Brevet FR2754206A1 — publié le 19980410

BRAS MÉCANIQUE ARTICULÉ DESCRIPTION L'invention concerne un bras mécanique articulé. Elle appartient au genre de bras composés de segments nombreux et généralement de faible section, parfois appelés "trompes" et utilisés pour se faufiler entre des obstacles resserrés ou nombreux de certains environnements pour effectuer des tâches d'inspection ou de manipulation à distance au moyen d'un outil fixé à leur extrémité libre. Une contrainte cruciale rencontrée avec ces bras est leur poids, en liaison à leur grande longueur : les joints articulés reliant deux segments entre eux doivent résister au poids de tous les segments suivants, jusqu a extrémité libre, qui se traduit par un moment fléchissant important en raison de l'importance du bras de levier associé. Dans la construction classique représentée à la figure 1, où le bras se compose de cinq segments successifs 1 à 5 s'étendant d'une base fixe 6 à l'extrémité libre 7 porteuse d'un outil, les segments sont reliés entre eux et à la base 6 de façon à former une chaîne par des joints articulés portant les références 8 à 12. Chacun de ces joints est composé dlune articulation dite orthogonale 13, d d'axe de rotation perpendiculaire aux segments qu'elle relie, et d'une articulation en ligne 14 dont l'axe de rotation reste parallèle à celui du segment du joint articulé qui lui est relié : ainsi, l'articulation orthogonale 13 sert à lever le segment situé du côté de l'extrémité libre 7 (par exemple le segment 2 dans le cas du joint articulé 9) et l'articulation 14 sert à faire pivoter ce segment. Mais on s'aperçoit immédiatement que les articulations orthogonales 13 doivent encore lever les segments suivants jusqu'à l'extrémité libre 7 (3 à 5 pour le joint articulé 9) et les joints articulés qui les relient (10 à 12). L'élévation du moment qu'il faut alors fournir est si importante quand les segments deviennent nombreux, car leur poids total s'accroît en même temps que le bras de levier associé à ce poids, qu'on est obligé d' employer des articulations et des segments toujours plus massifs vers la base 6 : leurs poids suivent une fonction fortement croissante, proche de l'exponentielle ; on est en pratique limité à un petit nombre de segments. Les articulations en ligne 14 sont d'ailleurs soumises à des contraintes analogues semblables puisqu'elles sont amenées à imposer des déplacements verticaux aux segments 1 à 5. L'invention a pour but essentiel de s'affranchir de cette limitation et de proposer en conséquence un bras articulé formé de tronçons nombreux tout en restant plutôt léger. Ce bras est composé de segments successifs reliés par des premières articulations permettant de faire pivoter les segments autour d'axes verticaux au moyen de premiers actionneurs, les segments comprenant des bielles reliées aux premières articulations par des secondes articulations munies de seconds actionneurs et d'axes de rotation transversaux ; et les segments comprennent encore chacun une pièce de liaison tendue entre les premières articulations parallèlement aux bielles respectives. La combinaison des articulations d'axe vertical (à la place des articulations en ligne 14 de la figure 1) et de segments composés de deux éléments parallèles (la bielle et la pièce de liaison tendue) est l'élément cardinal de l'invention, qui sera comprise plus facilement, ainsi que vautres aspects de celle-ci, à l'aide du commentaire des figures suivantes, qu'on va maintenant entreprendre la figure 1 représente une construction classique de bras articulé, la figure 2 représente une construction de bras articulé conformément à l'invention, et les figures 3 et 4 représentent deux exemples de fabrication des segments et des articulations. Le bras de la figure 2 peut comprendre, comme celui de la figure 1, cinq segments, désignés par 21 à 25, entre une base fixe 26 et un outil à une extrémité libre 27, et de même ces segments sont reliés entre eux et à la base fixe 26 par des joints articulés successifs 28 à 32. Les segments pourraient cependant être sensiblement plus nombreux qu'avec la construction de la figure 1. En effet, chacun d'eux est formé d'une bielle inférieure 33 et d'une bielle supérieure 34 qui sont parallèles et forment donc un parallélogramme avec les joints articulés entre lesquels elles s ' étendent . Plus précisément, les bielles 33 et 34 sont soutenues de façon articulée par des structures de premières articulations 35 dont les axes sont tous parallèles et verticaux, et llangle d'inclinaison des bielles 33 et 34 est régi par des secondes articulations 36 d'axe horizontal et latéral qui ne sont qulesquissées sur la figure 2. On peut déjà expliquer llavantage de cette construction. Considérons par exemple le joint articulé 30 devant lequel s'étendent les segments 23, 24 et 25 jusqu'à l'extrémité libre 