Brevet FR2606313A1 — publié le 19880513

La présente invention concerne un dispositif de manipulation dans lequel l'outil est déplacé par rapport à une base fixe au moyen d'une rotation et de deux translations (structure de robot dite cylindrique). L'outil est en outre orientable autour de l'axe de la seconde translation, ou autour de cet axe et d'un axe perpendiculaire aux deux translations. Il existe de nombreuses structures de robots de manipulation combinant axes de rotation et axes de translation pour conférer à l'outil terminal un nombre de degrés de liberté suffisant pour qu'il puisse accomplir les tâches qui lui sont assignées. La présente invention est un agencement nouveau de ces axes dans un dispositif manipulateur. Elle a, à cet effet, pour objet un dispositif de manipulation constitué par - une colonne verticale au sommet de laquelle est montée tournante une tourelle, - un bras horizontal monté coulissant par rapport à la tourelle le long d'une direction perpendiculaire a l'axe de rotation de cette tourelle, - un bras vertical monté coulissant à l'extrémité du bras horizontal, parallèlement à L'axe vertical de la colonne, - un porte-outil solidaire de l'extrémité inférieure du bras vertical et monté tournant au moins autour d'un axe vertical, alors que les moyens d'entraînement en translation des deu > bras susdits et en rotation dudit porte-outil sont portés par La tourelle, celle-ci étant entraînée par un moteur embarqué ou un moteur solidaire de La colonne. Le bras horizontal susdit est coulissant à l'inte- rieur de la tourelle, sa face supérieure étant dépourvue de paroi pour le passage des organes de transmission de mouvement Le bras vertical est coulissant à L'intérieur de l'extrémité du bras horizontal, sa face latérale tournée vers la tourelle étant dépourvue de paroi pour le passage des organes de transmission des mouvements. Les moyens de transmission des mouvements detranslation sont constitués, dans chacun des bras, par un système vis-écrou dans lequel la vis, intérieure au bras, est solidaire de ce dernier par ses deux plaques d'extrémités et est en tension entre elles. Dans un mode de réalisation préféré, Les écrous et Les poulies des systèmes de transmission et Les engrenages de renvoi d'angle sont portés par des bâtis techniques, l'un solidaire de la tourelle et situé à l'intérieur du bras horizontal, et L'autre solidaire de l'extrémité de bras horizontal et situé à l'intérieur du bras vertical. Dans une variante de réalisation, le porte-outil est monté à L'extrémité du bras vertical, tournant autour d'un axe horizontal perpendiculaire à L'axe des deux bras, cette rotation étant commandée par un moteur porté par La tourelle. Dans cette variante, L'extrémité inférieure du bras vertical et le porte-outil sont reliés par un bâti technique de support et de guidage des engrenages de transmission des deux mouvements de rotation au perte-outil Enfin, le bras vertical est attelé à un ressort pneumatique d'équilibrage à L'encontre de l'effet de La pesanteur, constitué par un vérin dont une face du piston est en contact permanent avec un fluide sous pression contenu dans une capacité tampon, le vérin et la capacité étant Logés à l'intérieur du bras horizontal. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-apres à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et Les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans Lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de manipulation conforme à l'invention, possédant cinq axes. - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un dispositif selon L'invention possédant quatre axes. En se reportant tout d'abord à la figure 1 on voit que le robot selon l'invention possède une colonne verticale 1, à L'extrémité supérieure de Laquelle une tourelle 2 est attelée par L'intérmédiaire d'une semelle tournante 3, qui est attelée en rotation à un ensemble motoréducteur 4 Logé à l'intérieur de la colonne. A l'intérieur de la tourelle 2 qui est sensiblement cubique, coulisse un bras horizontal 5, guidé dans la tourelle par des guides Latéraux 6a, 6b, coopérant avec des patins à billes, précontraints sur les guides 6a et 6~,tells que celui référencé 7 sur La tourelle 2. Un guidage similaire est prévu de L'autre côte du bras 5. On notera qu'il est possible de ne disposer qu'un seul guide tel que 6a le long du bras et deux patins 7 de chaque côté du bras 5. A l'extrémité 5a du bras horizontal du bras 5, un bras vertical 8 est monté coulissant, en étant guidé dans le bras 5 de La même manière que ce dernier est guidé dans la tourelle 2. On voit donc en 9, 9a et 10 les éléments de guidage du bras 8 dans L'extrémité 5a du bras 5. Au dessus de La tourelle 2, on a sch.