Brevet FR2627718A1 — publié le 19890901

Dispositif d'équilibraqe des forces, notamment de pesanteur, agissant sur un bras de robot ou analoque L'invention concerne un dispositif d'équilibrage des forces, notamment de pesanteur, agissant sur un bras de robot ou analogue, articulé en rotation autour d'un axe, notamment d'un axe horizontal. On connaît déjà des dispositifs d'équilibrage de ce genre qui ont pour but de compenser les couples engendrés par les forces de pesanteur sur un bras de robot articulé en rotation autour d'un axe horizontal. Ainsi, l'énergie des organes d'entraînement du bras est consacrée seulement à l'entraînement de celui-ci. Les dispositifs d'équilibrage de la technique antérieure avaient comme inconvénient majeur d'être approximatifs et de ne pas permettre de compenser exactement les couples des forces de pesanteur, et cela d'autant plus que ces couples varient en fonction de la position angulaire du bras de robot par rapport à la verticale. Un dispositif d'équilibrage des forces de pesanteur permet- tant de pallier cet inconvénient est décrit dans le Brevet français No 84 08383, publié sous le No 2 565 153. Le dispositif d'équilibrage du Brevet précité comprend une pièce auxiliaire rigide articulée autour d'un second axe parallèle à celui du bras de robot, ladite pièce compor- tant deux bras transversaux s'étendant de part et d'autre du second axe et ayant des extrémités symétriques par rap- port à ce second axe, ces extrémités étant propres à s'ap- puyer contre une partie rectiligne d'un organe mobile en translation soumis à un effort de rappel vers une position initiale, proportionnel à la distance entre cette posi- tion initiale et la position occupée par l'organe mobile, ainsi que des moyens d'entraînement en rotation de ladite pièce auxiliaire autour du second axe à une vitesse angu- laire égale, en valeur absolue, à la moitié de celle du bras de robot. Dans ce dispositif d'équilibrage connu, l'ensemble est calé angulairement de telle sorte que, lorsque le bras de robot est vertical, les deux extrémités des bras trans- versaux appuient simultanément sur la partie rectiligne qui occupe la position initiale, l'organe mobile n'étant alors soumis à aucun effort de rappel, la constante de proportionnalité entre l'effort de rappel et l'amplitude du déplacement de l'organe mobile, et la distance du second axe à l'extrémité des bras transversaux étant choisies de telle sorte que l'équilibrage soit assuré. Si ce dispositif connu permet d'équilibrer correctement le bras quelle que soit sa position angulaire, il souffre cependant de certains inconvénients. Tout d'abord, le dispositif nécessite un guidage précis pour assurer la translation de l'organe mobile. En outre, en dehors de la position initiale précitée, dans toutes les positions de l'organe mobile, l'effort d'appui exercé par la pièce auxiliaire sur la partie rectiligne de l'organe mobile est toujours en porte-à-faux par rapport à l'axe de translation de l'organe mobile. Il en résulte des risques de blocage du dispositif, et cela d'autant plus que l'effort de rappel auquel est soumis l'organe mobile est élevé. De plus, l'augmentation des efforts à équilibrer peut entraîner une augmentation de longueur des bras transversaux de la pièce auxiliaire, ce qui a pour conséquence d'augmenter encore le porte-à-faux et de ce fait les risques de blocage de l'organe mobile en translation. De ce fait, le dispositif d'équilibrage connu est, de par sa structure même, limité quant à la valeur du couple maximal à équilibrer. Par ailleurs, ce dispositif connu nécessite, pour exercer cet effort de rappel, des organes, tels que des ressorts de compression, d'autant plus volumineux que l'effort de rappel à exercer est plus élevé. Il faut également signaler que ce dispositif connu est particulièrement encombrant et donc difficile à loger dans une installation comportant un bras de robot, dans laquelle le volume disponible est souvent réduit. Enfin, le dispositif d'équilibrage connu nécessite de modi- fier le bras de robot pour pouvoir s'y adapter. C'est, en conséquence, l'un des buts de l'invention