Brevet FR2791294A1 — publié le 20000929

ROBOT À TROIS DEGRÉS DE LIBERTÉ ET À UN POINT FIXE La présente invention concerne le domaine des robots, et plus particulièrement des robots à usage d'exploration et de contrôle. On connaît de nombreux robots capable de réaliser le déplacement d'outils suivant des trajectoires diverses; de tels robots sont par exemple utilisés dans l'industrie automobile pour l'assemblage des véhicules. On connaît notamment des robots à six degrés de libertés, qui peuvent être programmés de manière à ce que l'outil qu'ils portent ait une cinématique quelconque. Ces robots sont généralement d'une construction complexe, et d'un poids important. Il existe donc un besoin d'un robot d'une construction simple, d'un poids réduit, qui puisse servir pour des applications d'exploration et de contrôle. L'invention apporte une solution à ce besoin; elle fournit un robot simple, robuste; le robot de l'invention s'applique notamment à l'exploration échographique, o il permet de déplacer une sonde échographique suivant les mouvements habituels d'un médecin. Pour cela, l'invention propose un robot pour le déplacement d'un outil, présentant uniquement trois degrés de liberté en rotation, suivant trois axes concourants. Avantageusement, les trois axes sont concourants en un point extérieur au robot. Dans un mode de réalisation, le robot présente des moyens d'entraînement immobiles lors du mouvement du robot. Dans un mode de réalisation, le robot présente un plateau avec un arbre, un porte- satellite mobile en rotation autour de l'axe de l'arbre, un deuxième arbre monté à rotation sur le porte-satellite, un porte-outil monté sur le deuxième arbre, l'outil étant monté à rotation dans le porte-outil. De préférence, le porte-satellite est entraîné en rotation autour de l'axe de l'arbre par un train épicycloïdal. Avantageusement, le deuxième arbre est entraîné en rotation sur le portesatellite par un train épicycloidal. Dans un autre mode de réalisation, le robot présente en outre un tube monté à rotation sur le deuxième arbre, le tube présentant à une extrémité une roue dentée engrenant sur une roue dentée de l'outil, et à son autre extrémité une roue dentée entraînée par un planétaire relié aux moyens d'entrainement. L'invention concerne encore la combinaison d'un tel robot et d'un support assurant un déplacement sensiblement en translation dans un plan du point de concourance des trois axes. Avantageusement, le support présente une roue dentée déplacée en translation par le mouvement de roues à excentriques. L'invention concerne aussi l'application de ce robot au déplacement d'un sonde d'échographie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, qui montrent - figure 1, une vue schématique en coupe d'un robot selon l'invention; - figure 2, une vue schématique en coupe d'un support pour le robot de la figure 1; -figure 3, une vue schématique de dessus du support de la figure 2. L'invention propose un robot dont les degrés de liberté sont limités, de sorte à satisfaire avec des moyens simples un besoin spécifique. La figure 1 montre une vue schématique en coupe d'un robot selon l'invention. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le robot est utilisé pour le déplacement d'une sonde échographique, dans un mouvement à trois composantes de rotation, autour d'un point fixe qui est matérialisé par l'extrémité de la sonde; dans une application d'échographie, ce point fixe est le point de contact entre le corps du patient et la sonde. Le robot de l'invention permet de déplacer la sonde 1 autour du point fixe A, dans un cône d'angle dont le sommet est le point fixe A, et dont l'angle au sommet est fixe; ce déplacement s'effectue suivant les trois composantes de rotation couramment repérées par les angles appelés angles d'Euler. L'angle formé entre un plan de référence contenant l'axe 2 de révolution du cône et le plan contenant l'axe 2 de révolution et l'axe longitudinal 3 de la sonde est appelé angle de précession. L'angle entre l'axe de révolution 2 et l'axe longitudinal 3 de la sonde est appelé angle de nutation. L'angle de rotation de la sonde autour de son axe longitudinal 3 est