Brevet FR2754527A1 — publié le 19980417

La présente invention concerne le domaine technique de la manutention d'une charge au sens général, et elle vise plus précisément les appareils ou les dispositifs conçus pour déplacer en état d'équilibre une charge ou analogue. Dans l'état de la technique, il est connu de nombreux dispositifs conçus pour supporter une charge dans une position d'équilibre, quelle que soit la position prise dans l'espace par la charge. De tels appareils, appelés également manipulateurs auto-équilibrés permettent de déplacer manuellement la charge dont le poids est repris pour chaque position, par l'appareil lui-même. Par exemple, le brevet FR 2 427 995 décrit un appareil de manutention comportant un bras flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre-eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier pour former ensemble un parallélogramme déformable. Le balancier est destiné à porter à son extrémité libre, une charge de toute nature appropriée. L'appareil comporte également un axe de pivotement monté selon une direction sensiblement horizontale sur un châssis et destiné à servir d'articulation pour l'un des bras du parallélogramme déformable. Le manipulateur comporte également des moyens d'application sur le parallélogramme déformable, d'un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge. Ces moyens d'application d'un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge sont constitués par l'intermédiaire d'un contrepoids monté à l'extrémité libre de l'un des bras de l'appareil. Les moyens d'application d'un effort compensateur comportent également un moteur électrique ou un vérin destiné à agir sur un axe d'articulation du parallélogramme déformable. Même si un tel manipulateur donne satisfaction dans de nombreuses applications, il apparaît que lorsque le bras flèche n'occupe plus une position horizontale, il s'ensuit que le contre-poids bascule, de sorte que l'appareil ne se trouve plus en parfait état d'équilibrage. De plus, il doit être considéré que les divers moyens techniques pour assurer l'application d'un effort compensateur sont relativement complexes et coûteux à mettre en oeuvre. L'objet de l'invention vise à remédier aux inconvénients énoncés cidessus en proposant un appareil capable de déplacer, en état d'équilibre, une charge, quelle que soit sa position prise dans l'espace, en mettant en oeuvre des moyens simples pour l'application d'un effort compensateur. Pour atteindre cet objectif, l'appareil comporte - un bras flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre-eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier pour former un parallélogramme déformable, le balancier présentant à son extrémité libre, un point d'application d'une force due à la charge, - un axe de pivotement sensiblement horizontal porté par un châssis et sur lequel est articulé un des bras du parallélogramme déformable, - et des moyens d'application sur le parallélogramme déformable d'un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge. Selon l'invention, les moyens d'application de l'effort compensateur agissent sur le contre-balancier en un point d'application tel qu'il se trouve toujours aligné, quelle que soit la position de la charge, avec l'axe de pivotement et avec le point d'application de la force due à la charge, de manière que le déplacement du point d'application de l'effort compensateur soit proportionnel, par rapport à l'axe de pivotement, au déplacement du point d'application de la force due à la charge. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une représentation géométrique de l'appareil conforme à l'invention. Les fig. 2A à 2D sont des représentations de la géométrie de l'appareil selon diverses positions caractéristiques. La fig. 3 est une vue schématique d'un premier exemple de réalisation d'un appareil selon l'invention mettant en oeuvre un vérin compensateur. La fig. 4 est une vue schématique montrant une autre variante de réalisation d'un appareil mettant en oeuvre un vérin compensateur. La fig. 5 est une vue schématique d'une variante de réalisation de l'appareil selon l'invention mettant en oeuvre un moteur électrique. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 1, l'appareil 1 selon l'invention est destiné à assurer le déplacement en état d'équilibrage, d'une charge 2 au sens général. L'appareil 1 comporte un bras flèche 3 et un bras de renvoi 4 montés parallèles l'un à l'autre. Le bras flèche 3 et le bras de renvoi 4 sont articulés à l'une de leurs extrémités, respectivement par des axes d'articulation 5 et 6, sur un balancier 7, et à leurs extrémités opposées, à l'aide respectivement d'axes d'articulation 8 et 9, sur un contre-balancier 11. Les bras flèches 3 et de renvoi 4, ainsi que le balancier 7 et le contre-balancier 11, définissent par leurs points d'articulation 5, 6 et 8, 9, un parallélogramme déformable. La balancier 7 est destiné à porter à son extrémité libre, la charge 2 en un point d'application A. Bien entendu, la charge 2 peut être portée directement par l'extrémité libre du balancier 7 ou, de préférence, par l'intermédiaire d'un système de maintien en position horizontale. Les axes d'articulation 5, 6, 8 et 9 s'étendent selon une direction commune parallèle, à savoir horizontale. L'un