de procurer un dispositif d'équilibrage du type de celui décrit au Brevet français précité, qui permet d'éviter les inconvé- nients de la technique antérieure. C'est, en particulier, un but de l'invention de procurer un tel dispositif d'équilibrage qui ne nécessite pas de moyens de guidage précis de l'organe mobile en translation et qui ne présente pas de risques de.blocage. C'est, en outre, un but de l'invention de procurer un tel dispositif d'équilibrage, d'un encombrement réduit et en outre facilement adaptable à un bras de robot, sans qu'il soit nécessaire de procéder à des modifications ou transfor- mations de ce dernier. C'est encore un but de l'invention de procurer un tel dispo- sitif d'équilibrage qui permette d'équilibrer des couples élevés tout en conservant une taille réduite au dispositif et en réduisant le plus possible les contraintes internes propres au dispositif. Le dispositif d'équilibrage ou compensation des forces, en particulier de pesanteur, agissant sur un bras de robot, ou analogue, articulé en rotation autour d'un axe, en parti- culier horizontal, selon l'invention, est du type défini en introduction. Conformément à la caractéristique essentielle de l'inven- tion, ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une autre pièce auxiliaire rigide, de manière à former un nombre pair de pièces auxiliaires articulées respectivement autour d'axes parallèles et coplanaires, et supportant chacune deux bras transversaux; des moyens de synchronisation propres à entraîner en rotation les- dites pièces auxiliaires à des vitesses angulaires égales en valeur absolue, mais deux à deux en sens opposés; l'une au moins des pièces auxiliaires étant couplée auxdits moyens d'entraînement en rotation; l'ensemble étant calé de telle sorte que, lorsque le bras de robot est dans une position dans laquelle le couple résultant appliqué autour de l'axe d'articulation du bras par les forces précitées est nul, les extrémités des bras transversaux de toutes les pièces auxiliaires appuient simultanément sur la partie rectiligne dans sa position initiale. Dans cette position initiale, l'organe mobile n'est alors soumis à aucun effort de rappel, la constante de proportionnalité entre l'effort de rappel et l'amplitude du déplacement de l'organe mobile, et la distance de chacun des seconds axes à l'extrémité des bras transversaux est choisie de telle sorte que l'équilibrage soit assuré. Ainsi, les pièces auxiliaires exercent sur la partie recti- ligne de l'organe mobile des efforts d'appui dont la résul- tante est dans l'axe de déplacement de cet organe mobile, et cela quelle que soit la longueur des bras transversaux de ces pièces auxiliaires. Il n'est alors pas nécessaire d'assurer un guidage rigou- reux en translation de l'organe mobile. Au surplus, dans certains cas, il est même possible de n'assurer aucun gui- dage. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend deux pièces auxiliaires articulées respectivement autour de deux axes parallèles. Dans cette forme de réalisation préférée, les moyens de synchronisation des pièces auxiliaires comprennent un en- semble de pignons de même diamètre, calés respectivement sur les axes des pièces auxiliaires et coopérant directe- ment entre eux en sorte qu'une pièce auxiliaire soit entraî- née en rotation en sens opposé par rapport à la ou les pièces auxiliaires immédiatement adjacentes. De préférence, l'un des pignons de synchronisation fait également partie des moyens d'entraînement. Dans ce cas, ce pignon de synchronisation coopère avantageusement avec un pignon qui est calé sur l'axe de rotation du bras de robot et qui a un diamètre moitié de celui du pignon de synchronisation. De préférence, la partie rectiligne de l'organe mobile est soumise à l'action de deux moyens de rappel exerçant des forces de rappel dont la résultante est sensiblement coaxiale à la résultante des forces d'appui des extrémités des bras transversaux. L'invention prévoit en outre que le dispositif comprend un second organe mobile symétrique de l'organe mobile par rapport au plan des axes des pièces auxiliaires, ce second