ématisé des moteurs 11, 12, 13 et 14, qui par Leur poulies de sortie et des courroies crantées de transmission, entraînent des poulies réceptrices associées à des arbres 15, 16, 17, 18, dont on verra ci-après les fonctions respectives. Pour les besoins de clarté du dessin, on a représenté les moteurs 11,12 oppnses aux moteurs 13 et 14, mais on comprend hien que si l'on veut disposer d'une course maximale pour le bras 5, on placera Les moteurs 13 et 14 du même côté que Les moteurs 11, 12. On n'a pas représenté sur cette figure le bâti technique qui, solidaire de la tourelle 2, pénètre dans le bras 5 par son ouverture 5b, et constitue Le support de toutes les poulies réceptrices susdites. La poulie réceptrice, entrainée par le moteur 11, entraine en rotation l'arbre 15, qui est un arbre cannelé pouvant coulisser dans la poulie réceptrice, et monté tourillonnant dans deux oaliers 1Sa et 15b solidaires du bras 5. De même, L'arbre 16 associé à la poulie réceptrice en traînée par le moteur 12, est un arbre cannelé qui tourne dans deux paliers d'extrémité 16a et 16~, et qui peut coulisser le long de ladite poulie réceptrice. La poulie 19 entraînée par Le moteur 13 est, quant à elle, conformée en un écrou qui coopère avec l'arbre 17 qui est une vis fixée sur Le bras 5. La rotation de L'écrou 19 provoque donc la translation dans la tourelle du bras 5. Enfin, le moteur 14 est associé à L'arbre 18 de La même manière que le sont les moteurs 11 et 12 à leurs arbres respectifs 15 et 16. Les arbres 15, 16 et 18 sont accouplés à leurs extrémités proches du bras 8, à des pignons coniques respectivement 20, 21 et 22, qui sont montés tournant dans un second bâti technique non représenté et solidaires du bras 5 mais situé à l'intérieur du bras 8, lequel bâti technique porte également les engrenages coniques associés respectivement 23, 24 et 25, pour former des couples de renvoi d'angle. Le pignon conique 24 est conformé en un écrou qui coopère avec une vis fixe 26 solidaire du bras 8, si bien que sa rotation assure la translation verticale du bras 8. Le pignon conique 23 est quant à lui associé à un arbre cannelé 27, de même que le pignon -conique 25 l'est à l'arbre cannelé 28. A leur extrémité inférieure , Les arbres 27 et 28 pénétrent, au-delå du bras 8, dans un bâti technique 29, qui constitue Le support pour un porte-outil 30. Le porte-outil 30 est solidaire d'un axe transversal 31, et sa position angulaire autour de cet axe transversal est commandée par un renvoi d'angle 32, 33, le pignon 32 étant attelé en rotation à L'arbre 28. Le porte-outils 30 peut également tourner autour de son axe propre 30', grâce aux engrenages coniques 34, 35 et 36, L'engrenage 34 étant entraîné par L'arbre 27, engrenant avec l'engrenage 35 monté fou sur l'axe 31 qui lui-même, entraîne L'engrenage 36 et ce, quelle que soit la position angulaire de l'axe 31. L'engrenage 36 est accouplé à une roue droite 37 qui elle-même engrène avec une roue droite 38 solidaire du porte-outil 30. On notera enfin sur cette figure 1 que la face 5b ouverte du bras 5 ainsi que la face du bras 8 tournée vers la colonne 1 et également ouverte, sont pourvues d'un dispositif à soufflet tel que celui 39 du bras 5, protégeant le volume intérieur de ces bras. La liaison des moteurs 11, 12, 13, 14, ainsi que du moteur 4 avec, d'une part les sources de puissance et d'autre part, le dispositif à commande numérique où le programme de commande de ce manipulateur, est réalisée au moyen d'un faisceau de conducteur 40 circulant à l'inte- rieur de la colonne 1. Sur la figure 2 on retrouve certains des éléments déja décrits avec les mêmes références. Le manipulateur représenté schématiquement en coupe à la figure 2 possède un axe de moins que celui de la figure 1 à savoir celui de l'orientation du porte-outil autour d'un axe tel que 31. Le porte-outil 30 est ici directement attelé à L'arbre 27', homologue de L'arbre 27 de la figure 1, entrainé en rotation par le couple de pignon 20, 23 et L'arbre 15. Il s'ensuit que la tourelle 2 ne porte que trois moteurs, dont on aperçoit les courroies de transmission 12', 13' et 11' attaquant respectivement les arbres 16,17 et 15. On voit que la vis 17 est fixée au bras 5 entre deux parois d'extrémités 50,51, et est tendue entre ces parois. Cette précontrainte de la vis permet de diminuer ses déformations élastiques lors des débuts ou fins de coulissement du bras 5 dans la tourelle 2. On notera également que l'écrou associé à La courroie 13' est un écrou à bille précontraint coopérant avec la vis 17 avec un minimum de jeu.Un bâti technique non représenté, de support des poulie d'entrainement des arbres 15 et 16 et de l'écrou 19 peut être attelé à la paroi supérieure 2a de la tourelle 2. De même, Les dispositifs de renvoi d'angles 20,23 et 21,24 entre le bras 5 et le bras 8, sont incorporés à un bâti technique non représenté qui lui peut être porté par La paroi 50 du bras horizontal 5. Il faut entendre par bâti technique, une pièce usinée pour d'une part être fixez à La carcasse du manipulateur et d'autre part offrir aux poulies et engrenages les paliers nécessaires à leur maintien et leur guidage en rotation. De même que pour la vis 17, la vis 26 coopérant avec L'écrou 24 du bras 8 est attelée entre ses extrémités 8a et 8b sous tension. On notera enfin La présence dans le bras 5, d'un ressort pneumatique 60 dont La tige 61 est sollicitée en permanence dans Le sens de la rétraction, au moyen d'un fluide sous pression contenu dans une capacité 62, communiquant avec un orifice d'admission 63 du ressort 60. Un lien