des bras, par exemple le bras flèche 3, est monté sur un axe de pivotement 12 porté par un châssis 13. L'axe de pivotement 12 est monté pour s'étendre selon une direction sensiblement horizontale pour permettre un pivotement du parallélogramme déformable dans un plan vertical. Pour des raisons de clarté, le centre de l'axe de pivotement 12 est représenté par un point B. Bien entendu, l'axe de pivotement 12 peut servir d'articulation pour le bras inférieur dit de renvoi 4 qui devient alors le bras flèche, tandis que l'autre bras de niveau supérieur constitue le bras de renvoi. Conformément à l'invention, le contre-balancier 11 s'étend au-delà de l'axe 8 d'articulation avec le bras flèche 3, par un prolongement 14 s'étendant ainsi par rapport au bras flèche 3, dans un sens opposé à celui du balancier 7. Autrement dit, le balancier 7 et le prolongement 14 du contre-balancier s'étendent de part et d'autre du bras flèche 3. L'appareil 1 comporte également des moyens 16 adaptés pour appliquer sur le parallélogramme déformable, un effort compensateur de l'effort dû à la charge et du poids propre des éléments constitutifs de l'appareil. Conformément à l'invention, les moyens d'application d'un effort compensateur 16 agissent sur le contre-balancier 11 dans sa partie formant prolongement 14 en un point C situé de manière que les points A, B et C se trouvent toujours alignés, quelle que soit la position de la charge 2. Il s'ensuit que le déplacement du point d'application C de l'effort compensateur est proportionnel par rapport à l'axe de pivotement B, au déplacement du point A d'application de la force due à la charge. En effet, tel que cela ressort de la fig. 1 et des fig. 2A, 2D, les deux triangles B, 5, A et B, 8, C se déforment lors du déplacement de la charge 2 dans un rapport de valeur constante permettant, par le réglage des moyens de compensation 16 d'auto-équilibrer la charge, quelle que soit sa position dans l'espace. Ainsi, le rapport k des bras de levier, à savoir la distance H considérée entre les points 5 et B divisée par la distance h prise entre les points B et C, est toujours égal à une même valeur. Lorsque la charge 2 est équilibrée dans une position, la charge 2 se trouve automatiquement auto-équilibrée. Comme cela apparaît clairement sur les fig. 2A à 2D, les trois points A, B, C se trouvent toujours alignés pour toutes les positions prises par la charge 2. Selon une caractéristique préférée de réalisation, les moyens d'application de l'effort compensateur 16 sont constitués par un contrepoids 17 dont le centre de masse s'applique au point C. La valeur du contrepoids 17 est choisie avantageusement pour permettre d'équilibrer l'appareil à vide, c'est-à-dire en l'absence d'une charge 2. Lorsque la valeur du contrepoids 17 a été fixée pour compenser le poids à vide de l'appareil, il apparaît que l'appareil reste en position stable dans n'importe quelle position prise dans l'espace, dans la mesure où le rapport k des bras de levier présente une valeur constante. Les moyens de compensation des efforts 16 sont constitués également par un moyen de traction 18 développant un effort compensateur adapté à la valeur de la charge 2 appliquée au point A. Un tel moyen moteur 18 permet ainsi de compenser la force due à la charge 2, de manière à conserver un auto-équilibrage de l'appareil. Il s'ensuit qu'il peut être obtenu un déplacement dans l'espace de la charge qui se trouve auto-équilibrée, quelle que soit sa position prise dans l'espace. I1 est à noter que dans certains cas, la compensation de l'appareil à vide peut être assurée également par les moyens moteurs de traction. La fig. 3 illustre un premier exemple de réalisation d'un appareil 1 présentant la géométrie décrite précédemment. Les éléments communs entre cet appareil 1 et la description de la géométrie de l'appareil décrits précédemment possèdent les mêmes références. Dans cet exemple illustré, les moyens de compensation des efforts 16 sont constitués par un contrepoids 17 formé par le prolongement 14 s'étendant au-delà de l'axe d'articulation 8. Le dimensionnement en taille et en masse du prolongement 14 est adapté de manière que son centre de masse se situe en un point C aligné avec les points B et A. Bien entendu, il peut être prévu de monter sur ce prolongement 14, un contrepoids présentant une valeur réglable. Dans l'exemple illustré à la fig. 3, les moyens d'application d'un effort de traction 18 sont constitués par un vérin hydraulique ou pneumatique dont le corps 20 est monté articulé sur un axe de pivotement 21 fixé sur le châssis 13 et s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe B. Le vérin comporte une tige 22 dont l'extrémité est montée articulée sur un pivot centré sur le point C. La charge 2 est capable d'occuper n'importe laquelle des positions définies à l'intérieur d'une enveloppe de déplacement E, schématisée sur les figures. De façon similaire, le point d'application C de l'effort compensateur se déplacent de façon homothétique par rapport à l'axe de rotation B, à l'intérieur d'une enveloppe de déplacement E' homothétique de rapport k. Les enveloppes de déplacement E, E' symétriques par rapport au point B, sont donc inversement égales avec le rapport k. En fonction des applications de l'appareil 