organe mobile étant soumis à un effort de rappel de sens opposé à celui de l'organe mobile précité, en sorte que, dans la position initiale occupée par les deux organes mobiles, les extrémités des bras transversaux de toutes les pièces auxiliaires appuient simultanément sur ces deux organes mobiles. Dans la description qui suit, donnée seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexe, sur lequel: - la figure 1 est une vue en élévation d'une installation comportant un bras de robot et un dispositif d'équilibrage de ce bras conforme à l'invention; et - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II- II de la figure 1, faisant également apparaître les organes d'entraînement en rotation du bras de robot. L'installation représentée aux figures 1 et 2 comprend un bras de robot 10 articulé en rotation autour d'un axe horizontal A au moyen d'un arbre 12 sur lequel est calé le bras 10. L'arbre 12 traverse deux flasques verticaux parallèles 14 et 16 reliés par un fond horizontal 18 et formant ainsi un bâti 20. Le bras 10 est propre à être entraîné en rotation, autour de son axe A, grâce à un groupe motoréducteur 22 fixé sur le flasque 16. Au cours de sa rotation, le bras 10 peut prendre toute position angulaire et former ainsi un angle 6 quelconque entre la verticale ascendante issue de A et la direction principale du bras (figure 1). Les forces de gravité P agissent sur le centre d'action G du bras 10. Pour compenser les forces de gravité s'exerçant sur le bras, l'installation comprend un dispositif d'équilibrage. Celui-ci comprend essentiellement deux pièces auxiliaires rigides 241 et 242 articulées respectivement autour de deux axes horizontaux B1 et B2 parallèles entre eux et parallèles à l'axe A. L'axe B1 est matérialisé par un arbre 26 (figure 2) qui traverse également les flasques 14 et 16. Cet arbre porte deux bras transversaux 281 et 301 qui s'éten- dent de part et d'autre de l'axe B1 et qui ont des extré- mités symétriques 321 et 341. Les bras transversaux 281 et 301 ont tous les deux la même longueur, à savoir une longueur égale à b. Les extrémités 321 et 341 servent de supports à des rouleaux respectivement 361 et 381 montés à rotation libre autour d'axes horizontaux 401 et 421 paral- lèles à l'axe B1. A l'une des extrémités de l'arbre 26 matérialisant l'axe B1 est calé en rotation un pignon denté 441 qui engrène directement avec un pignon denté 442 de même diamètre calé sur l'arbre d'axe B2 de la pièce auxi- liaire 242. La pièce 242 est rigoureusement identique à la pièce 241 et comporte également deux bras 282 et 302, chacun de longueur b, portant également des rouleaux d'ex- trémité 362 et 382. Les pignons 441 et 442 constituent des moyens de synchronisation propres à entraîner les pièces auxiliaires 241 et 242 à des vitesses angulaires égales en valeur absolue, mais de sens opposés. Par ailleurs, le pignon de synchronisation 441 engrène directement avec un pignon 46 calé sur l'arbre 12 d'entra ne- ment du bras 10. Les extrémités des bras transversaux des deux pièces auxi- liaires sont propres à s'appuyer contre une partie recti- ligne 48 d'un organe 50 mobile en translation et soumis à un effort de rappel vers une position initiale L0 (fi- gure 1) proportionnelle à la distance d entre cette posi- tion initiale et la position L occupée par ledit organe mobile. Dans l'exemple, cet effort de rappel est assuré par deux moyens de rappel 52 et 54 travaillant à la compression. Dans l'exemple, ces deux organes sont des blocs en mousse élastique, par exemple en polyuréthane, qui possèdent une raideur constante. L'ensemble précité est calé de telle sorte que, lorsque le bras de robot est vertical ( 6= 0), les extrémités des bras transversaux respectifs des pièces auxiliaires 241 et 242 appuient simultanément sur la partie rectiligne 48 dans sa position initiale L0. Dans cette position initiale, les bras 281 et 301 de la pièce 241 et les bras 282 et 302 de la pièce 242 sont horizontaux et les quatre rouleaux s'appuient sur la surface supérieure de la partie recti- ligne 48. 