Brevet FR2603512A1 — publié le 19880311

PANTOGRePHE CENTRALISE La présente invention concerne une structure mécanique à liaisons pivot, utilisable éventuellement sur un robot et qui permet de découpler complètement les fonctions de positionnement et d'orientation de l'organe terminal. I1 généralise le principe du pantographe. Un système à trois barres est d'abord présenté. Puis la structure externe du robot remplaçant l'une d'elles, on présente un mécanisme à deux barres seulement. Un guidage original est envisagé pour ces barres dans le bras, et l'on montre qu'aucun guidage n'est nécessaire dans l'avant-bras. Les problèmes posés par les configurations singulières conduisent à des modifications partielles de la structure. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans de nombreux engins de manutention, on a cherché à obtenir un découplage des fonctions de positionnement et d'orientation dans uns structure ne possédant que des articulations pivot. C'est le cas des pantographes simples utilisés pour les nacelles de travaE en hauteur, dans les pelles mécaniques, etc... et d'une façon plus sophistiquée sur le robot ASEA cinq axes, qui a deux pantographes plans et un mécanisme différentiel. En fait, tous ces exemples ne réalisent qu'un découplage partiel. Le pantographe généralisé, au contraire, atteint totalement cet objectif. C'està-dire que trois degrés de mobilité sont utilisés au positionnement d'un point de l'organe terminal et séparément, trois autres à son orientation. FIGURES Les figures jointes sont Fig. 1 a - Schéma du système à trois barres Fig. 1 b - Schéma d'une réalisation d'une liaison rotule au noyer de trois liaisons pivot dont une admet un rotulage Fig. 1 c - Dessin d'une réalisation de la liaison schématisée par la fig. 1 b. Fig. 3.1 a - Dessin d'une maquette du système à deux barres Fig. 3.1 b - Schéma du système à deux barres Fig. 3.2 - Schéma explicatif du système de guidage dans le bras Fig. 3.3 - Schéma justifiant l'absence de guidage dans l'avant-bras Fig. 4.1 a - Schémas présentant les configurations singulières apparaissant dans l'avant-bras Fig. 4.1 c - Dessin présentant une variante à celui de la fig. 3.1 a pour l'extrémité de l'avant-bras. Fig. 4.2 - Dessin présentant une solution au problème posé par la configuration singulière apparaissant dans le bras. SYSTèME A TROIS BARRES Le principe de base consiste à placer trois barres albl, a2b2, a3b3 dans le bras,.et trois barres b1cl, b2c2, b3c3 dans l'avant-bras (fig. 1 a). Un système de guidage qui peut prendre les formes les plus diverses, permet aux barres intérieures à l'avant-bras et au bras de rester espectivement parallèles aux axes de l'avant-bras et du bras. Les six barres sont liées par des liaisons rotules - entre elles aux points b b du coude - à un triangle terminal c1c2c3 oui suDDorte l'effecteur non représenté - à un triangle de commande a1a2a3t en articulation rotule avec le socle. Dans la figure 1.a, le système est monté sur une structure très classique qu'on retrouve dans la partie porteuse des robots VERTICAL 80 de RENAULT et PUMA de UNIMATE. Les barres intérieures au bras sont de longueurs égales à celle de 00' de ce bras. Celles intérieures à l'avant-bras sont seulement de même longueur. Par ces différentes dispositions, le triangle terminal clc2c3 se déduit toujours du triangle de commande ala2a3 par translation, de sorte que l'orientation de l'organe terminal est commandée de façon indépendante de la commande de l'ensemble porteur constitué par le bras et l'avant-bras. I1 faut noter l'absence du triangle matériel b1b2b3 au coude. Cela autorise de grands débattements angulaires entre le bras et l'avant-bras. Les 9 liaisons rotules aux points alblCl a2b2c2, a3b3c3, sont réalisées au moyen de trois liaisons pivot (fig 1 b et 1 c) d'axes concourants dans le but d'obtenir ainsi de grands débattements. L'une des liaisons admet un certain rotulage qui est bloqué par un système élastique telle que rondelle