appelé angle de rotation propre. Le robot de l'invention comprend un plateau 4, en forme de plateau, et sur lequel sont montés les moteurs utilisés pour l'entraînement du robot; sur ce plateau est fixé un arbre 5, par une liaison complète. L'arbre 5 s'étend perpendiculairement à la surface du plateau, et est fixé sur celui-ci par son extrémité supérieure, à l'aide d'un collier 6 et de vis fixant le collier au plateau. L'arbre 5 est creux, et son axe matérialise l'axe de révolution 2 du cône dans lequel se déplace la sonde. A l'intérieur de l'arbre 5 sont montés à rotation trois tubes cylindriques concentriques, qui sont respectivement entraînés par des moteurs montés sur le plateau. La figure 1 montre le premier tube cylindrique 7, qui monté à l'intérieur de l'arbre 5; sur la partie supérieure du premier tube 7 est fixé une roue dentée 8, sur laquelle engrène une roue dentée 9, entraînée par un premier moteur 10. Sur la partie inférieure du premier tube 7 est montée un premier planétaire d'entrée 11, formé d'une roue dentée à denture conique. La figure 1 montre encore le second tube cylindrique 12, qui est disposé à l'intérieur du premier tube, et qui est libre en rotation autour de l'axe 2; à la partie supérieure du second tube 12 est fixé une roue dentée 13, sur laquelle engrène une roue dentée 14, entraînée par un second moteur 15. Sur la partie inférieure du second tube 12 est montée un deuxième planétaire d'entrée 16, qui comme le premier est formé d'une roue dentée à denture conique. A l'intérieur du second tube 12 est disposé un troisième tube 18, qui est en liaison pivot par rapport au plateau 4; comme pour les premier et second tubes, une roue dentée 19 est montée à l'extrémité supérieure du troisième tube; sur cette roue dentée engrène une roue dentée 20 entraînée en rotation par un troisième moteur 21. A la partie inférieure du troisième tube est fixé un troisième planétaire d'entrée 22. Comme les premier et second planétaires, le troisième planétaire est formé d'une roue dentée à denture conique. Le montage de la figure 1 permet de la sorte de disposer en dessous du plateau de trois planétaires d'entrée coaxiaux, qui sont entraînés indépendamment les uns des autres. Sur l'arbre 5 est monté à rotation par une liaison pivot un porte-satellite 24, qui peut ainsi tourner autour de l'axe de révolution 2, sous le plateau 4. Sur le porte- satellite 24 est monté par une liaison pivot un deuxième arbre 25 ou arbre porte-outil. L'arbre porte outil est en rotation autour d'un deuxième axe 26, qui est concourant à l'axe de révolution, au point A. Sont montés en liaison totale sur le deuxième arbre des premier et second satellites 28 et 29, qui sont formés par des roues à dentures coniques; les premier et second satellites engrènent respectivement sur les premier et second planétaires d'entrée 11 et 16. Le rapport entre les nombres de dents du second satellite et du second planétaire est différent du rapport entre les nombres de dents du premier satellite et du premier planétaire. De la sorte, l'activation des premier et second moteurs permet de régler la position angulaire du porte-satellite autour de l'axe de révolution, d'une part, et la position angulaire du deuxième arbre autour du deuxième axe. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, les nombres de dents sont les suivants: premier planétaire: 40 premier satellite: 81 deuxième planétaire: 91 deuxième satellite: 43 Sur le deuxième arbre est monté en liaison pivot un quatrième tube 31; ce tube présente à son extrémité supérieure une roue dentée à denture conique 32, qui engrène sur le troisième planétaire. A l'extrémité inférieure du quatrième tube est fixé une roue dentée à denture conique 33. A l'extrémité inférieure du deuxième arbre est fixé un porte outil 34; le porte outil est en liaison totale avec le deuxième arbre, de telle sorte qu'il est entraîné en rotation par la rotation du deuxième arbre autour du deuxième axe. Dans le porte outil 34 est monté l'outil, dans l'exemple de la figure 1 la sonde échographique 1. L'outil est monté sur le porte outil par une liaison pivot. La configuration du porte outil est telle que