Brevet FR2813814A1 — publié le 20020315

Dispositif d'équilibrage d'une force, à hautes performances L'invention concerne un dispositif d'équilibrage d'une force propre à guider une charge sur une trajectoire donnée, en particulier une trajectoire linéaire. On connaît déjà des dispositifs d'équilibrage de ce type qui comprennent un mécanisme articulé formé d'un bras proximal porté par un support et calé sur un premier axe de rotation et d'un bras distal porté par le bras proximal et calé autour d'un deuxième axe de rotation qui s'étend parallèlement au premier axe, et dans lequel le bras distal a une extrémité libre qui porte une charge. Un dispositif d'équilibrage à deux bras articulés de ce type possède de multiples applications, notamment dans le domaine des manipulateurs, des dispositifs de transfert, etc. I1 peut être aussi utilisé en tant que pantographe, notamment pantographe ferroviaire pour les locomotives électriques. On connaît déjà différentes solutions pour équilibrer la charge que porte le mécanisme articulé. Tout d'abord, on connaît des solutions pneumatiques utilisant un vérin qui assure la suspension de la charge et/ou son déplacement, par exemple en direction verticale. De telles solutions, si elles donnent des résultats relativement satisfaisants pour de faibles charges, deviennent impossibles à gérer dès que le volume d'air du vérin dépasse environ 1 dm3. ceci est dû aux pertes de charges qui engendrent des variations de pression entre les différents points du circuit, ainsi qu'à la compressibilité de l'air. De tels moyens pneumatiques ont pour inconvénient d'avoir un temps de réponse qui est de l'ordre de la seconde, ce qui correspond à une valeur de bande passante médiocre, c'est-à-dire un temps trop important pour ne pas être ressenti par un opérateur notamment. on connait aussi des solutions mixtes dans lesquelles un système pneumatique est accouplé à un contrepoids. Ces solutions, qui conduisent aux mêmes résultats que les solutions précédentes, présentent en plus l'inconvénient d'une augmentation importante de l'inertie, ce qui peut même en plus pénaliser les mouvements horizontaux de la charge. De plus, on connaît des solutions électriques qui impliquent généralement d'utiliser des sortes de palans à réglage de charge automatique. Ces solutions ont les inconvénients, d'une part, des systèmes sophistiqués (risque de panne) et, d'autre part, de nécessiter une phase de pesage pendant laquelle la charge n'est pas contrôlée et peut être dangereuse pour l'opérateur. En outre, ces solutions ont pour inconvénient d'avoir un temps de réponse important, incompatible en pratique avec un bon confort de manipulation, du fait que leur bande passante est faible. Par ailleurs, on connaît des solutions utilisant un parallélogramme, comme défini dans le brevet français n 96 07 556, qui ont pour inconvénients, d'une part, soit de n'assurer aucun guidage (comme c'est le cas du câble), soit d'obliger à une trajectoire en arc de cercle dans un plan vertical, et d'autre part de concentrer tous les efforts liés au poids sur un seul bras du parallélogramme. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise en particulier à procurer un dispositif d'équilibrage d'une force, à hautes performances, qui permet de guider une charge sur une trajectoire, et cela avec une bande passante élevée. Elle propose à cet effet un dispositif d'équilibrage d'une force, du type défini en introduction, lequel comprend des premiers moyens d'équilibrage à forte bande passante agissant sur le bras proximal, des seconds moyens d'équilibrage à forte bande passante agissant sur le bras distal, ainsi que des moyens de coordination interposés entre les premiers moyens d'équilibrage et les seconds moyens d'équilibrage pour coordonner les mouvements de rotation respectifs du bras proximal et du bras distal. Ainsi, l'invention permet d'équilibrer séparément le bras proximal et le bras distal du mécanisme articulé, et cela grâce à des premiers moyens d'équilibrage et des seconds moyens d'équilibrage qui sont coordonnés entre eux. Ces moyens d'équilibrage ont une forte bande passante, ce qui signifie une bande passante de l'ordre d'une centaine de Hertz, et cela sans rajout de frottements et d'inerties appréciables. Ceci permet de minimiser les inerties et les élasticités du bras proximal et du bras distal. Pour mémoire, la bande passante traduit l'aptitude d'un système mécanique à réagir à des phénomènes transitoires. Dans les faits, ceci se traduit l'aptitude dudit système à conserver ses performances pour des sollicitations qui, dans le cas présent, peuvent être de l'ordre d'une centaine de Hertz, ce qui peut aussi se définir comme un temps de réponse de l'ordre du centième de seconde. Dans le cadre de l'invention, on peut utiliser différents types de moyens d'équilibrage, y compris dans certains cas des moyens de motorisation. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend un équilibreur propre à procurer un couple mécanique sinusoïdal et ayant deux axes de sorties qui ont des vitesses de rotation synchronisées mais de sens opposés, et dans lequel ces deux axes de sortie sont liés en rotation respectivement avec le premier axe de rotation du bras proximal et avec le deuxième axe de rotation du bras distal. A titre d'exemple, un tel équilibreur peut être du type décrit dans le brevet français n 88 02 423 (publié sous le n 2 627 718). Un tel équilibreur connu, qui est purement mécanique, est utilisé généralement pour équilibrer les forces agissant sur un bras sollicité par une charge, telle qu'un outil. I1 permet d'obtenir un équilibrage rigoureux du bras, quelle que soit sa position angulaire, et peut pivoter de 360 , permettant à la charge de décrire une trajectoire circulaire. Cet équilibreur connu offre l'avantage de fournir un couple sinusoïdal avec un excellent rendement et une bande passante élevée, c'est à dire un équilibrage mécanique à faible temps de réponse. Ainsi, lorsque les deux axes de sortie de l'équilibreur sont liés en rotation respectivement avec l'axe de rotation du bras proximal et l'axe de rotation du bras distal, le dispositif d'équilibrage selon l'invention assure un déplacement synchrone des deux bras permettant une manoeuvre unique de la charge, et cela quelle que soit la répartition des charges sur chacun des deux bras du mécanisme articulé. De manière préférentielle, l'un des deux axes de sortie de l'équilibreur constitue l'axe de rotation du bras proximal, tandis que l'autre axe de sortie est couplé à l'axe de rotation du bras distal par des moyens de transmission. Pour cela, on peut faire appel à différents moyens mécaniques, en particulier à des moyens ayant au moins un parallélogramme déformable. Selon une autre caractéristique de l'invention, le bras proximal et le bras distal ont une même longueur. I1 en résulte que la charge peut se déplacer alors sur une trajectoire rectiligne avec une amplitude de mouvement correspondant à quatre fois la longueur de chacun des bras précités. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend une motorisation additionnelle formée d'au moins un actionneur couplé à au moins un organe mobile du dispositif. Une telle motorisation peut être utilisée à différentes fins, notamment pour déplacer le mécanisme articulé de l'une à l'autre de deux positions qui comprennent une position de service et une position de rangement. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'un au moins des premiers moyens d'équilibrage et des seconds moyens d'équilibrage comprend des moyens de réglage propres à faire varier la charge appliquée à l'extrémité libre du bras distal. De préférence, ces moyens de réglage comprennent une masse déplaçable sur le bras proximal ou le bras distal. L'invention prévoit aussi que le dispositif peut comprendre une motorisation additionnelle, commandée par un capteur d'effort placé en un endroit choisi pour permettre, soit d'assister un opérateur dans le cas d'un déplacement manuel, soit d'assurer une force constante sur un organe donné. Dans une application préférentielle de l'invention, l'extrémité libre du bras distal porte les archets d'un pantographe ferroviaire propres à capter l'énergie électrique d'une caténaire, en sorte que la charge est ici formée par la pression qu'exercent les archets sur la caténaire. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité libre du bras distal porte un mécanisme à parallélogramme, indépendant du mécanisme articulé, équilibré par des troisièmes moyens d'équilibrage dotés d'une bande passante plus élevée que les premiers et deuxièmes moyens d'équilibrage, et portant la charge. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'équilibrage selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'équilibrage selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est un schéma d'un dispositif d'équilibrage selon une troisième forme de réalisation de l'invention. Le dispositif d'équilibrage représenté à la figure 1 comprend un mécanisme articulé 10 formé d'un bras proximal 12 et d'un bras distal 14. Le bras proximal 12 est porté par un support 16 qui est ici formé par le bâti ou corps d'un équilibreur 18. Cet équilibreur est avantageusement du type décrit dans le brevet français n 88 02423 déjà cité. I1 comporte deux axes ou arbres de sortie 20 et 22 qui sont parallèles entre eux et, dans l'exemple, disposés horizontalement. L'équilibreur est propre à procurer un couple sinusoïdal et les deux axes de sortie 20 et 22 sont liés de manière à avoir des vitesses de rotation synchronisées, mais de sens opposés. L'axe de sortie 20 est confondu avec l'axe de rotation du bras proximal 12. Le bras distal 14 est porté par le bras proximal 12 et est calé autour d'un axe de rotation 24 qui s'étend parallèlement à l'axe de sortie 20. Le bras distal 14 possède une extrémité libre 26 propre à fournir une force F, et une extrémité opposée 28 formant axe d'articulation. Le bras proximal 12 est fixé sur l'axe de sortie 20 de l'équilibreur 18 et est donc solidaire en rotation de celui- ci. Une manivelle 30 est fixée sur l'axe de sortie 22 de l'équi- libreur et est également solidaire de lui en rotation. I1 en résulte que le bras proximal 12 et la manivelle 30 tournent en synchronisme, mais avec des sens opposés. Une manivelle 32 est fixée sur l'axe de sortie 20 par des roulements (non représentés), ce qui lui permet de tourner sur cet axe sans contrainte. Par ailleurs, une biellette 34 est fixée aux extrémités des manivelles 30 et 32 par des roulements (non représentés) permettant des rotations et créant ainsi un parallélogramme transmettant les efforts de la manivelle 30 à la manivelle 32. Le bras distal 14 est fixé à l'extrémité du bras proximal 12 par des roulements (non représentés) lui permettant de pivoter librement et sans contrainte autour de l'axe 24. Le bras 14 possède une longueur L, comprise entre son extrémité 26 et l'axe 24, qui est égale à la longueur du bras 12, comme définie entre les axes 20 et 24. Une bielle 36, parallèle au bras proximal 12, est fixée d'un côté sur une manivelle 38 et de l'autre à l'extrémité 28 du bras distal 14 par l'intermédiaire de roulements (non représentés) créant ainsi un deuxième parallélogramme transmettant les efforts de la manivelle 38 au bras distal 14. Les manivelles 32 et 38 sont fixées sur l'axe de sortie 20, en étant montées libres en rotation autour de celui-ci, mais solidaires entre elles en faisant un angle adéquat A pour éviter les arcs-boutements. Les axes de sortie 20 et 22 sont synchronisés en sens inverse et indexés de sorte que, quand le bras 12 est horizontal, la manivelle 38 le soit aussi (dans un sens ou dans l'autre suivant que la bielle 36 se trouve au-dessous ou au-dessus du bras 12). I1 en résulte que la rotation des axes de sortie 20 et 22 sur 180 provoque le déplacement de l'extrémité libre 26 suivant une ligne droite sur une distance, ou amplitude, égale à 4 x L. Cette ligne droite correspond à une trajectoire rectiligne T qui, dans l'exemple, s'étend en direction verticale. On comprendra que la bissectrice de l'angle variable formé par les bras 12 et 14 reste ainsi parallèle à elle-même. Comme l'équilibreur 18 fournit un couple sinusoïdal, la force F transmise à l'extrémité 26 est constante et toujours parallèle au sens indiqué par la flèche. Cette force est égale à la somme des couples maximaux (bras 12 à l'horizontale) donnés par l'équilibreur 18 sur les axes de sortie 20 et 22, en étant diminuée du couple ramené par les poids des différents éléments mobiles (bras, bielles, manivelles, biellettes, paliers, roulements, etc., plus différents systèmes ou outillages embarqués) divisé par la valeur 2 x L (sauf quand les bras 12 et 14 sont verticaux, vers le haut ou vers le bas, où un phénomène d'arc-boutement se produit. Cette force peut être utilisée pour équilibrer une masse qui sera donc "en apesanteur" sur toute la trajectoire T (ici une trajectoire verticale), ou encore pour appliquer une force, par exemple la force que doit exercer un archet de pantographe de captage de courant sur une caténaire. Le