belleville (fig. 1 c) dans une position courante, mais qui est utilisé lors du passage de la configuration singulière définie par deux axes de barres alignés (fig. 1.b). Ce principe de base peut être utilisé tel qu'il est. Cependant, les trois barres intérieures au bras et à l'avant-bras posent des problèmes d'interférence, donc d'encombrement final, et il faut noter que ce sont les trois barres qui portent entièrement la charge supportée par l'effecteur lié au triangle terminal c1c2c3, d'où un problème de rigidité. C'est pourquoi une deuxième solution est présentée. SYSTEME A DEUX BARRES DESCRIPTION Dans la fig. 3.la schématisée fig. 3.1.b, nous voyons que ne subsistent que deux barres intérieures au bras 1 et à l'avant-bras 2. Cela est dû au fait que c'est la structure extérieure elle-même qui en remplace deux : le bras remplace la barre albl et l'avant-bras remplace blc1 du système à trois barres. Mais le principe reste le même que celui décrit pour le système à trois barres. Le remplacement de ces barres par la structure extérieure est rendu possible grâce à l'articulation du triangle terminal 3 sur l'avant-bras 2 (fig. 3.1.a) par l'intermédiaire des pièces 14 et 13 liées entre elles par des liaisons pivot d'axes concourants. I1 faut noter que de cette façon les barres sont allégées de leur fonction porteuse. Les barres intérieures au bras et à l'avant-bras sont respectivement égales aux largeurs du bras et de l'avant-bras, et en raison de la diminution de leur nombre, nous pouvons proposer un guidage très simple pour maintenir les barres du bras parallèles à l'axe de cet organe. I1 sera établi par ailleurs qu'aucun guidage n'est nécessaire dans l'avant-bras. GUIDAGE A L'INTERIEUR DU BRAS La barre du bras est maintenue parallèle à l'axe du bras (fig. 3- 1.a et 3 l.b) par le parallèlogramme g2g'2 f2f; qui peut tourner autour de l'axe 5, lequel peut lui-même tourner autour de l'axe z1 du bras. Ce système est compatible avec le mouvement que doit avoir le point a2 commun à la barre 8 et au triangle de commande 10, pour les raisons suivantes Le triangle de commande 10 est articulé sur le bras 1 de façon semblable au triangle final sur l'avant-bras 2, au moyen de trois liaisons pivot (fig. 3 l.a). Cet ensemble est équivalent à une liaison rotule (fig. 3 l.b). Dans ces conditions, le point a2 se déplace sur une sphère S a.2 de centre al (fig. 3.2). Le point g'2 (fig. 3.1b) est lié à 6, lui-même lié au fourreau 4 par l'intermédiaire de 2 liaisons pivot concourantes en g2. g'2 se déplace donc pour un observateur lié au fourreau 4, sur une sphère de centre g2. Mais, puisque le fourreau tourne autour de l'axe zl du bras 1, g'2 peut se trouver à l'intérieur du tore Notons que la partie centrale non hachurée du tore a2 n'est pas atteignable par a2. Dans ces conditions, pour que le mouvement de a2 soit possible, il faut que la sphère Sa2 soit intérieure à la partie hachurée de a Pour obtenir le plus grand mouvement de a2, il faut donc faire en sorte que a1a22 = R2 - d2 2' 2 D'autre part, la barre 8' est maintenue parallèle à la barre 8 par le parallèlogramme déformable g3g'3 a2a3 (fig 3.1.b). (La pièce 12' n'apparait pas dans le schéma 3 l.b car elle n'est théoriquement pas nécessaire). Ce parallèlogramme peut par ailleurs tourner autour de la barre 8 (fig. 3 l.a et 3 l.b). ABSENCE DE GUIDAGE A L'INT2RIEUR DE L'AVANT-BRAS Les barres g et g' intérieures à l'avant-bras 2 sont seulement maintenues parallèles par les biellettes 11 et 11' (fig. 3 1.a) qui forment avec g et g' un parallèlogramme déformable. (11' n'est théoriquement pas nécessaire et n'apparaît pas dans le schéma 3 l.b). Elles ne sont pas guidées dans l'avant-bras 2 car il va être établi que si les extrémités b b des barres 8 et 8' sont fixes ainsi que le bras et l'avant-bras, les points c2 et c3 sont également fixes, sans que les barres soient guidées. Cela revient bien à établir qu'aucun guidage supplémentaire n'est nécessaire. En effet, si le bras, l'avant-bras