l'axe de rotation propre de la sonde, ou troisième axe 3, soit concourant aux premier et deuxième axe, au point A. Dans la position représentée à la figure 1, l'axe de rotation propre de la sonde 3 est confondu avec l'axe de révolution 2; il est clair que ceci n'est plus le cas lorsque le deuxième arbre tourne autour du deuxième axe. Néanmoins, les trois axe sont toujours concourants au point A. Comme le montre la figure, la sonde 1 présente une roue dentée 36, à denture conique, qui engrène sur la roue dentée 33 fixée à l'extrémité inférieure du quatrième tube. De la sorte, la position angulaire de la sonde par rapport au porte outil peut être réglée par activation du troisième moteur, la rotation du troisième moteur étant transmise à la sonde par l'intermédiaire du troisième tube, du troisième planétaire, du troisième satellite, du quatrième tube et de l'engrenage formé des roues dentées 33 et 36. Le robot de l'invention, dans le mode de réalisation de la figure 1, présente trois degrés de liberté, correspondant aux trois angles d'Euler; la rotation propre de la sonde autour du troisième axe est contrôlée par le troisième moteur; l'angle de nutation dépend de la position angulaire du deuxième arbre par rapport au porte-satellite 24. L'angle de précession est déterminé, une fois que l'angle de nutation est fixé, par la rotation du porte-satellite autour de l'axe de révolution 2. Le robot de l'invention constitue en fait un double train épicycloïdal à renvoi conique, qui présente la particularité d'avoir des axes concourants; on ajoute à ce double train épicycloïdal des moyens d'entraînement en rotation propre de l'outil. Le robot permet simplement de régler la position de la sonde, avec trois degrés de liberté, à l'intérieur du cône de sommet A. Dans le mode de réalisation de la figure, le point A de concourance des axes, qui est un point fixe dans le mouvement de la sonde, correspond au point de contact entre le patient et la sonde. Il est notable que ce point de concourance se trouve à l'extérieur du robot, et peut donc être utilisé comme point fixe dans une application comme une application d'échographie ou de contrôle. L'invention a l'avantage d'un réglage simple et rapide de la position de l'outil. Comme les moteurs d'entraînement sont disposés sur le plateau, et ne bougent pas lorsque l'outil se déplace, l'inertie du robot est faible, et le mouvement peut être rapide. Ceci diminue aussi la puissance nécessaire pour l'entraînement de l'outil; dans une application d'échographie, une puissance de l'ordre de 10 W suffit. La figure 2 montre une vue schématique en coupe d'un support pour le robot de la figure 1; ce support permet d'effectuer des déplacements du robot, sur une amplitude limitée, du genre de celle utile pour des investigations échographiques ou de contrôle. La figure montre le plateau 4, sur lequel sont représentés de façon schématique les trois tubes et leurs moteurs d'entraînement. Sous le plateau est fixé par une liaison complète une roue dentée 38; en dessous de la roue dentée, l'arbre 5 est entourée d'une sphère 39 formant une rotule avec le support 40 du robot; de la sorte, l'arbre 5 est en liaison sphérique sur le support 40. Le support comporte en outre des couronnes dentées montées sur des excentriques, permettant de déplacer la roue dentée 38 dans son propre plan. Sur la figure sont représentées deux couronnes dentées 42 et 43, qui sont montées sur des roues 44 et 45. Ces roues 44 et 45 sont montées à rotation sur le support 40, avec une excentricité, comme symbolisé sur la figure 4; le fonctionnement de ces couronnes et des roues excentrées est expliqué en référence à la figure 3. Le fonctionnement du support de la figure 2 est le suivant; la roue dentée 38 est déplacée dans son plan, par le mouvement des couronnes dentées et des roues excentrées, comme expliqué en référence à la figure 3; ce mouvement, du fait de la liaison sphérique de l'arbre sur le support, entraîne un déplacement de l'arbre, sur une plage d'angle de l'ordre de 5 . Ce déplacement permet de régler la position du point A de concourance des axes de rotation du robot, avec une faible contribution aux