Brevet FR2671505A1 — publié le 19920717

DISPOSITIF POUR LE DEPLACEMENT EN TRANSLATION SPATIALE D'UN ELEMENT DANS L'ESPACE, EN PARTICULIER POUR ROBOT MECANIQUE. L'invention concerne un dispositif pour le déplacement en translation spatiale d'un élément dans l'espace Ce dispositif peut être la partie essen- tielle d'une sorte de robot mécanique destiné à des taches de manipulation, de fabrication, d'assemblage ou de mesure. Dans une majorité de robots mécaniques, l'actionnement des articulations se fait à l'aide de moteurs ou de motoréducteurs localisés au niveau des articulations placées en série d'une base considérée fixe jusqu'à un organe effecteur Or, ces actionneurs mobiles sont lourds et encombrants ce qui pénalise les performances du robot. WO 87/03528 propose plusieurs formes d'un dispositif permettant de réaliser des déplacements en translation spatiale d'un élément avec des actionneurs dont les b Atis sont fixés sur la base de référence des mouvements Selon une première possibilité, la partie mobile de l'actionneur l'est en rotation autour d'un axe fixe par rapport à la base de référence; selon une deuxième possibilité, la partie mobile de l'actionneur l'est en translation rectiligne sans rotation possible avec une direction fixe par rapport à la base. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif, pour le déplacement en translation spa- tiale d'un élément, qui soit d'un encombrement réduit tout en offrant de larges possibilités de mouvement et tout en assurant, à l'arrêt, un maintien relativement rigide de l'élément dans la position qu'il occupe. Selon l'invention, un dispositif pour le déplacement en translation spatiale d'une plate-forme mobile par rapport à une base servant de référence aux 2 mouvements, comporte au moins deux actionneurs, et est caractérisé par le fait que les actionneurs sont du type vérin linéaire chargé de faire varier la distance linéaire sur l'axe du vérin entre un point fixe par 5 rapport à la base et un point fixe par rapport à l'élément mobile de travail des vérins, l'élément pouvant connaître des mouvements combinés de translation/rotation selon l'axe du vérin fixe par rapport à la base, les parties mobiles de travail étant fixées rigidement (sans articulation) sur des barres des éléments de jonction du type parallélogrammes plans articulés, la plate-forme mobile étant montée en articulation de rotation sur une barre qui reste parallèle à celle fixée rigidement à la partie mobile de travail, l'ensemble étant con- struit en respectant le parallélisme de l'axe des vérins et de l'axe de la rotation entre la barre et la plate-forme. Selon une caractéristique nouvelle et avan- tageuse de l'invention, les actionneurs sont du type vérin linéaire (les vérins rotatifs qui existent aussi sont exclus) ce qui autorise pour l'élément mobile de travail du vérin des mouvements de rotation et de translation combinée le long d'un axe, axe du vérin, fixe par rapport au bâti du vérin fixé sur l'élément de base qui sert de référence aux mouvements Le rôle du vérin est de faire varier une distance linéaire entre deux points de l'axe du vérin, l'un fixe par rapport au bâti du vérin et l'autre fixe par rapport à l'élément mobile de travail du vérin En effet, la majorité des vérins linéaires qu'ils soient hydrau- liques ou pneumatiques ou bien encore électriques, ne présentent par eux-mémes aucune résistance aux possibilités de rotation autour de l'axe du vérin Il est donc avantageux de profiter de cette possibilité au lieu de l'éliminer comme dans WO 87/03528. Selon une deuxième caractéristique du dispo- sitif, il y a des éléments de jonction constitués par des parallélogrammes plans déformables à quatre barres articulées dont certains, voire la totalité, peuvent être incomplets par absence physique d'une ou de deux des quatre barres De plus, la jonction s'effectue par deux barres restant parallèles qui sont montées d'une part en assemblage rigide sur la partie mobile de tra- vail des vérins, d'autre part en articulation de rota- tion sur l'élément qui se déplace en translation