27 : une démonstration simple prouve que le moment fléchissant dû à ces parties distales du bras est transmis au joint articulé 30 sous forme d'efforts de compression et de traction dans les bielles 33 et 34, c'est-à-dire qu'aucun moment n'est imposé à l'actionneur de la seconde articulation 36 si ce n'est un moment résiduel égal à Pi cos ss, où P désigne effort tranchant (c'est-à-dire le poids du bras du joint articulé 30 à l'extrémité libre 27), 1 la longueur du tronçon 23 et ss son angle d'inclinaison. Quant à l'effort tranchant P, il est absorbé par la première articulation 35 d'axe vertical, sans exercer non plus d'effet important sur son actionneur. On voit donc que les actionneurs des articulations subissent des efforts très réduits, ou même nuls et limités alors aux frottements. Mais il subsiste tout de même le moment résiduel sur l'actionneur de la seconde articulation 36. Si on veut mieux le soulager, un dispositif d'équilibrage peut être introduit ; la figure 3 en représente un exemple. L'élément essentiel du segment de cette figure est un tube 40 de protection qui matérialise la bielle inférieure 33 de la figure 2 ; mais comme la bielle supérieure 34 est normalement toujours tendue, il n'est pas nécessaire de la construire sous forme de structure rigide et c'est pourquoi elle consiste ici en un câble 41 passant dans le tube 40. Le câble 41 est retenu par ses extrémités dans les articulations d'axe vertical, ici notées par la référence 42 et qui se composent d'une chape 43 située du côté de la base fixe 26 et d'un module porteur 44 situé du côté de l'extrémité libre 27 et qui se termine par une queue 45 engagée dans la chape 43 ; un tourillon 46 est engagé verticalement à travers la chape 43 et la queue 45 et permet de faire tourner cette dernière par une clavette 48. Concrètement, il peut s'agir de l'arbre d'un moteur 47 fixé sous la chape 43. La chape 43 et le module porteur 44 sont chacun creusés d'un perçage vertical, respectivement 49 et 50, dans lequel les extrémités du câble 41 sont engagées : elles se terminent par deux têtes 51 et 52 plus larges que les perçages 49 et 50 et qui permettent donc de maintenir le câble tendu d'un perçage à l'autre, avec une tension réglable puisqu'une des têtes (52) est formée d'un écrou engagé sur une extrémité filetée du câble 41. Enfin, la chape 43 et le module porteur 44 sont chacun munis d'un secteur 53 ou 54 en arc de cercle à gorge de guidage disposée sur la circonférence et dans laquelle une portion du câble 41 adjacente à chaque extrémité 49 ou 50 s'étend. Le tube 40 est relié à la chape 43 et au module porteur 44 par des tourillons transversaux 55 et 56 dont le second, fixé au tube 40, est l'arbre d'un moteur 57 monté sur le module porteur 44. Les moteurs 47 et 57 sont donc responsables des mouvements de balancement latéral et d'élévation des segments. Le dispositif d'équilibrage 58 est composé d'un ressort 59 à spires logé dans le tube 40 et comprimé entre une portée d'appui 60, articulée au tube 40 non loin du module porteur 44, et un chapeau 61 fixé à une tige 62 dont l'extrémité opposée passe à travers un perçage d'un téton rotatif 63 disposé sur le secteur de guidage 54 du module porteur 44 ; un écrou 64 est vissé sur cette extrémité de tige, qui est filetée, pour la retenir à travers le téton 63. On a vu que le moment résiduel exercé sur l'actionneur de la seconde articulation 36, clest-à- dire ici sur le second moteur 57, ne dépendait essentiellement que de l'inclinaison (ss) du segment et devenait plus faible si le segment était plus incliné. Si le tronçon représenté est élevé conformément à la flèche, on voit que la portée d'appui 60 s'approche du téton 63 en parcourant un cercle autour du tourillon 56, le téton 63 restant fixe, de sorte que le ressort 59 peut s'allonger et est donc soumis à une compression moindre. Quand le segment s'élève, le ressort 59 se décharge en même temps que le moment exercé par le poids du bras sur le moteur 57 diminue. Or comme la compression du ressort 59 tend à repousser la portée d'appui 60 du chapeau 61 et à l'approcher en conséquence du téton rotatif 63, elle tend à élever le segment et est ainsi antagoniste au moment résiduel produit sur le moteur 57 par le poids du bras. Il est donc facile de choisir un ressort 59 avec une raideur et une disposition dans le tube 40 telles que l'effort produit par sa compression soit transmis sous forme d'un moment qui équilibre sensiblement le moment résiduel, et cela sur une plage importante du mouvement prévu pour le segment, éventuellement sur la totalité de sa course angulaire. L'équilibrage est alors parfait. Le dispositif peut en pratique prendre d'autres aspects, et en particulier comporter d'autres ressorts, tels que des ressorts à gaz ou à lames au lieu du ressort à spires 58. Une autre réalisation de l'invention est