composantes de rotation. Pour utiliser un support du genre de celui de la figure 2, l'arbre 5 de la figure 1 est prolongé, de sorte à ce que le porte-satellite se trouve en dessous du support 40. La figure 3 montre une vue schématique de dessus du support de la figure 2. On voit sur la figure la roue dentée 38, les couronnes 42 et 43, ainsi que les roues excentrées 44 et 45. Le support présente en outre deux autres couronnes dentées 46 et 47, qui engrènent sur la roue 38, et qui sont montées sur des roues 48 et 49; comme les roues 44 et 45, les roues 48 et 49 sont montées en liaison pivot sur le support 38, avec un excentrique. Comme le montre la figure, les roues 44 et 45 d'une part, et 48 et 49 d'autre part définissent deux axes perpendiculaires. Pour chacune des roues 44, 45, 48 et 49, on a noté O le centre de la roue, et O' l'axe de rotation de la roue par rapport au support; la distance entre les points O et O' d'une roue, i. e. l'excentricité, est par exemple de l'ordre de 2 mm, ce qui permet de déplacer la roue dentée 38 d'une distance de 4 mm dans chaque direction. Le fonctionnement du dispositif de la figure 3 est le suivant; la rotation de l'une des roues 44 et 45 est commandée par un moteur non représenté sur la figure, et la rotation de l'autre de ces roues est asservie, de sorte que les deux roues aient le même mouvement; du fait de leur excentricité, la rotation des roues provoque un déplacement de la roue dentée 38, parallèlement à l'axe reliant les centres de rotation des roues 44 et , noté X sur la figure. Les roues 48 et 49 fonctionnent de manière analogue pour assurer le déplacement de la roue 38 parallèlement à l'axe reliant les centres de rotation des roues 48 et 49, noté Y sur la figure. Le support des figures 2 et 3 permet de la sorte un déplacement du point A, sensiblement suivant un mouvement de translation. Dans une application préférée, l'invention permet de piloter à distance un appareil d'échographie, et par exemple un appareil d'échographie à deux dimensions. Les échographes 2D sont des appareils d'examen largement répandus dans les milieux de santé comme les services de médecine d'urgence, les maternités ou les centres de gynécologie- obstétrique. Cependant leurs performances sont conditionnées par la manipulation précise des sondes par des spécialistes en investigations ultrasonores. Ceux-ci sont capables de réaliser, en routine hospitalière, un examen rapide et de proposer en temps réel un diagnostic sur des images de qualité suffisante. Par contre, l'examen est impossible si celui-ci est réalisé par un non-spécialiste. Le robot de l'invention, permet de manipuler une sonde échographique à distance - quelques m à quelques milliers de km - sous contrôle d'un poste Maître et par conséquent d'effectuer un diagnostic à distance en l'absence de spécialiste situé à coté du patient. Le porte-outil peut recevoir n'importe quel type de sonde ultrasonore: barrette linéaire, sonde sectorielle ou sonde Doppler. Pour l'examen à distance, le patient est disposé sous le dispositif de l'invention, la sonde étant amenée au contact du patient, au voisinage du point d'examen, par un personnel qui n'est pas nécessairement qualifié. Le dispositif reçoit les commandes de mouvement depuis un poste Maître, contrôlé par un spécialiste en investigations ultrasonores. Ce dernier reçoit les images échographiques acquises par l'intermédiaire de la sonde portée par le dispositif. Le mouvement à appliquer au dispositif de l'invention peut être acquis par tout moyen connu en soi, et par exemple par une commande du type "joystick" manipulée par le spécialiste en investigations ultrasonores. Ce spécialiste est le seul à pouvoir diagnostiquer les images reçues, et commander le mouvement de la sonde; il peut alors engager sa responsabilité concernant un examen effectué à distance en apposant sa signature au bas du compte rendu d'examen clinique. Le dispositif constitue par ce fait un "prolongement" de la main du médecin. L'utilisation d'un simple ordinateur de type PC, via une connexion du type Intranet, Internet ou satellite, permet au spécialiste de piloter et visualiser en temps réel sur son moniteur