Brevet FR2696670A1 — publié le 19940415

La présente invention concerne les robots ou manipulateurs et, plus particulièrement, les articulations entre deux bras d'un tel manipulateur. On a conçu des systèmes robotisés comportant un ou plusieurs calculateurs centraux et un ensemble de périphériques "intelligents" ayant chacun leur propre fonction dans le système : capteurs extéroceptifs (capteurs de proximité, télémètres, capteurs d'effort etc...), capteurs sensoriels (machines de vision, capteurs tactiles etc...), entre autres. Des recherches ont été faites tant au niveau matériel que logiciel pour améliorer les performances globales de réaction d'un système. Si on s'intéresse en particulier aux constituants actionneurs d'un manipulateur ou d'un robot, et plus particulièrement aux articulations motorisées de type "pivot" électriques, on s'aperçoit que le nombre de câbles de liaison par articulation est très important. Ceci entraîne bien entendu un grand nombre de contraintes tant en ce qui concerne le rapport poids/puissance que la stabilité. Une connectique poussée, le parasitage des signaux à bas niveaux, les pertes en ligne sur les fils de puissance, etc, sont autant de causes de mauvais fonctionnement possibles. D'autre part, la plupart des articulations mettent en jeu un système d'asservissements imbriqué, sur le courant du moteur, de vitesse et de position sur l'axe complet et éventuellement d'effort. Il en résulte que pour un système comportant plusieurs articulations, le volume de la partie concernant le pilotage et la complexité des liaisons deviennent très importants. Un autre problème important est la présence de parasites nombreux dans l'environnement où travaillent ces manipulateurs. Pour obtenir une stabilité suffisante, on est amené à prévoir des circuits supplémentaires, ce qui entraîne un problème de coût et d'encombrement. La présente invention a pour objet une articulation de robot destinée à réaliser une rotation relative de deux bras de robot consécutifs, caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte étanche constituée par deux demi-coquilles solidaires chacune de l'extrémité d'un bras et montées en rotation l'une sur l'autre avec interposition d'un joint dynamique, une des deux demicoquilles contient un motoréducteur électrique à courant continu sans balais et l'autre demi-coquille est entraînée par ledit motoréducteur, ladite enceinte est remplie d'un liquide isolant électriquement, chaque demi-coquille comprend un connecteur fixé sur une de ses faces extérieures et destiné à recevoir un câble de liaison comportant des conducteurs d'alimentation et une ligne de transmission de données et relié à l'articulation voisine, et ladite enceinte contient un dispositif de commande du motoréducteur qui comprend un processeur et qui fonctionne de manière autonome en fonction des données reçues des autres articulations et d'une commande centralisée par l'intermédiaire des lignes de transmission de données. L'invention permet donc de réduire très fortement le nombre des câbles de liaison entre les différentes articulations puisque le câble de liaison ne comporte que des conducteurs d'alimentation et les lignes de transmission de données, soit par exemple cinq conducteurs. L'utilisation d'un groupe motoréducteur comportant un moteur électrique à courant continu sans balais permet également d'améliorer la fiabilité du dispositif. Le liquide isolant permet d'obtenir un bon refroidissement de l'ensemble de l'articulation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les lignes de transmission de données sont des lignes à fibre optique. Ceci permet de s'affranchir de tous les problèmes de parasites sur les lignes de transmission de données. Avantageusement, les fibres optiques sont en silice. Ceci permet d'obtenir une insensibilité aux radiations, ce qui est important dans le cas de manipulateurs travaillant dans des environnements radioactifs. Dans le mode de réalisation de l'invention, les lignes de transmission de données relient deux articulations voisines et l'enceinte contient un circuit de retransmission des données branché entre les deux connecteurs ; ce dispositif de retransmission réalise une régénération des signaux et la gestion des erreurs. Cette disposition permet d'obtenir une structure modulaire pour chacune des articulations. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte comporte un dispositif de codage optique du mouvement du motoréducteur et le liquide isolant est transparent. L'utilisation d'un dispositif optique permet encore de s'affranchir des problèmes de parasites. Avantageusement, le processeur utilisé dans le dispositif de commande du motoréducteur est un processeur microcodé comportant un ordonnanceur de tâches avec priorités, une mémoire rapide et quatre systèmes de communication par lien, c'est-à-dire un processeur du type désigné par "transputer". L'utilisation d'un tel processeur permet de réaliser, la commande du moteur électrique directement au niveau du processeur. L'invention a également pour objet un robot comportant une unité de commande centralisée et une succession de bras reliés ensemble par une articulation du type décrit ci-dessus. Le dernier bras comporte à son extrémité un effecteur. Il peut également comporter à son extrémité une caméra vidéo. Avantageusement, pour le fonctionnement de ce robot, on réalise un téléchargement du processeur de chaque articulation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, d'un exemple de réalisation, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue de profil de deux bras consécutifs d'un robot comportant une articulation conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue dessus correspondant à la figure 1 - la figure 3 est un schéma électrique et électronique d'une articulation selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe d'une articulation selon l'invention ; et - la figure 5 représente schématiquement une variante de réalisation de l'invention. On voit sur la figure 1 deux bras de robot consécutifs 1 et 2 qui sont montés en rotation relative l'un sur l'autre à leurs extrémités autour d'un axe vertical 3 au moyen d'une articulation désignée sous la référence générale 4. Le robot comporte plusieurs arbres successifs articulés de la même manière, ce qui permet d'obtenir un mouvement quelconque de l'extrémité du dernier bras. Comme on peut le voir sur la figure 1, chaque articulation comprend deux connecteurs, un connecteur amont 5 et un connecteur aval 6. Chaque connecteur reçoit un câble de liaison 7 qui est avantageusement disposé dans le bras 1 ou 2 ; ce câble de liaison réalise une liaison entre deux articulations voisines ; il comporte des conducteurs d'alimentation et une ligne de transmission de données. Selon un mode de réalisation, ce câble comporte trois conducteurs d'alimentation et deux fibres optiques en silice constituant une ligne de transmission de données. Ce câble composite comporte une gaine en polyuréthane. Son débit peut être de 20 mégabits par seconde. La figure 3 est un schéma électrique et électronique de l'articulation 4. On retrouve sur cette figure les connecteurs amont 5 et aval 6 qui constituent des interfaces ; ces connecteurs comportent trois bornes reliées à des conducteurs d'alimentation en courant alternatif deux conducteurs actifs 11 et 12 et un conducteur de masse 13. Il s'agit par exemple d'une alimentation dont la tension est de 100 à 250 V et la fréquence de 50 à 400 Hz. Le connecteur amont 5 comporte un dispositif de raccordement à deux fibres optiques 14 et 15 lesquelles sont branchées sur une interface de fibre optique 16. Le connecteur aval 6 comporte une deuxième interface de fibres optiques 17 qui est relié à deux fibres optiques 18 et 19, lesquelles se raccordent au câble de liaison aval. On peut prévoir une protection contre les défauts, tel qu'un fusible 10, par exemple sur les conducteurs d'alimentation de sortie du connecteur aval. Les conducteurs actifs d'alimentation 11 et 12 sont branchés entre les deux connecteurs 5 et 6 ; par ailleurs ils alimentent un dispositif d'alimentation 21 destiné en particulier à fournir l'alimentation du moteur électrique. Chaque articulation comporte un moteur à courant continu sans balais 22 dont la rotation est commandée et contrôlée par un dispositif électronique de commande qui comporte essentiellement un processeur 23 du type commercialisé sous la dénomination "transputer" par la société INMOS et qui comporte essentiellement un processeur microcodé comportant une architecture de noyaux avec peu d'instructions, par exemple 32, qui est utilisé pour l'implantation de programmes séquentiels simples. Ce processeur comporte en interne un ordonnanceur de tâches avec priorités, microcodé, pour répartir le temps de l'unité centrale entre différents processus. Enfin ce processeur comporte plusieurs liens rapides asynchrones, par exemple quatre. La structure interne de ce processeur comporte donc un processeur principal, une mémoire rapide et quatre systèmes de communication par lien. Ce processeur 23 reçoit les signaux fournis par l'interface optique 16 et par l'interface 17 et il constitue pour les lignes de transmission de données amont et aval un dispositif de retransmission de signaux qui effectue la gestion des erreurs et réalise une régénération des signaux qui sont retransmis. Il constitue donc un relais pour les données qui doivent être transmises de l'articulation située en amont à celle située en aval et inversement. Le moteur 22 est un moteur à courant continu sans balais de type connu qui comporte par exemple un bobinage triphasé et un rotor à aimant permanent. Comme indique plus haut, ce moteur est alimenté par un circuit d'alimentation 21 qui alimente un circuit de commande 24 qui envoie un courant impulsionnel sur chacun des bobinages. Conformément à l'invention, la commande des impulsions fournies par le circuit 24 est effectuée par le processeur 23 qui commande directement les