dispositif de la figure 2 reprend les éléments de base du dispositif de la figure 1 et les éléments communs sont désignés par les mêmes références. I1 comporte en plus une motorisation additionnelle 40 appliquée, dans l'exemple, sur la biellette 34 et pouvant être utilisée à différentes fins. Cette motorisation additionnelle peut servir notamment à déplacer le mécanisme articulé 10 de l'une à l'autre de deux positions comprenant une position de service et une position de rangement. Cette motorisation sera neutralisée lorsque le dispositif est en position de service ou de travail. En variante, cette motorisation additionnelle peut servir aussi à équilibrer des masses additionnelles qui ne seraient pas toujours présentes ou dont les poids sont sensiblement différents, ou pour compenser une absence de masse additionnelle. A titre d'exemple, la masse principale pourrait être un préhenseur et les masses additionnelles pourraient être différentes pièces, la motorisation 40 étant limitée au poids de la pièce présente. Cette motorisation additionnelle pourrait servir aussi à faire parcourir à l'extrémité 26 des déplacements voulus, la motorisation étant limitée aux frottements et à l'inertie, à l'exclusion du déséquilibre. I1 peut s'agir aussi de toutes combinaisons de servitude, d'équilibrage de masses additionnelles et de motorisation. Le cas échéant, le dispositif peut être associé à un dispositif de commande d'un manipulateur mécanique à commande asservie comme enseigné par la demande de brevet français n 0003047 (non publiée) des demandeurs. On comprendra que la motorisation additionnelle 40 peut être de toute nature (pneumatique, hydraulique, électrique, etc.), linéaire ou circulaire. En outre, son point d'application n'est pas limité à la biellette 34, il peut s'agir de n'importe quelle pièce liée au mouvement, y compris les axes de sortie 20 et 22 et même l'extrémité libre 26 du bras distal. De plus, le dispositif de la figure 2 comprend des moyens propres à assurer une orientation constante à une biellette 42 qui porte la charge (force F). Cette biellette 42 s'étend ainsi dans la direction de la trajectoire T précitée. Ce dispositif comprend une manivelle 44 fixée à l'extrémité du bras proximal 12 par des roulements, et donc libre en rotation par rapport à celui-ci. Cette manivelle 44 porte, à son extrémité inférieure, une pièce allongée 46 comportant un trou oblong dans lequel coulisse un doigt 48 fixé sur la bielle 36 à la verticale de l'axe d'articulation 24. Quand le doigt 48 coulisse dans le trou oblong, du fait de la déformation du parallélogramme formé par les bras 12 et 14, la biellette 38 et la bielle 36, lors du fonctionnement, la manivelle 44 reste verticale. Une bielle 50 est fixée par des roulements, donc libre en rotation, à une extrémité à la manivelle 44 et, à son extrémité, à la biellette 42 de manière à rester parallèle au bras 14 et ainsi former un parallélogramme déformable. I1 est bien entendu possible de remplacer ce dispositif à doigt coulissant par un parallélogramme allant chercher une direction donnée, éventuellement la verticale, entre l'axe de sortie 20 et un point fixe. Pour certaines applications, il est possible de construire, sur la biellette 42, un outil (non représenté) gardant une orientation déterminée, quelle que soit la position de son centre de gravité, et en particulier un outil préhenseur de pièce autorisant des changements d'orientation de cette pièce. Le dispositif de la figure 3 comprend les éléments du dispositif de la figure 1 et du dispositif de la figure 2. Ces éléments communs sont désignés par les mêmes références numériques que précédemment. Le dispositif de la figure 3 comporte en outre une manivelle 52 maintenue verticale par une bielle 54 fixée sur un support fixe 56 en un point 58 libre en rotation. Sur l'autre extrémité de la manivelle 52 est fixée une bielle 50 analogue à celle de la figure 2, qui maintient verticale la biellette 42. Ainsi, ce mécanisme à manivelle remplace avantageusement le mécanisme à doigt coulissant de la figure 2. Par ailleurs, le dispositif de la figure 3 comprend un parallélogramme 60 construit sur la biellette 42 et relié à un dispositif 62 fournissant un couple sinusoïdal par l'intermédiaire de trois parallélogrammes déformables 64, 66 et 68 libres en rotation par rapport aux bras 12 et 14. Le parallélogramme 