Brevet FR2681806A1 — publié le 19930402

DESCRIPTION t La présente invention concerne les éléments constitutifs et le mécanisme de commande d'une articulation modulaire Le but de la présente invention est de fournir une articulation pour bras robotique qui permette d'obtenir une plus grande facilité d'utilisation avec une construction simple et peu coûteuse. Pour obtenir ces résultats, l'invention fournit une arti- culation reliant entre eux deux éléments d'un bras robotique, tout en permettant des pivotements d'un élément par rapport à l'autre autour d'au moins deux axes distincts, l'articulation étant pourvue de moyens d'actionnement destinés à réaliser les- dits pivotements et comprenant des actionneurs linéaires, caractérisée en ce que lesdits éléments sont creux et les- dits actionneurs linaires sont logés à l'intérieur desdits élé- ments. De préférence, l'articulation permet le pivotement d'un élément autour de 2 axes non parallèles liés à l'autre élément et les actionneurs linéaires sont disposés pour réaliser des pivote- ments autour de ces deux axes. Les robots industriels actuels, robots de manutention, d'assemblage, robots portiques, etc ont en général un encom- brement dynamique important et une directivité le plus souvent limitée par l'environnement dans lesquels ils sont appelés à tra- vailler. La mise bout à bout de plusieurs articulations, la premiè- re étant de préférence fixée à une manivelle et la dernière por- tant le préhenseur constitue un robot souple dont le nombre d'axes peut être adapté à l'usage envisagé; l'insertion des or- ganes de commande à l'intérieur des corps cylindriques de l'arti- culation donnera à l'ensemble une finesse et une compacité faci- litant la protection de l'appareil en milieu hostile et la péné- tration de l'organe de préhension dans un espace clos à travers une ouverture de faible dimension. La description de l'articulation suivant l'invention suf- fira à faire comprendre les possibilités offertes par un robot composé en totalité ou partiellement d'une série d'articulations montées en série; la rigidité de l'ensemble est concrétisée par un verouillage mécanique et un montage sans jeu. Selon un premier type de réalisation, l'articulation selon l'invention comporte un anneau intermédiaire qui est relié par une première liaison articulée, distincte de la première, à un deuxième élément et au moins un actionneur, celui-ci comprenant une tige mobile parallèlement à la direction de l'élément qui contient ledit actionneur, cette tige étant terminée par une tête sphérique qui coulisse dans une rainure dudit anneau intermédiai- re Il est préféré dans ce cas que l'articulation comporte deux actionneurs dans un même élément, ces actionneurs étant dans des plans perpendiculaires entre eux et se croisant suivant une droite qui passe par le centre dudit anneau et qui est parallèle à la direction desdites tiges des actionneurs. Dans une réalisation pratique de ce premier type, l'arti- culation est composée de 2 corps cylindriques creux reliés entre eux par un joint de cardan du type à anneau et croisillons; les corps peuvent pivoter l'un par rapport à l'autre à l'intérieur d'un angle solide de plus ou moins 60 environ; un vérin double effet, hydraulique ou électrique est fixé latéralement et axiale- ment sur chacun des corps; l'extrémité de leur tige coulisse dans une rainure usinée dans chacun des croisillons du joint de cardan; le coulisseau de forme sphérique laisse toute liberté au débattement angulaire des corps cylindriques L'action poussante d'un vérin fait pivoter l'anneau du joint de cardan et donc le 2 è corps cylindrique dans son plan; la combinaison de l'action des 2 vérins donnera à l'axe des 2 corps une position angulaire com- prise à l'intérieur d'un cône solide de 120 environ chacun des vérins peut si nécessaire être remplacé par un couple de vérins identiques montés symétriquement par rapport à l'axe du corps cylindrique, l'un fonctionnant en tirant, l'autre en poussant La protection d'ensemble peut être faite par un soufflet. Suivant un autre type de réalisation, dans l'articulation selon l'invention, un élément contient au moins trois action- neurs, non situés dans un même plan, et agissant directement sur l'autre des éléments reliés par l'articulation; dans ce cas, de préférence, les éléments sont en contact par une surface en forme de fraction de sphère, des moyens étant prévus pour assurer la permanence du contact et les 3 actionneurs d'un élément agissant par pression sur une surface transversale de l'autre élément. Dans une réalisation de cet autre type, l'articulation se compose de 2 corps cylindriques identiques montés bout à bout, l'extrémité de forme sphérique du premier venant se loger dans la cavité hémisphérique creuse de l'extrémité du second Un câble acier monté dans un trou axial solidarise les 2 corps cylindri- ques entre eux tout en leur laissant leur liberté d'orientation. 