interrupteurs de puissance du circuit 24. A cet effet, le processeur 23 reçoit par l'intermédiaire d'un bus 25 des informations concernant la position du motoréducteur et le couple fourni par le motoréducteur. Le codage de la position du motoréducteur est réalisé par un codeur absolu 26 de type optique dont les données sont gérées par une interface de codeur 27 branchée sur le bus 25. Le dispositif comporte également un capteur de couple 28 qui est relié à un contrôleur de couple 29 lui même relié au bus 25. Le codeur 26 et le capteur 28 fournissent des données numériques, par exemple codées sur douze bits. Avantageusement, le bus 25 est un bus à 32 bits. La figure 4 est une vue en coupe d'une articulation selon l'invention. Elle est essentiellement constituée de deux demi-coquilles de forme cylindrique qui sont montées en rotation l'une sur l'autre autour de leur axe de révolution. La partie amont, qui est située sur la droite de la figure, comporte une demi-coquille 31 et la partie aval comporte une demi-coquille 32 qui est montée en rotation sur la demi-coquille 31 par l'intermédiaire d'un palier 33 auquel est associé un joint dynamique 34. Les deux demi-coquilles 31 et 32 comportent chacune un couvercle 35 respectivement 36 qui est fixé de manière étanche. L'ensemble des deux coquilles forme donc une enceinte étanche dans laquelle sont disposés les éléments actifs de l'articulation, les espaces vides étant remplis par un liquide diélectrique transparent telle qu'une huile au silicone. L'élément essentiel de l'articulation est constitué par un ensemble motoréducteur comportant un moteur électrique à courant continu sans balais dont le stator 37 est solidaire de la demi-coquille amont 31. Le rotor 38 de ce moteur entraîne, d'une part, la partie primaire d'un réducteur 41 et, d'autre part, un arbre creux 39 solidaire d'un codeur fin 45. L'arbre secondaire réducteur 42 est solidaire de la demi-coquille aval 32 et entraîne un arbre lent 43 qui est disposé à l'intérieur de l'arbre creux rapide 39 et débouche dans la demicoquille amont 31. Sur l'arbre lent 43 est disposé un codeur grossier 14 de type optique absolu. Les deux codeurs placés côte à côte sont disposés dans la demi-coquille amont. L'ensemble des circuits électroniques est disposé sur des cartes de circuits imprimés qui sont en forme de rondelles et disposées autour de l'arbre creux 39 dans un espace 46 disposé entre les codeurs 44 et 45 et le moteur électrique proprement dit, ceci permet de limiter l'encombrement de l'articulation. Chaque demi-coquille comporte un connecteur 47 respectivement 48. Comme on peut le voir sur la figure 1, les bras 1 et 2 sont montés sur les connecteurs 47 et 48 avec interposition d'un joint d'étanchéité 49. Le moteur électrique sans balais est un moteur à courant continu de type scellé et comportant des radiateurs. L'utilisation d'un tel moteur permet d'améliorer très nettement la fiabilité et la maintenance d'une telle articulation. L'ensemble de l'enceinte est maintenu dans un bain de liquide diélectrique qui est en équipression avec la pression extérieure de manière à obtenir un bon fonctionnement du joint dynamique. Cette disposition permet d'obtenir un bon refroidissement de l'articulation et une bonne étanchéité ; comme indiqué plus haut, ce liquide est transparent de manière à permettre l'utilisation de codeurs optiques de position du moteur. Comme indiqué plus haut, le dispositif de codage de la position du moteur comporte un codeur fin 45 solidaire de l'arbre 39 lié au moteur et un codeur grossier 44 solidaire de l'arbre lent 43. Tous les deux sont des codeurs optiques absolus et la combinaison de leurs signaux permet d'obtenir un codage équivalent à celui obtenu avec un codeur à quinze bits qui serait monté sur l'arbre réducteur. L'utilisation d'un processeur du type "transputer" permet d'obtenir une articulation "intelligente"; en effet, chacun des bus disposés entre deux bras font transiter des informations provenant d'une unité centrale de commande ainsi que de chacune des articulations. Chaque processeur peut donc commander le motoréducteur en fonction des informations reçues à la fois de l'unité centrale de commande et des autres articulations. A cet effet, le processeur ne constitue pas seulement un relais entre les différents bus du robot mais il élabore des messages concernant son articulation qui sont envoyés à l'ensemble du système. L'utilisation d'un processeur du type "transputer" permet également de commander directement le moteur électrique sans balais et donc de supprimer le variateur de commande de ce dernier. L'invention permet donc de réaliser des articulations modulaires qui peuvent être assemblées les unes derrière les autres entre des bras de robot. Le dernier bras peut comporter un effecteur ou un dispositif de repérage de positionnement tel qu'une caméra vidéo. Dans ce cas, le dernier bras comporte à son extrémité un processeur qui commande l'effecteur ou le dispositif de repérage et fournit des messages sur le bus disposé dans ce dernier bras. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit concerne une articulation dans laquelle les deux bras consécutifs tournent l'un par rapport à l'autre dans deux plans parallèles. La figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation dans lequel les deux bras sont alignés et tournent autour du même axe, à savoir l'axe de révolution des deux demi-coquilles. Dans le premier mode de réalisation, les deux connecteurs sont disposés sur les parois latérales de deux demi-coquilles. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les deux connecteurs sont disposés sur les couvercles des deux demi-coquilles. On voit que l'invention permet de réaliser des robots ou des manipulateurs comportant plusieurs bras dans lesquels la dépense en câbles de liaison et en connectique est réduite. L'utilisation de lignes de transmission de données à fibres optiques permet d'éviter le parasitage des signaux et, dans le cas particulier de fibres en silice, cela permet l'utilisation dans des milieux radioactifs. L'utilisation d'un processeur de type "transputer" permet de simplifier le circuit de commande du motoréducteur et d'obtenir une articulation intelligente. L'utilisation d'une enceinte fermée remplie d'un liquide diélectrique permet d'améliorer le refroidissement de l'articulation. REVENDICATIONS 1. Articulation de robot destinée à réaliser une rotation relative de deux bras (1,2) de robot consécutifs, caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte étanche constituée par deux demi-coquilles (31,32) solidaires chacune de l'extrémité d'un bras et montées en rotation l'une sur l'autre avec interposition d'un joint dynamique (34), en ce qu'une des deux demi-coquilles (31) contient un motoréducteur (37-39,41-43) électrique à courant continu sans balais et l'autre demi-coquille (32) est entraînée par ledit motoréducteur, en ce que ladite enceinte est remplie d'un liquide isolant électriquement, en ce que chaque demi-coquille (31,32) comprend un connecteur (5,6::47,48) fixé sur une de ses faces extérieures et destiné à recevoir un câble de liaison (7) comportant des conducteurs d'alimentation (11-13) et une ligne de transmission de données (14,15) et relié à l'articulation voisine, et en ce que ladite enceinte contient un dispositif de commande du motoréducteur qui comprend un processeur (23) et qui fonctionne de manière autonome en fonction des données reçues des autres articulations et d'une commande centralisée par l'intermédiaire des lignes de transmission de données. 2. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lignes de transmission de données (14,15) sont des lignes à fibres optiques. 3. Articulation de robot selon la revendication 2, caractérisée en ce que les lignes de transmission de données comportent des fibres optiques (14,15) en silice. 4. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lignes de transmission de données (14,15) relient deux articulations voisines et en ce que l'enceinte contient un circuit de retransmission (16,17,23) des données branché entre les deux connecteurs (5,6). 5. Articulation de robot selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit dispositif de retransmission réalise une régénération des signaux et la gestion des erreurs. 6. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte comprend un dispositif de codage optique (26;44,45) du mouvement du motoréducteur et en ce que le liquide isolant est transparent. 7. Articulation de robot selon la revendication 6, caractérisé en ce que le codeur optique comporte deux codeurs absolus, un codeur fin (44) fixé sur l'arbre du moteur et un codeur grossier (45) fixé sur l'arbre du réducteur (41-43). 8. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le processeur (23) est un processeur microcodé comportant un ordonnanceur de tâches avec priorités, une mémoire rapide et quatre systèmes de communication asynchrone par lien, du type "transputer". 9. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisée en ce que le connecteur (5,6;47,48) est disposé sur le côté de la demi-coquille perpendiculairement à l'axe de rotation du motoréducteur et en ce que le câble de liaison (7) est logé dans le bras. 10. Articulation de robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande du motoréducteur comporte des circuits imprimés en forme de rondelles disposées autour d'un axe central (39) du motoréducteur. 11. Robot caractérisé en ce qu'il comporte une unité de commande centralisée et une succession de bras reliés ensemble par une articulation selon l'une des revendications précédentes. 12. Robot selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dernier bras comporte à son extrémité un outil. 13. Robot selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dernier bras comporte à son extrémité une caméra vidéo. 14. Robot selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on effectue un téléchargement du processeur de chaque articulation.