1, le châssis 13 peut être adapté sur une structure porteuse 26 montée, dans l'exemple illustré à la fig. 3, mobile en rotation selon un axe vertical permettant le déplacement de l'appareil dans un plan horizontal. Dans l'exemple illustré, le châssis 13 est monté sur une structure porteuse 26 qui est fixée sur un support mobile 27 à roues ou à galets. Bien entendu, il doit être considéré que le châssis 13 peut être adapté sur une structure porteuse 26 mobile ou non en rotation et montée de manière fixe sur un support 27, tel qu'un sol (fig. 4) ou un plafond (fig. 5). En position suspendue, la structure porteuse 26 peut être adaptée sur un support à caractère mobile. La fig. 4 illustre une autre variante de réalisation dans laquelle le corps 20 du vérin est monté sur un chariot mobile 30 se déplaçant sur des glissières aménagées sur le châssis pour permettre un déplacement selon une direction sensiblement horizontale. Une telle variante autorise le déplacement de la charge 2 en suivant une direction horizontale. La fig. 5 illustre une autre variante de réalisation dans laquelle le moyen de traction 18 est constitué par un moteur électrique 31 monté sur un chariot 32 coulissant sur des glissières portées par le châssis 13. Le chariot 32 est destiné à coulisser selon une direction sensiblement horizontale. Le moteur 31 est destiné à agir sur le point C par l'intermédiaire d'une transmission 34 comportant un réducteur 35 relié en sortie à une vis sans fin 36 coopérant avec un écrou non représenté centré sur le point C et porté par le contre-balancier 11. Il est à noter que l'appareil 1 est avantageusement destiné à constituer un manipulateur dont la charge est déplacée manuellement. Cependant, l'appareil 1 selon l'invention, peut aussi être motorisé afin d'être utilisé dans des applications robotiques. Ainsi, le chariot coulissant 30 ou 32 et/ou la structure porteuse 26 peuvent être équipés d'un organe moteur permettant de commander le déplacement coulissant des chariots 30, 32 et la rotation de la structure porteuse 26. De même, le moyen de traction est équipé d'une commande pour assurer la motorisation du déplacement du contre-balancier 11. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Appareil pour déplacer, en état d'équilibre, une charge (2) ou analogue, l'appareil comportant: - un bras flèche (3) et un bras de renvoi (4) montés parallèles entre-eux et articulés à leurs extrémités par un balancier (7) et par un contre balancier (11) pour former un parallélogramme déformable, le balancier (7) présentant à son extrémité libre, un point d'application (A) d'une force due à la charge, - un axe de pivotement (B) sensiblement horizontal porté par un châssis (13) et sur lequel est articulé un des bras du parallélogramme déformable, - et des moyens (16) d'application sur le parallélogramme déformable d'un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge, caractérisé en ce que les moyens (16) d'application de l'effort compensateur agissent sur le contre-balancier en un point d'application (C), tel qu'il se trouve toujours aligné, quelle que soit la position de la charge, avec l'axe de pivotement (B) et avec le point d'application (A) de la force due à la charge, de manière que le déplacement du point (C) d'application de l'effort compensateur soit proportionnel, par rapport à l'axe de pivotement (B), au déplacement du point d'application (A) de la force due à la charge. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (16) d'application de l'effort compensateur agissent en un point d'application (C) situé sur un prolongement (14) du contre-balancier (11) s'étendant par rapport au bras flèche (3) à l'opposé du balancier (7). 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (16) d'application de l'effort compensateur sont constitués par un contrepoids (17) adapté pour équilibrer l'appareil à vide. 4 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (16) d'application de l'effort compensateur sont constitués par un moyen de traction (18) développant un effort compensateur adapté à la valeur de la charge. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de traction (18) est constitué par un vérin dont la tige (22) est articulée sur le contrebalancier au point d'application (C) de l'effort compensateur, tandis que le corps (20) du vérin est monté sur un pivot (21) d'axe sensiblement horizontal. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le corps (20) du vérin est monté articulé sur un chariot (30) coulissant selon une direction sensiblement horizontale. 7 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de traction (18) est constitué par un moteur électrique (31) monté sur un chariot (32) coulissant selon une direction sensiblement horizontale, le moteur agissant à l'aide d'une transmission (34), sur le contre-balancier (11) au point d'application (C) de l'effort compensateur. 8 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le châssis (13) est monté pivotant selon un axe vertical, sur une structure porteuse (26). 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure porteuse (26) est mobile. 10 - Appareil selon les revendications 6, 7 et 8, caractérisé en ce que le chariot coulissant (30, 32) et/ou la structure porteuse (26) sont déplacés par un organe moteur.