2'627718 Compte tenu des pignons 46, 441 et 442, les pièces 241 et 242 tournent à une vitesse angulaire égale, en valeur absolue, à la moitié de la vitesse angulaire du bras 10. Si, à partir de la position initiale précitée; le bras 10 est entra né en rotation de manière à faire un angle & par rapport à la verticale ascendante (figure 1), les pièces auxiliaires 241 et 242 prennent une position dans laquelle les bras correspondants font un angle /2 par rapport à la partie 48. Dans la position montrée à la figure 1, ce sont les rouleaux d'extrémité 381 et 382 qui s'appliquent sur la surface supérieure 48 de la partie mobile 50. Dans toutes les positions, autres que la position initiale pré- citée, on a toujours un appui, soit des deux rouleaux 381 1s et 382, soit des deux rouleaux 361 et 362 sur la face supé- rieure de la partie 48. Il en résulte que la résultante F des efforts d'appui se situe dans le plan médian com- pris entre les axes B1 et B2 et s'étendant perpendiculaire- ment à la partie 48. Dans la position initiale précitée, l'organe mobile 50 n'est soumis à aucun effort de rappel. Si l'on désigne par K la constante de proportionnalité entre l'effort de rappel et l'amplitude du déplacement de l'organe mobile, il faut que cette constante et la distance b, c'est-àdire la longueur de chacun des bras transversaux, soit choi- sie de telle sorte que l'équilibrage soit assuré. On peut montrer, en reprenant les calculs indiqués dans le Brevet français précité, que l'on doit satisfaire dans ce cas la relation 1/2 Kb2 = PR pour l'ensemble des deux pièces auxiliaires. Au lieu d'utiliser deux pièces auxiliaires 241 et 242, il serait possible d'utiliser quatre pièces auxiliaires en en ajoutant deux autres, 243 et 244, comme indiqué en trait fantôme sur la figure 1. Les pièces 243 et 244 possè- dent des axes respectifs B3 et B4 parallèles et coplanaires avec les axes B1 et B2 et des pignons dentés 443 et 444 engrenant respectivement avec le pignon 441 et avec le pignon 442. De cette manière, les quatre pièces auxiliaires tournent à la même vitesse angulaire, en valeur absolue, mais deux à deux en sens opposés. En pareil cas, il faudrait utiliser un organe mobile 50 de dimension adaptée et-dé- placer le cas échéant les organes de rappel 52 et 54. En variante, on pourrait prévoir un "matelas" d'organes de rappel répartis entre la surface inférieure de l'organe 50 et le fond 18. Dans une autre variante, il est possible de prévoir un second organe mobile 56, comme montré en trait fantôme sur la figure 1, symétrique de l'organe mobile 50 par rap- port au plan des axes des pièces auxiliaires. Ce second organe mobile est alors soumis à un effort de rappel de sens opposé à celui de l'organe mobile précité, et cela au moyen de deux organes de rappel 58 et 60. Dans la posi- tion initiale occupée par les deux organes mobiles, les extrémités des bras transversaux des pièces auxiliaires appuient toutes simultanément sur les deux organes mobiles et 56. Grâce aux deux organes mobiles 50-et 56, on peut d'une part augmenter le couple d'équilibrage généré par le dispositif et d'autre part diminuer les contraintes subies par les axes des pièces auxiliaires et par les pa- liers dans lesquels tournent ces axes. En pareil cas, il convient de satisfaire la relation Kb2 = PR. Comme on peut le constater sur la figure 2, l'organe mobile 50 n'a pas besoin de guidage particulier puisqu'il subit des efforts symétriques, d'un côté de la part des organes ressort 52 et 54 et, de l'autre côté, de la part des bras transversaux des pièces auxiliaires, et cela quelle que soit la longueur desdits bras transversaux. On peut ainsi équilibrer des bras de robot ou analogue, de poids très lourds. Le dispositif précité est particulièrement peu encombrant et peut s'adapter facilement à un bras de robot existant, sans qu'il soit nécessaire de lui faire subir de modifica- tions ou transformations. Il est à noter que le dispositif de l'invention peut égale- ment fonctionner, mais d'une façon moins rigoureuse, avec des bras de robot dont l'axe de rotation est incliné sur l'horizontale. Le dispositif est capable de compenser des forces de toute nature, à condition qu'elles génèrent, sur l'axe de rota- tion du mouvement à contrôler, des variations de couple pouvant être assimilées à une fonction sinusoïdale en fonc- tion de l'angle dudit mouvement de rotation et à condition 1s que l'amplitude de cette sinusoïde soit relativement cons- tante. Revendications 1.