3 logements cylindriques sont percés axialement à 120 ' l'un de l'autre dans les corps; ces logements contiennent des noyaux plongeurs qui, sous une pression hydraulique, exercent une action poussante sur la face supérieure du corps cylindrique aval, le faisant ainsi pivoter autour de la rotule hémisphérique. A chaque position angulaire du corps cylindrique avant correspond une position bien définie des noyaux plongeurs du corps cylindrique amont, la rigidité de l'assemblage étant réali- sée par le blocage de ces noyaux et la tension du câble 3 cap- teurs "lisent" la position des plongeurs par comptage des rainu- res usinées sur leur pourtour En phase opérationnelle, un micro- processeur calcule la position des plongeurs en fonction de l'orientation que l'on veut obtenir et commande les électrovannes situées dans les corps en conséquence. L'invention sera mieux comprise en se référant aux figures qui illustrent de façon non limitative deux modes de mise en oeu- vre de l'invention. La figure 1 est une coupe axiale de l'articulation aveci représentation du débattement du corps cylindrique inférieur. La figure 2 présente le schéma d'alimentation du couple de 2 vérins qui agissent sur l'anneau du joint de cardan. La figure 3 présente le croisillon du joint de cardan avec coupe partielle pour montrer le mode de liaison verin-croi- sillon. La figure 4 présente la coupe rabattue d'une articula- tion suivant un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 5 et la figure 6 présentent un exemple de mon- tage des électrovannes d'alimentation de décharge des vérins plongeurs à l'intérieur des corps cylindriques. On se réfère d'abord à la figure 1 Un corps cylindrique creux ( 1) porte 2 oreilles ( 3); il est relié par l'intermédiaire d'une bague ( 4) à un deuxième corps cylindrique identique ( 2) orienté symétriquement et à 90 du premier Un vérin à double effet (Sa) est fixé axialement sur la face intérieure du corps cylindrique, tige côté anneau de liaison; la tige ( 6) porte à son extrémité un coulisseau ( 7) de forme sphérique. On se réfère maintenant à la figure 3 L'élément de liaison entre les 2 corps porte un croisillon rainuré ( 4); ces rainures ( 9) ont une forme adaptée à la forme du coulisseau sphé- rique ( 7). Revenons à la figure 1 Le fonctionnement de l'articula- tion est alors le suivant: l'action tirante ou poussante du vé- rin ( 5) oriente la bague ( 4) et par suite le corps ( 2) dans son plan, soit à droite (position 2 a) soit à gauche (position-2 b). L'action du vérin contenu dans le corps ( 2) aura le même effet sur le corps ( 1) mais dans un plan perpendiculaire. L'action du vérin (Sa) peut être doublée par l'action d'un vérin ( 5 b) placé symétriquement au vérin (Sa) dans le corps ( 1), sa tige étant reliée également au croisillon ( 4); en se référant à la figure 2, le fonctionnement est alors le suivant: les deux vérins (Sa) et ( 5 b) étant alimentés en série, lorsqu'on commande l'électrovanne ( 11), un des vérins aura une action poussante, l'autre une action rentrante: l'action de rotation sur l'anneau sera donc doublée. Cette réalisation suivant l'invention constitue en défini- tive une articulation commandée dont on peut par action-de 2 ou 4 vérins orienter une extrémité par rapport à l'autre dans toute position comprise à l'intérieur d'un angle solide d'ouverture d'environ 120 '. A titre d'exemple, nous décrirons maintenant un autre mode de réalisation en nous référant à la figure 4 L'articulation suivant l'invention est maintenant constituée de deux corps cy- lindriques identiques ( 1) et ( 2) dont une extrémité comporte une cavité hémisphérique ( 3) et l'autre extrémité ( 4) une rotule mâ- le Les corps sont percés de 3 trous borgnes ( 5) situés sur le pourtour et à 120 l'un de l'autre et d'un trou axial ( 6) de fai- ble diamètre; un câble ( 7), mis en tension, solidarise les 2 corps cylindriques mis bout à bout, la rotule mâle pénétrant dans la cavité hémisphérique Un noyau plongeur ( 8 abc) pourvu de rai- nures circonférentielles ( 9) et d'une extrémité hémisphérique ( 10) est logé dans chacun des trous borgnes Une alimentation en fluide hydraulique commande, à partir de l'électrovanne ( 11) le déplacement du noyau plongeur qui vient en appui sur l'extrémité ( 12) du corps aval ( 2) Cette action poussante provoque le dépla- cement