spa- tiale. Sauf dans le cas o tous les parallélogrammes sont incomplets, le plan des parallélogrammes complets ou incomplets peut être placé selon une position et une orientation quel- conques par rapport aux éléments adjacents. Les axes des vérins sont fixes par rapport à la base et i 15-peuvent être disposés de façon quel- conque pourvu qu'ils ne soient pas tous parallèles. Un nombre minimal de deux vérins permet l'obtention du guidage en translation spatiale mais alors seuls deux degrés de liberté de la translation spatiale sont actionnés par les deux vérins et un troisième degré de liberté de translation spatiale reste libre ou doit être actionné par un actionneur complémentaire Avec trois vérins, on actionnera les trois degrés de liberté de la translation spatiale. Les axes des rotations entre les parallélogrammes (complets ou incomplets) de jonction et la plate-forme qui se déplace en translation spa- tiale doivent être chacun parallèles aux axes des vérins correspondants. Les articulations entre les barres des parallélogrammes complets ou incomplets peuvent être des couples de rotation d'axes perpendiculaires au plan des parallélogrammes ou bien parfois des couples sphériques centrés à la jonction de deux barres. Selon une forme possible et avantageuse du dispositif, l'axe de l'articulation avec la plate- forme en translation spatiale sera confondu avec la ligne moyenne de la barre concernée du parallélogramme de jonction qui pourra alors avantageusement être dotée de couples sphériques Dans ce dernier cas par- ticulier, les deux couples sphériques contribuent de façon compacte à la déformabilité du parallélogramme et à la rotation de l'élément de jonction par rapport à l'élément en translation spatiale. Selon une forme possible de l'invention, il n'y a qu'un ou deux parallélogrammes complets avec leurs quatre barres, les autres parallélogrammes sont réduits à trois de leurs barres, la quatrième barre devenant virtuelle ce qui signifie que la pensée peut établir qu'il est possible de placer cette quatrième barre, mais que ce n'est pas nécessaire Dans ce cas, les parallélogrammes incomplets ne possèdent plus que deux articulations entre trois barres. Selon une autre forme du dispositif, tous les parallélogrammes déformables plans sont incom- plets, mais alors les deux articulations restantes dans chacun des parallélogrammes doivent être de rota- tion d'axe parallèle à la direction commune de l'axe du vérin correspondant et de l'axe de rotation avec la plate-forme mobile en translation spatiale De plus, dans cette forme du dispositif, une articulation de parallélogramme peut se confondre à celle de la plateforme mobile ce qui revient à n'avoir plus que deux barres Cependant, la possibilité de compléter le parallélogramme par deux barres complémentaires non nécessaires peut encore être établie par la pensée. Selon une autre variante de notre disposi- tif, un ou plusieurs voire la totalité des parallélogrammes déformables plans sont incomplets par absence d'une quatrième barre, mais une première et une troisième barre sont maintenues parallèles gr&ce à un mécanisme de transmission mécanique auxiliaire Un tel mécanisme auxiliaire doit transmettre la rotation avec un rapport de transmission angulaire constant et égal à + 1 On sait de façon bien connue réaliser un tel rapport de transmission à l'aide d'engrenages, de chaines et pignons, de pignons et courroies dentées, de tringleries, etc On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description donnée à titre d'exemple du dispositif qui se réfère au dessin de la figure 1 (figure unique) qui représente une vue perspective schématique de la configuration structurale d'un dispositif selon lrinvention. En se référant à la figure 1, le dispositif comporte un élément de base 1 et un élément mobile en translation spatiale 8 Sur l'élément de base 1 sont fixés les bâtis de trois actionneurs du type vérin linéaire 12, soit 12 a, 12 b, 12 c, qui comportent chacun une partie fixe solidaire de 1 soit la, lb, lc, et une partie mobile de travail 2, soit 2 a, 2 b, 