- Dispositif d'équilibrage des forces, notamment de pesan- teur, agissant sur un bras de robot ou analogue, articulé en rotation autour d'un axe, notamment d'un axe horizontal, ce dispositif comprenant une pièce auxiliaire rigide (241) articulée autour d'un axe (B1) parallèle à celui (A) du bras de robot (10), ladite pièce comportant deux bras trans- versaux (281,301) s'étendant de part et d'autre de l'axe et ayant des extrémités symétriques par rapport à cet axe, ces extrémités étant propres à s'appuyer contre une partie rectiligne (48) d'un organe (50) mobile en translation soumis à un effort de rappel vers une position initiale, proportionnel à la distance (d) entre cette position ini- tiale et la position occupée par l'organe mobile, des moyens d'entraînement en rotation de la pièce auxiliaire autour de son axe à une vitesse angulaire égale, en valeur absolue, à la moitié de celle du bras de robot, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une autre pièce auxiliaire rigide (242) de manière à former un nombre pair de pièces auxi- liaires articulées respectivement autour d'axes (B1,B2) parallèles et coplanaires, et supportant chacun deux bras transversaux; des moyens de synchronisation (441,442) pro- pres à entrainer en rotation lesdites pièces auxiliaires à des vitesses angulaires égales en valeur absolue, mais deux à deux en sens opposés; l'une au moins des pièces auxiliaires étant couplée auxdits moyens d'entraînement en rotation; l'ensemble étant calé de telle sorte que, lorsque le bras de robot est dans une position dans laquelle le couple résultant appliqué autour de l'axe d'articulation du bras par les forces précitées est nul, les extrémités des bras transversaux de toutes les pièces auxiliaires appuient simultanément sur la partie rectiligne (48) dans sa position initiale. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces auxiliaires (241,242) articu- lées respectivement autour de deux axes parallèles (B1,B2). 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que les moyens de synchronisation des pièces auxiliaires comprennent un ensemble de pignons (441,442) de même diamètre, calés respectivement sur les axes (B1,B2) des pièces auxiliaires et coopérant directement entre eux, en sorte qu'une pièce auxiliaire soit entraînée en rotation en sens opposé par rapport à la ou les pièces auxiliaires immédiatement adjacentes. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'un (441) des pignons de synchronisation fait égale- ment partie des moyens d'entraînement. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit pignon de synchronisation (441) coopère avec un pignon (46) qui est calé sur l'axe (A) de rotation du bras de robot et qui a un diamètre moitié de celui du pi- gnon de synchronisation. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que la partie rectiligne (48) de l'organe mobile (50) est soumise à l'action de deux moyens de rappel (52,54) exerçant des forces de rappel dont la résultante est sensiblement coaxiale à la résultante des forces d'appui des extrémités des bras transversaux. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de rappel travaillent à la compression. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de rappel (52?54) sont des blocs en mousse élastique, par exemple en polyuréthane. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, carac- térisé en ce qu'il comprend un second organe mobile (56) symétrique de l'organe mobile (50) par rapport au plan des axes des pièces auxiliaires, ce second organe mobile étant soumis à un effort de rappel de sens opposé à celui de l'organe mobile précité (50), en sorte que, dans la position initiale occupée par les deux organes mobiles, les extrémités des bras transversaux de toutes les pièces auxiliaires appuient simultanément sur les deux organes mobiles.