Brevet FR2638387A1 — publié le 19900504

La présente invention concerne un dispositif d'articulation à deux degrés de liberté en rotation, équipé de son mécanisme de motorisation Habituellement, les articulations mécaniques sont constituées d'un système pivotant autour d'un axe de rotation (un degré de liberté) auquel est associé un dispositif de motorisation (vérin...) extérieur à l'articulation proprement dite, et présentant donc un certain encombrement. Une articulation à deux degrés de liberté est constituée de deux systèmes simples axés à 90 degrés l'un de l'autre, ou bien d'un système simple monté sur une plate-forme tournante. Le dispositif selon l'invention parait devoir constituer un progrès du double point de vue de la facilité et du coût de réalisation, ainsi que de l'encombrement. I1 est en effet constitué d'un ensemble de plaques à priori identiques, empilées jusqu'à obtenir la longueur et donc le débattement de l'articulation souhaités. Les plaques sont reliées les unes aux autres par le biais de rotules, ou de systèmes mécaniques équivalents. Au moyen d'orifices adéquats ménagés dans la périphérie des plaques, l'articulation est traversée par un jeu de quatre tringles (tiges flexibles, câbles...) agissant par paires, les deux paires définissant deux plans perpendiculaires dont l'intersection est la ligne définie par les centres de rotation des rotules. Sur ces tringles, il est possible d'exercer soit exclusivement une compression, soit exclusivement une traction, soit indifféremment l'une où l'autre.Elles sont arrêtées à une extrémité de l'articulation, et mues par une motorisation (vérin hydraulique ou pneumatique, système a crémaillère ou à vis...) & l'autre extrémité. En exerçant un effort de traction sur l'une des quatre tringles (et éventuellement une compression sur la tringle opposée par rapport à la ligne des centres des rotules), chacune des plaques tend à subir une rotation par rapport & ses voisines immédiates. I1 en résulte que l'articulation prend une forme incurvée correspondant à l'accumulation de ces rotations, incurvation dont la concavité se situe du côté de la tringle en traction. La flexibilité des tringles leur permet d'épouser la forme de l'articulation sans que l'action qu'elles exercent sur celle-ci en soit sensiblement affectée. Une courbure donnée par un ensemble de deux tringles ne tend pas à modifier la longueur engagée dans l'articulation des deux autres tringles,les mouvements suivant deux plans sont donc sans interaction les uns sur les autres, mais peuvent être associés de façon que l'extrémité mobile de l'articulation décrive une portion d'espace (deux degrés de liberté en rotation). Le verrouillage de l'articulation peut être obtenu en exerçant- des efforts de traction antagonistes et correctement dosés sur les deux tringles qui commandent le mouvement. Selon une forme de réalisation préférentielle, les plaques sont évidées, en vue de permettre le passage de divers composants à travers l'articulation: notamment tringles sous gaine, canalisations hydrauliques, pneumatiques ou electriques en vue d'actionner une ou plusieurs autres articulations situées en aval sur un même bras articulé. Si la partie centrale des plaques est évidée, l'effet de rotule peut être obtenu par une succession de rotations autour d'axes orientés à 90 degrés les uns des autres. Pour cela, tout système mécanique conventionnel est susceptible de convenir, notannent charnières, montages en queue d'aronde, couteaux et empreintes... Du point de vue du fonctionnement, l'orientation du jeu de deux plans dans lesquels sont situés les axes de rotation est indépendante de celle du jeu de deux plans dans lesquels se situent les tringles. Les trous ménagés dans les plaques pour le passage des tirants peuvent recevoir des systèmes ê bille ou des inserts d'une dureté différente de celle du matériau utilisé pour les tringles, en vue de maitriser les problèmes d'usure. Entre les plaques peuvent être disposés des systèmes elastiques (ressorts, rondelles élastiques, plots de cahoutchouc...) permettant d'égaliser sur toute la longueur de l'articulation les rotations entre plaques qui correspondent à une sollicitation donnée. Si des variations de courbure doivent être obtenues le long d'une articulation, il sera possible de faire varier la rigidité des systèmes elastiques. En pratique, la première et la dernière plaque de l'articulation seront conçues et réalisées différemment des autres plaques, en vue d'une utilisation spécifique: portemotorisation pour la première, porte-bras ou porte-outil pour la dernière Selon une variante, les tringles et les systèmes élastiques intercalaires peuvent être remplacés par des soufflets (de préférence métalliques) du type de ceux couramment utilisés pour résoudre des problèmes d'étanchéité entre ensembles ou pièces mobiles. Les anses des soufflets sont fixés mécaniquement (par soudure, serrage par contreplaques...) aux plaques de l'articulation.Sous l'effet de la pression d'un fluide alimentant le