et 2, ainsi que les points b2 et b3 ont des positions déterminées, les points c2 et c3 se trouvent sur des sphères 2 etc3, de centres b2 et b3 (fig. 3.3). D'autre part, b2 b3 c2 c3 étant un parallèlogramme, c2c3 est parallèle à b2b3, et puisque les points c2c3 sont liés au triangle terminal 3, en articulation sphérique en c1, il est nécessaire que ces points se trouvent sur des cercles #2 et #3 que décri raient ces points si 2 tournait autour de l'axe (cl,2 ) parallèle à b2b3. En fin de compte, c2 et c3 se trouvent aux intersections respectives. de #2 et #2 et de #3 et #3. Bien entendu, on peut, pour des questions de rigidité, reproduire dans l'avant-bras 2 le mécanisme intérieur au bras 1. CONFIGURATIONS SINGULIERES (C.S.) DANS L'AVANT-BRAS La construction vue précédemment fait apparaltre deux solutions c2c3 et c '2c '3 (fig. 3.3). Mais les intersections2(\2 43ssY3 peuvent être doubles ou indéterminées. I1 s'agit alors de configurations singulières. Les solutions doubles sont obtenues lorsque la droite b 2b3 coupe blc1 (fig. 4.1a). Cette position laisse à c2 et c3 la possibilité d'évoluer suivant les flèches f ou f'. I1 faut donc l'éviter par une butée qui em pêche le plan C1C2C3 de contenir b1c1. La solution de la fig. 3.1 a nécessiterait une butée située en B, au milieu de l'arc ou évolue 14. On préfèrera donc la solution de la fig. 4.1 c où deux butées sont pla cées aux extrémités de l'arc où évolue 14. L'axe de la première liaison pivot est parallèle à celui de l'avant-bras Les intersections indéterminées apparaissent lorsque b2b3 et c1 sont alignés, Le triangle 3 peut alors tourner librement autour de b2c2. Mais cette position est interdite par les butées précédentes, puisque cette configuration suppose aussi que b1c1 se trouve dans le plan de c1c2c3. DANS LE BRAS Un autre cas de configuration singulière apparaît dans le bras, lorsque l'axe de la barre 8 est confondu avec celui du bras. Alors 4 peut tourner librement autour de l'axe Z1 (fig. 3.1.b) sans affecter la configuration du mécanisme intérieur à 1 et 2. I1 y a alors perte "locale" d'un degré de mobilité, et l'axe de 8 ne peut quitter sa position (zl) que suivant une direction unique perpendiculaire au plan g2g'2f2f'2. Pour remédier à cet inconvénient, on propose d'ajouter une liaison pivot avec butées élastiques entre l'axe 5 et un solide intermédiaire 5' (fig. 4.2). Son rôle ne sera utile qu'au passage de cette configuration singulière. L'axe 5, l'axe de la nouvelle liaison et l'axe Z1 de bras 1, ne doivent pas se trouver dans un même plan. Le passage de la configuration singulière se fera donc en général avec une certaine résistance, mais deviendra possible quel que soit le mouvement envisagé. Ajoutons que cette solution permet d'envisager que a2 puisse se trouver à l'intérieur du volume non hachuré de la fig. 3.2. 6TENSION A UN NOMBRE QUELCONQUE DE bRAS SUCCESSIFS On comprend sans difficulté que le système décrit peut s'étendre à une suite d'éléments articulés successifs en nombre quelconque, en reproduisant le mécanisme vu à l'intérieur du bras, à l'intérieur de tous les éléments, ou à l'intérieur de tous ces éléments sauf le dernier, dans lequel on reproduit le mécanisme vu précédemment dans l'avant-bras 2. REVENDICATIONS 1) Mécanisme de commande de l'orientation de l'organe terminal d'un engin de manutention tel qu'un robot de façon indépendante de la configuration de la structure porteuse caractérisé en ce qu'un triangle de commande (ala2a3, Fig. 1.a) est articulé à trois barres (a1bl, a2b2, a3b3) maintenues parallèles à l'axe du bras (Fig. 1.a) de la structure porteuse et de longueurs égales à celle de celui-ci, s' articulant à un nouve ensemble de 3 barres maintenues parallèles à l'avant-bras (Fig. 1.a) de longueurs égales et s'articulant de nouveau à un triangle terminal (c1c2c3) de telle sorte que ce dernier se déduit en permanence du triangle de commande (ala2a3) par translation quelle que soit la configuration de la structure porteuse. 2) Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé entre que le nombre d'éléments porteurs articulés entre eux est quelconque et présentant un triangle matériel de commande aux extrémités libres des barres du premier élément porteur (1, Fig. 3.la) et un triangle terminal aux extrémités libres des barres du dernier élément porteur (2, Fig. 3.la) et reproduisant le système assurant le parallélisme des barres avec les axes des éléments pour chacun de ceux-ci. 3) Mécanisme selon la revendication 2 caractérisé en ce que les éléments de la structure porteuse (1 et 2 Fig. 3.la) jouent le rôle d'un ensemble de barres successives de la revendication 1, les triangles terminal et de commande devant être articulés aux extrémités de ces éléments (Fig. 3.la) et les barres parallèles au dernier elément (2 Fig. 3.la et 3.lb) devant être de longueurs égales à celle de celui-ci. 4) Mécanisme selon la revendication 3 caractérise en ce que le système de guidage qui maintient les deux barres restantes parallèles à l'axe de l'élément porteur i Fig. 3.la) est constitué de deux parallélogrammes déformables (5,6,8,7 et 8,12,8',12' Fig. 3.via) pouvant tourner l'un par rapport à l'autre autour de leur partie commune (8), et le premier parallélogramme guidant la barre commune (8) pouvant tourner autour de l'axe opposé (5), parallèle et lié au fourreau (4) qui peut lui-même tourner autour de l'axe (z1, Fig. 3.lb) de l'élément (1). 5) Mécanisme selon la revendication 4 caractérisé en ce que la longueur des biellettes (6,7 Fig. 3.via) égale à R, la distance égale à d de l'axe 2 (Z1 Fig. 3.1b) de l'élément à l'axe (5) doivent être liées à la distance alfa2 qui sépare le point a1 où est articulé le triangle (a1a2a3) du point d'articulation 2 2 d2 entre ce triangle et la barre commune (8), par la relation : a1a2 = R - 4d , dans le but d'assurer la plus grande plage de mouvement au triangle de commande autour de son point d'attache. 6) Mécanisme selon la revendication 4 caractérisé en ce que le système de guidage des barres de la revendication 4 est reproduit dans tous les éléments porteurs sauf dans le dernier où les barres forment un parallélogramme déformable libre par rapport à l'élément, le triangle terminal (3) devant alors nécessairement être articulé sur cet élément (Fig. 3.la, et 3.lb). 7) Mécanisme selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que les articulations entre barres et entre barres et triangles sont des rotules obtenues au moyen de 3 liaisons pivots d'axes concourants (Fig. lb et tic), la liaison pivot intermédiaire admettant un rotulage (Fig. 1c) bloqué dans une position courante, au moyen d'une rondelle élastique (exemple : rondelle belleville) et qui est utilisé pour la sortie de la position singulière définie par l'alignement des axes des liaisons pivotsextrèmes. 8) Mécanisme selon les revendications 1 ou 3 caractérisé en ce que le triangle terminal ou le triangle de commande est lié à l'élément adjacent de la structure par 3 liaisons pivots concourantes et successivement orthogonales, telles que celle qui concerne directement l'élément a le même axe que celui-ci (Fig. 4.tic). 9) Mécanisme selon la revendication 4 caractérisé en ce qu il est muni d'une liaison pivot élastique permettant le passage de la configuration singulière définie par la coincidence des axes du côté commun aux deux parallélogrammes du système de guidage (8 Fig. 3.la) avec celui de l'élément dans lequel il est monté, cette liaison pivot élastique intermédiaire présentant une tige (5' Fig. 4.2) articulée autour de l'axe (5) lui-même articulé sur le fourreau ; celui-ci, la tige, et l'axe étant d'axes parallèles et les biellettes (6,7) s'articulant sur la tige (5') comme elles s'articulent dans la revendication (4) sur l'axe (5) ; des plots élastiques s'intercallant entre l'axe (5) et la tige (6) de façon que lorsqu'ils sont sans contrainte les axes du fourreau de l'axe et de la tige ne soient pas dans un même plan.