angulaire du corps ( 2) dans le plan du noyau commandé jus- qu'à la position ( 2 a); les autres noyaux plongeurs auront des actions similaires dans des plans à 120 '. Le fonctionnement de l'articulation est alors le suivant à chaque position angulaire du corps cylindrique ( 2) à l'inté- rieur d'un cône solide d'ouverture de l'ordre de 120 ', correspond une position précise des noyaux ( 8 a), ( 8 b), ( 8 c); cette position peut être repérée par le comptage des rainures circonférentielles ( 9) par les capteurs ( 13 a), ( 13 b), ( 13 c) En fonction de l'orien- tation souhaitée pour le corps ( 2), un microcalculateur détermine les positions respectives des noyaux (Sa), ( 8 b), ( 8 c) Il comman- de alors l'ouverture des électrovannes ( 11 a), ( 11 b), ( 11 c) logées dans le haut du corps cylindrique ( 1) suivant la figure 5 et met à l'échappement des électrovannes ( 12 a), ( 12 b), ( 12 c) logées la- téralement dans le corps cylindrique ( 1) suivant la figure 6 pen- dant la durée adéquate La fermeture des 6 électrovannes, combi- née à la tension du câble ( 7), assure le blocage positif du noyau cylindrique ( 2) dans la position désirée. Terminons la description en présentant 2 modes de fonc- tionnement d'un robot composé de N articulations suivant l'une ou l'autre des réalisations décrites ci-dessus Au repos, tous les corps cylindriques, montés sur une manivelle, sont repliés sur eux-mêmes pour former un arc de cercle La première solution con- siste à commander simultanément toutes les articulations simulta- nément avec la rotation de la manivelle; la cible définie par ses coordonnées X, Y, Z, a, 3, ô sera ainsi atteinte rapidement bien entendu, un programme spécifique réalise le calcul de la position que doit avoir chaque corps cylindrique en fonction de l'objectif choisi Une autre solution consiste à utiliser une méthode séquentielle, méthode à utiliser lorsque l'on veut con- tourner un obstacle ou pénétrer à l'intérieur d'une ouverture de faible dimension: au fur et à mesure de la rotation de la mani- velle, on donne au corps cylindrique ( 1) qui porte le préhenseur la position qu'aura le corps N en fin d'opération, puis successi- vement celles qu'occuperont les corps (n-1), (n-2), (n-3), etc; idem pour les corps 2, 3 n On obtient ainsi un déroulement du bras, chacun des corps prenant successivement la position du précédent L'emprise du bras sur l'environnement, au cours du cycle de positionnement sera ainsi réduite au minimum. ***** ****** REVENDICATIONS 1 Articulation reliant entre eux deux éléments ( 1,2) d'un bras robotique, tout en permettant des pivotements d'un élément par rapport à l'autre autour d'au moins deux axes distincts, l'articulation étant pourvue de moyens d'actionnement destinés à réaliser lesdits pivotements et comprenant des actionneurs li- néaires ( 5 a-5 b) ( 8 a-8 b-8 c) caractérisée en ce que lesdits éléments sont creux, et lesdits actionneurs linéaires ( 5 a-5 b) ( 8 a-8 b-8 c) sont logés à l'intérieur desdits éléments. 2 Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle permet le pivotement autour de deux axes non parallè- les liés l'un à l'autre élément, et les actionneurs linéaires sont disposés pour réaliser des pivotements autour de ces deux axes. 3 Articulation selon la revendication 2, et comportant un anneau intermédiaire qui est relié par une première liaison arti- culéeà un premier élément, et par une deuxième liaison articulée, disctincte de la première, à un deuxième élément, caractérisée en ce qu'au moins un actionneur ( 5) comprend une tige ( 6) mobile Z parallèlement à la direction de l'élément qui contient ledit ac- tionneur, cette tige étant terminée par une tête sphérique ( 7) i qui coulisse dans une rainure ( 9) dudit anneau intermédaire ( 4). 4 Articulation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte deux actionneurs dans un même élément, ces actionneurs ( 5 a- 5 b) étant dans des plans perpendiculaires entre eux et se croisant suivant une droite qui passe par le centre dudit anneau et qui est parallèle à la direction desdites tiges ' des actionneurs. Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un élément contient au mois trois actionneurs ( 8 a-8 b-8 c), non situés dans un même plan, et agissant directement sur l'autre des éléments reliés par l'articulation. 6 Articulation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les éléments sont en contact par une surface ( 10) en forme de fraction de sphère, des moyens ( 7) étant prévus pour assurer la permanence du contact, et les trois actionneurs d'un élément agissant par pression sur une surface transversale de l'autre élément.