soufflet, celui-ci subit une déformation qui tend à écarter deux plaques consécutives, il en résulte des mouvements d'incurvation du bras, dont la convexité se situe du côté du soufflet sous pression. Selon une sous-variante, les tringles et plots élastiques peuvent coexister avec les soufflets, en vue de renforcer la précision des mouvements et la rigidité de l'ensemble de l'articulation. En ce qui concerne le choix des matériaux susceptibles d'être utilisés, il n'existe pas à priori d'autres contraintes que celles liées å la rigidité et å la solidité de l'articulation. En pratique, les plaques seront en métal ou en plastique armé; les tringles seront des tiges métalliques ou des câbles, voire des matériaux fibreux (carbone, aramide...) sous gaine résistante. Le dispositif selon l'invention est susceptible de se révéler être d'une utilisation très générale dans les domaines de la mécanique. On relèvera néanmoins comme application particulière la réalisation de bras articulés pour la robotique. les shémas annexés illustrent l'invention: les shémas des figures 1,2,3 et 4 représentent le dispositif selon l'invention, les shémas des figures 5 et 6 représentent une variante de ce dispositif. Le dispositif représenté sur la figure 4 comporte un nombre indéterminé de plaques (1) représentées sur les figures 1,2 et 3; plaques dont le profil peut être optimisé suivant les règles habituelles de la construction pour une meilleure résistance mécanique. Chaque plaque comporte sur chaque face deux demi-articulations (2) conçues de telle sorte que les plaques puissent s'attacher les unes aux autres, deux articulations complètes successives étant axées à 90 degrés l'une de l'autre. Sur chaque plaque, quatre orifices (3), éventuellement renforcés par des inserts (4) permettent le passage des tringles. Un orifice central (5) permet le passage de flexibles, câbles et canalisations divers. Le dispositif assemblé comporte quatre tringles flexibles (6), dont une extrémité (7) est solidaire de la dernière plaque, l'autre étant reliée à un système de motorisation (8) susceptible de la mouvoir en translation. Il comporte en outre une série de systèmes elastiques (9 > disposés entre les plaques, de façon à tendre à s'opposer aux mouvements de l'articulation crées par les tringles. Le dispositif représenté sur les figures 5 et 6 consiste en un dispositif identique au précédent, percé de quatre trous (10) sur la paroi intérieure desquels sont soudées ou fixées mécaniquement les anses d'un ou plusieurs soufflets, fermés à une extrémité (11) et alimentés par un fluide sous pression à l'autre extrémité(12). REVENDICATIONS 1) dispositif d'articulation mécanique motorisée & deux degrés de liberté en rotation caractérisé en ce qu'il comporte un empilage d'un nombre variable de plaques (1) articulées entre elles, traversées par des mécanismes déformables définissant deux à deux des plans perpendiculaires dont l'intersection est la ligne définie par les centres des plaques. L'articulation subit des déformations sous l'effet des efforts d'attraction ou de repulsion exercés par les mécanismes déformables sur deux plaques voisines 2) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les plaques sont articulées entre elles au moyen de rotules 3) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les plaques sont articulées entre elles par des systèmes å rotation autour d'un axe (2), deux systèmes voisins étant axés à 90 degrés l'un de l'autre. 4) dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 2 ou 3, caractérisé en ce que les mécanismes déformables sont constitués: a) d'une tringle flexible (6) fixée & une extrémité (7) sur la dernière plaque de l'articulation, reliée å l'autre extrémité à un appareil moteur (8) lui même fixé & la première plaque de l'articulation, et subissant de la part de l'appareil moteur des efforts de traction ou de compression b) de dispositifs d'usure (4) (inserts durs, roulements..) placés sur la périphérie des orifices (3) de passage de tringles dans les plaques c) d'une série de systèmes elastiques (9) disposés entre deux plaques voisines 5) dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 2 ou 3, caractérisé en ce que les mécanismes déformables sont constitués par des soufflets alimentés en fluide sous pression dont tout ou partie des anses sont fixés sur les plaques d'articulation (6) dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 ou 3, caractérisé en ce qu'une partie des mécanismes déformables décrits dans la revendication 4 coexistent sur la même articulation avec ceux décrits dans la revendication 5. (7) dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un ou plusieurs. trous (5) sont ménagés dans les plaques, en vue du cheminement de canalisations ou conduites de fluide. (8) dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la première et la dernière plaque de l'articulation sont réalisées différemment des autres plaques, en vue de répondre à des contraintes spécifiques de conception s'exerçant sur elles.