) de canalisations ou conduits destinés notamment à l'alimentation en énergie et à la commande des organes mécaniques du socle. La section du tube (1) est circulaire et de diamètre constant tout au long de l'axe du tube, mais dans d'autres applications, elle peut être de forme aplatie et/ou variable le long de l'axe. Le tube est essentiellement constitué par un tube de caoutchouc souple (5), d'épaisseur suffisante pour enrober des tubes-guides ou gaines (6) formés d'une spirale métallique à bords non jointifs. Ces tubes-guides sont semi-rigides, c'est à dire flexibles perpendiculairement à leur axe, extensibles ou compressibles dans le sens de leur axe, mais présentant une bonne résistance à un écrasement qui réduirait leur section interne. Leur réalisation sous forme d'une spirale métallique à spires non jointives est la plus simple, mais on pourrait concevoir une série d'anneaux successifs séparés les uns des autres et maintenus en place par le caoutchouc du tube, par exemple. En effet, leur fonction essentielle est uniquement d'assurer le libre coulissement des câbles. A l'intérieur des tubes-guides, des cables (7) peuvent coulisser librement. Un lubrifiant peut etre introduit à l'intérieur des tubes-guides afin de limiter les pertes de tension par frottement des câbles, et afin de réduire de ce fait l'usure des matériaux. Sur les figures 1 et 2, les câbles sont au nombre de six, mais il est clair qu'il peut y en avoir plus ou éventuellement moins dans des cas simples.En théorie, pour une section circulaire du tube, trois câbles suffisent pour obtenir une orientation donnée de la tete (3), par rapport au socle (2), En fait, pour que le tube présente une bonne stabilité de forme, un nombre tel que six a été reconnu convenable, ce nombre pouvant ëtre augmenté pour de fortes sollicitations tranversales ou pour controler de façon plus précise la courbure du tube tout au long de son axe. I1 est à noter qu'avec plus de trois câbles arrêtés dans une meme section, une même orientation de la tete du tube peut etre obtenue de plusieurs manières différentes, c'est à dire par plusieurs répartition différentes des tensions entre les câbles (7).Pour une bonne distribution des contraintes dans la paroi du tube, et en particulier, pour atténuer les effets des sollicitations locales transmises au matériau du tube, depuis les câbles tendus parl'intermédiaire des tubes-guides, tout écart important de {ensioit entre des câblas adjacents assurant une fonction similaire, devra tre évité. Cela peut étre obtenu par un algorithme adapté des commandes des moyens de tension des cables (7), ou bien par des moyens mécaniques créant une certaine solidarité entre les cables.- Une tunique externe (8) constitue la carcasse du tube (1). La figure 2 montre de façon plus détaillée une autre réalisation possible du tube (1). Une enveloppe souple en caoutchouc (9) entoure la carcasse (8) forme de deux séries de spires hélicoidalas qui s'enroulent en sens inverse le long de la paroi du tube en caoutchouc. Ces spires sont formées de fils résistants à faible taux d'allongement. L'angle d'incidence des spires avec un plan perpendiculaire à l'axe du tube (1) est d'environ 35'. Une tunique interne, non représentée, analogue à la tunique externe, peut âtre prévue sur la face intérieure du tube (1). Dans l'exeMple, a éte prévue une enveloppe interne souple (10), de faible épaisseur, en élastomère à haute étanchéité résistant au fluide sous pression qui est envoyé à l'intérieur du tube. Des anneaux ou cerces (11) inclus dans l'épaisseur du tube permettent à la section du tube de conserver une forme sensiblement constante au cours du fonctionnement du dispositif. En effet, elles s'opposent principalement aux poussées au vide locales induites par la courbure éventuelle des câbles en tension, Des passages (12) disposés dans le prolongemen des tubes-guides (6), permettent de ne pas entraver le coulissement des cables, mais ils peuvent également servir de base d'ancrage de l'une des extrémités de certains câbles. Une pièce d'ancrage particulière (28), non représentée sur la figure 2, doit alors ëtre placée à cet endroit, de manière à fixer l'extrémité du cible (7) sur l'anneau (11). Le socle (2), représenté sur la figure 3, comprend une embase (13), comportant une collerette de fixation (14) sur un support, et d'un coté des moyens (15) de fixation étanche de l'extrémité du tube (1) et du coté opposé des vérins (16) de commande des cables (7), Un seul de ces vérins est représenté à la figure 1. L'embase (13) est traversée d'une part, par un conduit axial (17) destiné à la mise en pression de l'intérieur du tube et accessoirement au passage d'une ou plusieures canalisations de commande de la tète (3), et d'autre part, par une série de passages (18) plus petits pour les cables.Chaque