2 c Les par- ties mobiles de travail peuvent connaître des mouve- ments combinés de rotation/translation selon l'axe fixe des vérins De tels mouvements combinés sont obtenus de façons diverses en fonction de la réalisation des vérins Un vérin peut étre hydraulique ou pneumatique ou bien encore électrique Les vérins hydrauliques ou pneumatiques associent un mécanisme de guidage autour de l'axe de rotation/translation à un ou plusieurs capsulismes (enceintes fermées de volume variable) dans lesquels on admet ou on évacue un fluide liquide ou gazeux Les vérins électriques met- tent en oeuvre le plus souvent un système vis/écrou, la vis ou l'écrou étant mis en rotation, par exemple, sous l'effet de forces électromagnétiques, par l'intermédiaire parfois d'un réducteur de vitesse La figure 1 présente le schéma de vérins électriques avec vis tournante Va, Vb, Vc et écrou, comme pièce de tra- vail, formé par les parties 2 a, 2 b, 2 c Dans la configuration représentée sur la figure 1, les éléments de jonction au nombre de trois sont trois parallélogrammes 3 a, 3 b, 3 c plans articulés complets à quatre barres Chaque parallélogramme com- porte quatre barres c'est-à-dire: 4 a, 5 a, 6 a, 7 a; 4 b, 5 b, 6 b, 7 b; 4 c, 5 c, 6 c, 7 c Les barres opposées restent parallèles: 4 a parallèle à 5 a; 6 a parallèle à 7 a, etc Les barres sont unies par des articula- tions 46 a, 56 a, 57 a, 47 a; 46 b, 56 b, 57 b, 47 b; 46 c, 56 c, 57 c, 47 c du type couple de rotation avec des axes perpendiculaires aux plans des parallélogrammes. Les éléments de jonction 3 a, 3 b, 3 c sont montés d'une part rigidement sur les pièces de travail 2 a, 2 b, 2 c des actionneurs par association rigide des barres 6 a, 6 b, 6 c des parallélogrammes et des parties mobiles de travail 2 a, 2 b, 2 c des actionneurs; d'autre part en articulation de rotation soit 78 a, 78 b, 78 c sur la plate-forme 8 par formation d'un cou- ple de rotation entre la barre 7 a, 7 b, 7 c des parallélogrammes et l'élément 8. Les axes des articulations 78 a, 78 b, 78 c sont parallèles aux axes des vérins 12 correspondants: 78 a parallèle à l'axe de 12 a, 78 b parallèle à 12 b, etc Selon une variante d'exécution du dispositif non représenté sur la figure 1, certaines des articu- lations 47 a, 57 a, 46 a, 56 a, etc peuvent être des couples sphériques et dans un cas particulier les cen- tres des couples sphériques 47 a, 57 a ( 47 b, 57 b, 47 c, 57 c) peuvent déterminer l'axe de rotation 78 a ( 78 b, 78 c) entre la plate-forme 8 et la barre 7 a, 7 b, 7 c. Selon une autre variante d'exécution du dispositif non représentée sur la figure 1, certaines des barres 5, soit 5 a, 5 b ou 5 c, peuvent être absentes avec leurs articulations adjacentes 56 et 57, soit 56 a, 56 b, 56 c, et 57 a, 57 b, 57 c. Selon une autre variante du dispositif non représentée sur la figure 1, certains parallélogrammes sont incomplets par absence des barres 5 mais les axes des articulations de rotation 46 et 47 sont parallèles à l'axe des vérins 12 correspondants et les articula- tions 47 peuvent être coïncidentes et confondues avec les articulations 78. Selon une autre variante d'exécution du dispositif non représentée sur la figure 1, certains parallélogrammes sont incomplets par absence d'une barre telle que 5, mais les barres telles que 6 et 7 sont maintenues parallèles par mise en oeuvre d'un système de transmission de la rotation entre les axes 46 et 47 de rapport de transmission angulaire constant et égal à + 1. Lorsque les actionneurs 12 a, 12 b, 12 c sont à l'arrêt, l'élément 8 se trouve bloqué dans la position qu'il occupe. Un déplacement de cet élément 8 est obtenu par des commandes appropriées et combinées de chaque actionneur 12 a, 12 b, 12 c, tenant compte de la géométrie de l'ensemble et du déplacement souhaité, commandes déterminées par un calculateur électronique R envoyant des ordres aux actionneurs 12 a, 12 b, 12 c. Dans toutes les variantes du dispositif, les axes des vérins sont fixes par rapport à la base 1. Ces axes peuvent prendre appui sur la base 1 en plusieurs endroits afin d'éviter tout fléchissement. On a éliminé les pièces susceptibles de fléchir, allongées en porte-àfaux et solidaires des éléments mobiles des actionneurs La raideur du dispositif de l'invention est élevée. Ce dispositif pourra être complémenté de façon à constituer un robot. La plate-forme 8 pourra porter un poignet de robot avec un effecteur, ce poignet étant de un, deux ou trois degrés de liberté. Les mouvements ou actions de l'effecteur peuvent être placés sous le contrôle et la commande d'un dispositif électronique complémentaire avec utilisation d'amplificateurs appropriés. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour le déplacement en trans- lation spatiale d'une plate-forme mobile ( 8) par rap- port à une base ( 1) servant de référence aux mouve- ments, comportant au moins deux actionneurs ( 12 a, 12 b, 12 c), caractérisé par le fait que les actionneurs ( 12 a, 12 b, 12 c) sont du type vérin linéaire chargé de faire varier la distance linéaire sur l'axe du vérin entre un point fixe par rapport à la base ( 1) et un point fixe par rapport à l'élément mobile de travail ( 2 a, 2 b, 2 c) des vérins, l'élément ( 2 a, 2 b, 2 c) pouvant connaitre des mouvements combinés de translation/rotation selon l'axe du vérin fixe par rapport à la base ( 1), les parties mobiles de travail ( 2 a, 2 b, 2 c) étant fixées rigidement (sans articula- tion) sur des barres ( 6 a, 6 b, 6 c) des éléments de jonction ( 3 a, 3 b, 3 c) du type parallélogrammes plans articulés, la plate-forme mobile ( 8) étant montée en articulation de rotation ( 78 a, 78 b, 78 c) sur la barre ( 7 a, 7 b, 7 c) qui reste parallèle à celle ( 6 a, 6 b, 6 c) fixée rigidement à la partie mobile de travail ( 2 a, 2 b, 2 c), l'ensemble étant construit en respectant le parallélisme de l'axe des vérins ( 12 a, 12 b, 12 c) et de l'axe de la rotation entre la barre ( 7) et la plate- forme ( 8). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'actionneur linéaire est un vérin à fluide (hydraulique ou pneumatique) associ- ant un guidage en ligne droite, axe de rotation/translation du vérin, et un ou plusieurs cap- sulismes (enceintes fermées de volume variable) dans lesquels on admet ou on évacue un fluide (liquide ou gazeux). 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'actionneur linéaire est un vérin électrique ( 12 a, 12 b, 12 c) réalisé en mettant en rotation un système vis (Va, Vb, Vc)/écrou ( 2 a, 2 b, 2 c) le long de l'axe du vérin. 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs parallélogrammes ( 3 a, 3 b, 3 c) comportent des articulations ( 46 a, 56 a, 57 a, 47 a; 46 b 47 b; 46 c 47 c) dont certaines sont des couples sphériques. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'articulation ( 78 a, 78 b, 78 c) de rotation entre la barre ( 7 a, 7 b, 7 c) et la plate-forme ( 8) est réalisée par l'association de deux couples sphériques coincidents et confondus avec les articulations ( 47 a, 57 a; 47 b, 57 b; 47 c, 57 c). 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que certains au moins des parallélogrammes ( 3 a, 3 b, 3 c) sont incomplets par absence de deux barres ( 5 a, 7 a; 5 b, 7 b; 5 c, 7 c), l'articulation de rotation ( 47 a, 47 b, 47 c) étant colncidente et confondue avec l'articulation ( 78 a, 78 b, 78 c) de la plate-forme ( 8). 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que certains au moins des parallélogrammes ( 3 a, 3 b, 3 c) sont incomplets par absence d'une barre ( 5 a, 5 b, 5 c) et que le parallélisme des barres ( 6 a, 7 a; 6 b, 7 b; 6 c, 7 c) est assuré par un mécanisme auxiliaire de transmission angulaire de rapport constant et égal à + 1. 8 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que certains parallélogrammes mais non la totalité sont incomplets par la seule absence de la barre ( 5 a, 5 b, 5 c). 9 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément ( 8) porte un mécanisme d'orientation connu sous l'appellation de poignet de robot, avec un, deux ou il trois degrés de liberté. Dispositif selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait qu'il com- porte un organe effecteur.