les images échographiques ou signaux Doppler enregistrés par la sonde esclave posée sur le patient. Le dispositif de l'invention permet d'effectuer un mouvement quelconque de la sonde tout en conservant le contact physique entre l'extrémité de la sonde et le patient. Les amplitudes des mouvements et les vitesses de déplacement sont du même ordre de grandeur que pour une sonde déplacée manuellement par un médecin. L'invention s'applique à toutes les opérations de télémédecine pour l'investigation des organes du système cardio-vasculaire, tels que coeur, rein, foie, et pour l'étude des écoulements sanguins dans les vaisseaux chez l'homme adulte, le jeune enfant ou le foetus. Il peut être utilisé en milieu hospitalier pour des situations médicales standards ou urgentes physiologiques ou pathologiques. Il peut être utilisé dans des milieux délocalisés - hôpitaux de campagnes, interventions du SAMU - ou difficilement accessibles - haute montagne, brousses, déserts, catastrophes naturelles. Il peut être aussi être utilisé sur des sites présentant des conditions extrêmes telles que la micro-gravité spatiale ou l'hyper-gravité. Il peut encore servir pour la formation des personnels de santé. L'invention n'est pas limitée à cette application d'échographie; elle peut également être utilisée pour des manipulations d'objets divers ou d'outils lorsque la contrainte est de générer des mouvements à trois composantes de rotation et que les directions de ces rotations sont concourantes. On peut citer: assemblage robotisé, intervention ou dépannage en milieu hostile, manipulation de caméras pour contrôle à distance, contrôle de matériaux, par exemple contrôle de cordons de soudure. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Le robot de la figure 1 peut être utilisé indépendamment du support des figures 2 et 3, qui est particulièrement adapté à des applications d'échographie. On pourrait ainsi, à la place du support des figures 2 et 3, utiliser un support différent; dans des applications de contrôle non destructif, par exemple pour le contrôle de soudures, le robot de la figure 1 pourrait être fixe tandis que les pièces à contrôler se déplacent sous le point fixe A. REVENDICATIONS 1. Un robot pour le déplacement d'un outil (1), présentant uniquement trois degrés de liberté en rotation, suivant trois axes concourants (2, 3, 26). 2. Le robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois axes sont concourants en un point (A) extérieur au robot. 3. Le robot selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente des moyens d'entraînement (10, 15, 21).immobiles lors du mouvement du robot. 4. Le robot selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il présente un plateau (4) avec un arbre (5), un porte-satellite (24) mobile en rotation autour de l'axe de l'arbre (5), un deuxième arbre (25) monté à rotation sur le porte-satellite, un porte-outil (34) monté sur le deuxième arbre, l'outil étant monté à rotation dans le porte-outil. 5. Le robot selon la revendication 4, caractérisé en ce que le portesatellite est entraîné en rotation autour de l'axe (2) de l'arbre (5) par un train épicycloïdal (11, 28). 6. Le robot selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le deuxième arbre (25) est entraîné en rotation sur le porte-satellite par un train épicycloïdal (16, 29). 7. Le robot selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il présente en outre un tube (31) monté à rotation sur le deuxième arbre, le tube présentant à une extrémité une roue dentée (33) engrenant sur une roue dentée (36) de l'outil, et à son autre extrémité une roue dentée (32) entraînée par un planétaire relié aux moyens d'entraînement. 8. Une combinaison d'un robot selon l'une des revendications 1 à 7 et d'un support assurant un déplacement sensiblement en translation dans un plan du point (A) de concourance des trois axes. 9. La combinaison selon la revendication 8, caractérisé en ce que le support présente une roue dentée (38) déplacée en translation par le mouvement de roues à excentriques (44, 45, 48, 49). 10. Application du robot selon l'une des revendications 1 à 9 au déplacement d'un sonde d'échographie.