vérin (16) est situé dans le prolongement d'un passage (18) et est muni d'une pièce d'accrochage (19) pour le cable (7) correspondant. L'alimentation de chaque vérin (16 > se fait au moyen d'un orifice (20). Sur la figure 1, on a représenté le conduit (21) d'alimentation du vérin (16), le conduit (22) d'alimentation du tube (1) en fluide sous pression, et des vannes (23) et (24) de commande des conduits (Z1) et {22). Il est clair que ces vannes peuvent être placées à une certaine distance du socle. Dans l'exemple, un conduit auxiliaire destiné â- une alimentation énergétique et une commande supplémentaires, a été prévu La figure 4 montre une disposition du vérin (16), dans laquelle celui-ci n'a pas son axe parallèle s celui du tube, cone à la figure 2, mais fait un angle de 80- environ avec l'axe du tube (1).Dans le cas d'une inclinaison du vérin avec l'axe du tube, le passage (18) correspondant est en arc de cercle de façon à guider le cable (7) avec un frottement et une usure réduits. Il est clair qu'une telle disposition permet d'augmenter, à diamètre de tube constant, soit le nombre de vérins et donc de cables, soit le diamètre des vérins et donc leur puissance. Dans certaines applications, il pourra s'avérer utile de disposer chacun des vérins (16) selon une inclinaison adéquate de façon à augmenter leur nombre tout en limitant l'encombrement du socle (2). La tête (3) comprend une collerette (26) pour fixation d'un objet dont on veut commander l'orientation et la position. Cette collerette porte un bouchon (27) pour l'obturation étanche du tube (i), et des pièces d'arrêt (28) pour les extrémités des câbles (7). La figure 5 montre un bras à double courbure obtenu å l'aide de deux dispositifs selon l'invention, disposés â la suite mais avec un socle (2) commun et deux têtes (37 et (3a)-, certains des câblas (7) sont ancrés sur la tête (3) et d'autres sur la tête (3a), leur extrémité opposée étant reliée à chaque fois sur un vérin du socle (2 > Si la pression du fluide est la même dans les deux dispositifs, le bouchon (27) de la tête intermédiaire peut etre supprimé. On peut alors aussi bien considérer qu'il s'agit d'un seul dispositif avec une frette intermédiaire portant une partie des points d'ancrage des câblas (7), En effet, on a noté que des anneaux de frettage (11) du tube (1), disposes le long de son axe, peuvent également assurer le rôle d'ancrage de câbles (7) s'arrêtant avant l'extrémité terminale. Un tel dispositif permet, si le nombre de têtes ou de frettes intermédiaires sur lesquelles sont arrêtés des câbles est important, d'obtenir pour le bras, des configurations géométriques à plusieures courbures.Un outil (29), porté par la tête terminale (3a) du dispositif, peut recevoir des signaux de commande et une alimentation en énergie au moyen d'un conduit (Z5) situé à lfinterieur meme du tube (1). Il est possible en outre, de réaliser un bras en disposant en série plusieurs dispositifs salon l'invention, de telle façon que la tete du premier dispositif constitue le socle du suivant et ainsi de suite Dans ce cas, les vérins de tension des cables du second dispositif ou des suivants peuvent être placés, par exemple, dans le premier socle ou en un autre endroit, et reliés au socle correspondant par un dispositif â câble et gaine incompresssible, du type des freins de bicyclette, c'est à dire qu'une gaina flexible mais incompressible dans le sens de sa longueur, à la différence des tubes guides, relie le corps du vérin à un point fixe du socle correspondant, alors que le câble qui traverse cette gaine relie la piston du meme vérin à un point fixe de la tête ( ou de la cerce ) correspondante. La figure 6 montre une réalisation particulière du dispositif selon l'invention. Adapté à la propulsion navale, le tube (1) est à section allongée dans le sens vertical, si bien que les mouvements ont lieu essentiellement dans un plan horizontal. On peut ainsi obtenir de façon simple, une propulsion sur un mode analogue à celui des poissons, avec une grande économie d'énergie. Des applications analogues peuvent être envisagés dans le domaine aéronautique, en vue de modifier la configuration géométrique d'un élément de voilure. Pour des sections de tube (1) particulièrement allongées et/ou pour des pressions de fluide élevées à l'intérieur du tube, la résistance à la rupture et å l'instabilite de forme peut être accrue de façon significatlve,lorsque l'intérieur de ce dernier est divisé ou compartimenté en cellules ou chambrais d'axe parallèle à celui du tube et de section sensiblement circulaire. La figure 7 montre de façon schématique une section de tube dans un tel cas. Dans l'exemple, six cellules alignées sont représentées, mais il est clair qu'il peut y en avoir plus ou moins selon les cas, de meme, elles peuvent être de