décrite à l'aide de la figure 4. On retrouve un tube 70 de protection faisant office de bielle inférieure 33, et la bielle supérieure 34 est ici matérialisée par une chaîne 71 tendue en boucle entre deux roues à chaîne 72 et 73 et deux pignons à chaîne 74 et 75. Les pignons à chaîne 74 et 75 sont fixés au tube 70, alors que les roues à chaîne 72 et 73 sont fixées à des tourillons horizontaux et transversaux 76 et 77 autour desquels les extrémités du tube 70 peuvent tourner. Dans le cas présent, l'actionneur du segment est un moteur 78 fixé à l'intérieur du tube 70 et dont l'arbre est relié au tourillon 77 par une courroie 79 tendue entre deux poulies 80 et 81 qui leur sont respectivement fixées. Quand le moteur 78 tourne, il fait tourner le tube 70 et tout le segment autour du tourillon 77 en se rapprochant de la poulie 81 du côté du brin tendu de la courroie 79 ; les maillons de la chaîne 71 se posent sur les roues 72 et 73 d'un côté et en décollent de 1 ' autre. On retrouve un dispositif d'équilibrage 82 composé d'un ressort 83 comprimé entre une portée d'appui 84 du tube 70 et un chapeau 85 à l'extrémité d'une tige 86, dont l'autre extrémité est articulée à la roue à chaîne 72. Ce dispositif fonctionne à peu près comme le précédent, sauf que le ressort 83 se détend quand une rotation est imposée au segment dans le sens indiqué par la flèche et opposé au précédent. Les articulations d'axe vertical 87 sont composées de deux plateaux 88 et 89 superposés et reliés par un moteur 90 situé entre eux et dont l'axe est vertical pour commander leur mouvement de rotation. L'un des plateaux 88 est relié au tourillon 76 et à la grande roue à chaîne 72 par une première console 91 et l'autre des plateaux 89 est relié par une deuxième console 92 au tourillon et à la seconde roue à chaîne 73. Enfin, des capteurs de position ou d'inclinaison du segment, qui n' avaient pas été représentés dans la réalisation précédente par souci de commodité, sont désignés par les références 93 et 94. Ils sont reliés aux moteurs 78 et 90 par des transmission telles que des courroies et servent à indiquer la position du segment et du bras. Les bras articulés décrits jusqu'ici possèdent tous des actionneurs pour pemettre de les déformer à distance. L'invention offre aussi l'intérêt pour des bras semblables mais passifs, dépourvus d'actionneurs et dont la forme serait modifiée par des actions extérieures. REVENDICATIONS 1. Bras de robot composé de segments successifs (21 à 25) reliés par des premières articulations (35) permettant de faire pivoter les segments autour de premiers axes au moyen de premiers actionneurs (47, 90), les segments comprenant des bielles (33) reliées aux premières articulations par des secondes articulations (36) munies de seconds actionneurs (57, 78) et d'axes de rotation orthogonaux auxdits premiers axes et transversaux, caractérisé en ce que lesdits premiers axes sont parallèles et verticaux et les segments comprennent encore chacun une pièce de liaison (34) tendue entre les premières articulations parallèlement aux bielles respectives. 2. Bras de robot suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de liaison consistent en des bielles. 3. Bras de robot suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de liaison consistent en des boucles (71) enroulées autour des premières articulations (76, 77). 4. Bras de robot suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de liaison consistent en des câbles (41) aux extrémités fixées aux premières articulations (53, 54). 5. Bras de robot suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les segments comprennent des dispositifs d'équilibrage (58, 82) calculés pour sensiblement équilibrer un effort exercé en direction desdits premiers axes sur les segments par une portion du bras située entre lesdits segments et une extrémité (27) du bras. 6. Bras de robot suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les dispositifs d'équilibrage sont calculés pour équilibrer sensiblement ledit effort sur toute une plage autorisée de rotation des segments autour des secondes articulations. 7. Bras de robot suivant l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les dispositifs d'équilibrage consistent en des ressorts (59, 83) 8. Bras de robot suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les ressorts sont contraints entre les bielles (40 et 60, 70 et 84) et des appendices (61, 85) des secondes articulations. 9. Bras de robot suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les seconds actionneurs consistent en des moteurs (57) aux arbres (56) dirigés dans lesdits axes orthogonaux. 10. Bras de robot selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les seconds actionneurs consistent en des moteurs (78) montés sur les bielles (70) et reliés aux secondes articulations par des transmissions (79 à 81).