souple 64 relie un point fixe de la paroi 50 du bras 5 à un point fixe de la paroi 8b du bras 8 en passant par dessus une poulie 65 portée par la tige 61 du ressort 60 et une poulie de renvoi 66 portée par la paroi 50. Cette disposition permet au ressort 60 d'équilibrer l'effet de La pesanteur sur le bras vertical 8.On notera que la variation de volume du ressort 60 Lors de La plongée du bras 8 est relativement minime en regard du volume de fluide sous pression contenu dans La capacité 62, et de ce fait, n'a qu'une influence négligeable sur la caractéristique du ressort qui peut être considérée comme constante. Un dispositif de compensation des fuites sera prévu pour maintenir une pression constante dans la capacité 62. L'invention trouve une appl i cati on intéressante dans le domaine des appareils de manutention. Elle permet, par sa conception, de proposer divers types de robots, avec une base standard, en multipliant les axes et les moteurs qui les entraînent. Elle n'est pas limitée à la description qui vient d'en etre donnée. C'est ainsi qu'elle couvre Le cas où L'entraînement en rotation de la tourelle par rapport à la colonne peut être réalisé par un moteur porté par la tourelle et attaquant une roue fixe portée par la colonne. De même, les renvois d'angle représentés sous forme d'engrenages coniques sur les figures peuvent être réalisés chacun au moyen d'un couple roue et vis sans fin. Plus particuliè- rement en ce qui concerne les deux rotations du porte-outil on peut prévoir une roue calée sur L'axe 31 coopérant avec une vis tournant avec l'arbre 27 tandis que l'arbre 28 peut, par une vis, attaquer une roue centrée sur L'axe 31 et entraînant une vis d'axe 30' solidaire en rotation de L'axe 31. REVENDICATIONS 1. Dispositif de manipulation caractérisé en ce qu il est constitué par : - une colonne (1) verticale au sommet de laquelle est montée à rotation une tourelle (2), - un bras horizontal (5) monté coulissant par rapport à la tourelle (2) Le long d'une direction perpendiculaire à l'axe de rotation de la tourelle (2), - un bras vertical (8) monté coulissant à I 'ext ré- mité du bras horizontal (5) parallèlement à L'axe vertical de la colonne (1), - un porte-outil (30) solidaire de L'extrémité inférieure du bras vertical (8) et monté tournant au moins autour d'un axe vertical (30'), et en ce que - les moteurs d'entrainement (12,13) en tanslation des deux bras (5, 8) susdits et (11) en rotation dudit porte-outil (30), sont portés par la tourelle (2). 2. Dispositif selon la revendication 1- caractérisé en ce que le bras horizontal (5) susdit est coulissant à l'intérieur de la tourelle (2), sa face supérieure 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le bras vertical (8) est coulis ans à L'intérieur de l'extrémité du bras horizontal (5), sa face Latérale tournée vers la tourelle (2) étant dépourvue de paroi pour le passage des organes de transmission de mouvements. 4. Dispositif selon I 'un quelconque des revendu a tisons précédentes caractérisé en ce que les moyens de trans- mission des mouvements de translation sont constitues, dans chacun des bras (5,8) par un système vis - écrou dans lequel la vis (17,26) intérieure au bras (5, 8), est solidaire de ce dernier par ses deux plaques d'extrémités (50, 51, 8a, 8b), et est en tension entre elles. 5. Dispositif selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les écrous et les poulies des systèmes de transmission et les engrenages (20, 21, 22, 23, 24, 25) de renvoi d'angle sont portés par des batis techniques, l'un solidaire de la tourelle (2) et situe à L'intérieur du bras horizontal (5), et L'autre solidaire de l'extrémité du bras horizontal (5) et situé à L'intérieur du bras vertical (8). 6. Dispositif selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que Le porte-outil (30) est en outre monté autour d'un axe horizontal (31) perpendiculaire aux axes des deux bras (5,8), cette rotation étant commandée par un moteur (14) porté par la tourelLe (2). 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte entre L'extrémité inférieure du bras vertical (8) et Le porte-outil (30), un bâti technique (29) de support et de guidage des engrenages de transmission (33, 34, 35, 36, 37, 38) des deux mouvements de rotation au porte-outil (30). 8. Dispositif selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que Le bras vertical (8) est attelé à un ressort pneumatique (60) d'équilibrage, à l'encontre de l'effet de la pesanteur. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit ressort pneumatique (60) est constitué par un vérin dont une face du piston est en contact permanent avec un fluide sous pression contenu dans une capacité (62) de tampon, le vérin et la capacité étant logés à l'inte- rieur du bras horizontal (5). 10. Dispositif selon La revendication 2 caractérisé en ce que le moteur (4) d'entraînement de la tourelle (23 par rapport à la coLonne (1) est logé à l'intérieur de cette dernière. 11. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur d'entraînement de La tourelle (2) par rapport à la colonne (1) est porté par La tourelle et coopère avec une roue fixe de la colonne.