tailles différentes et disposées de toute autre façon sans pour autant modifier en aucune manière, le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Commé on l'a indiqué plus haut, les avantages de l'invention sont le faible poids, dû à la structure creuse et à l'emploi de matières de faible densité: gaz comprimé et caoutchouc, la résistance aux chocs et la non-transmission des vibrations qui découlen-t également de sa structure et des propriétés d'auto-amortissement propres au gaz comprimé et au caoutchouc. On notera à ce propos qu'il est encore possible d'améliorer les caractéristiques d'amortissement des vibrations ou de modifier les fréquences propres, en prévoyant, à l'intérieur du tube, des masses d'absorption des vibrations, par exemple en mousse flexible et poreuse, à condition qu'elles ne s'opposent pas aux changements de pression. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à relier deux objets et à faire varier leur position et leur orientation relatives, caractérisé en ce qu'il comprend: - un tube étanche, dêformable, élastique, et pourvu des moyens interdisant ou controlant d'une part, la torsion, le cisaillement, et le gonflement du tube, et autorisant autre part, la flexion, l'allongement ou le raccourcissement du tube, - des moyens pour relier un premier objet à une première extrémité du tube et, des moyens pour relier un second objet à une seconde extrémité du tube, - des passages de câbles, situés sensiblement longitudinalement par rapport à l'axe du tube et solidaires des parois du tube, - des cables susceptibles de coulisser dans lesdits passages de câbles, et reliant lesdits objets entre eux ou bien l'un des objets à un point quelconque du tube, et capables de s'opposer par leur resistance à la traction, à un allongement exagéré du tube et à un pliage du tube sous les charges pour lesquelles la dispositif est conçu, - des moyens pour faire varier la longueur desdits cibles, solidairement et/ou indépendamment l'un de l'autre, - des moyens pour créer et/ou maintenir une pression à l'intérieur du tube, 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les objets sont des plaques métalliques maintenues par collage et/ou vulcanisation sur les extrémités du tube, et servant à relier le dispositif à un support ou à un outil ou autre accessoire porté par le dispositif, ou encore à un autre dispositif analogue. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le tube est en caoutchouc et pourvu d'une carcasse, constituée d'armatures métalliques, disposées obliquement le long du tube, de préférence à 35' 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite carcasse du tube est constituée d'une ou plusieurs nappes de câbles, de préférence 2, formant un réseau de spires hélicoïdales s'enroulant le long de la paroi du tube. 5) Dispositif salon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite carcasse est incorporée au caoutchouc du tube. B > Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite carcasse constitue une enveloppe extérieure au caoutchouc du tube. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5 ou S, caractérisé en ce que la caoutchouc du tube est renforcé par un cerclage constitué d'anneaux métalliques en nombre suffisant et de résistance suffisante, pour empecher le pliage du tube sous les charges pour lesquelles le dispositif est conçu. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que certains desdits anneaux de cerclage constituent un ancrage pour une extrémité de certains desdits câbles, 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages de cables sont constitués par des tubes flexibles et/ou extensibles mais de diamètre sensiblement constant. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages de câbles sont incorporés à la paroi du tube. 11) Dispositif salon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé an ce que les moyens pour faire varier la longueur des câbles sont constitués par des vérins attaquant chacun l'extrémité d'un cable et solidaires de l'un des objets, l'autre extrémité du câble étant solidaire de l'autre objet ou d'un point quelconque du tube. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le second objet est relié à un troisième objet par un dispositif du même type, certains desdits câblas reliant le premier objet au second, d'autres desdits cables reliant le premier objet au troisième objet à travers le troisième. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'intérieur du tube est divisé en plusieurs chambres parallèles à l'axe du tube, et de section sensiblement circulaire. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section du tube est dotée d'une forme aplatie, pour laquelle le rapport des dimensions transversales correspond au rapport des effets de flexion plane pour lequel le dispositif est conçu.