60 comporte une biellette 72 qui est parallèle à la biellette 42. I1 en résulte que le dispositif 62 fournit à un point 70 de la biellette 72 une force constante, indépendante du déplacement, et égale au couple maximal du dispositif 62, diminué du couple ramené par le poids des éléments des parallélogrammes 60, 64, 66 et 68 et le poids de divers systèmes ou outillages embarqués. Le dispositif 62 forme ainsi des troisièmes moyens d'équilibrage en plus des premiers et deuxièmes moyens d'équilibrage que fournit le dispositif 18. I1 est à noter que le parallélogramme 64 n'est pas obligatoire et qu'il peut être supprimé à condition que l'axe de sortie du dispositif 62 soit coaxial avec l'axe de sortie 20 de l'équilibreur 18. Pour des raisons de légèreté des structures, il peut être avantageux de faire travailler les bielles qui composent les différents parallélogrammes précités à la traction, et non pas à la compression. A titre d'exemple, le parallélogramme 60 peut supporter les archets 76 et 78 d'un pantographe ferroviaire articulé sur l'extrémité 70 de la biellette 72 et permettant leur contact avec une caténaire 74, et cela même si la caténaire n'est pas parfaitement horizontale. L'ajout de ce montage actionné par le dispositif d'équilibrage 62 permet une bande passante très élevée (temps de réponse très court) sur une petite course en limitant les masses en mouvement. Ainsi, pour une application à un pantographe de captage de courant sur une motrice ferroviaire, le dispositif d'équilibrage 18 peut être utilisé pour des vitesses lentes et moyennes où la hauteur de la caténaire varie avec une grande amplitude, alors que le dispositif d'équilibrage 62 peut être utilisé pour des grandes vitesses où la hauteur de la caténaire varie avec une faible amplitu- de, mais très rapidement. I1 est possible que le dispositif d'équilibrage 18 fonctionne parfaitement à grande vitesse et que le dispositif d'équilibrage 62 ne soit pas nécessaire, notamment si les éléments du pantographe sont réalisés en un matériau léger et s'il n'existe pas de problèmes de lubrification. I1 est à noter que la variation de la charge ou de l'effort désiré à l'extrémité 26 (figure 1) peut être obtenue, outre à l'aide de la motorisation 40, par le déplacement d'une charge le long de l'un des bras 12 et 14. Ce déplacement peut se faire de manière manuelle ou motorisée. Il permet de modifier le couple mécanique lié au poids des éléments mobiles et ramené au dispositif 18. on comprendra que l'objet de l'invention possède de multiples applications, notamment pour des manipulateurs, dispositifs de transfert, pantographes ferroviaires, etc. Les moyens d'équilibrage du dispositif de l'invention font avantageusement appel à un équilibreur du type décrit par le brevet français 88 02 423 précité. Bien entendu, il est possible d'utiliser d'autres moyens d'équilibrage, à partir du moment où ceux-ci possèdent une bande passante élevée. Revendications 1. Dispositif d'équilibrage d'une force, du type comprenant un mécanisme articulé (10) formé d'un bras proximal (12) porté par un support et calé sur un premier axe de rotation (20) et d'un bras distal (14) porté par le bras proximal et calé sur un deuxième axe de rotation (24) qui s'étend parallèlement au premier axe, le bras distal ayant une extrémité libre (26) portant une charge (F), caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens d'équilibrage (18, 20) à forte bande passante agissant sur le bras proximal (12), des seconds moyens d'équilibrage (18, 22) à forte bande passante agissant sur le bras distal (14), ainsi que des moyens de coordination interposés entre les premiers moyens d'équilibrage et les seconds moyens d'équilibrage pour coordonner les mouvements de rotation respectifs du bras proximal et du bras distal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un équilibreur (18) propre à procurer un couple mécanique sinusoïdal et ayant deux axes de sortie (20, 22) qui ont des vitesses de rotation synchronisées mais de sens opposés, et en ce que ces axes de sortie (20, 22) sont liés en rotation respectivement avec le premier axe de rotation (20) du bras proximal (12) et avec le deuxième axe de rotation (24) du bras distal (14). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un (20) des deux axes de sortie constitue l'axe de rotation du bras proximal (12), tandis que l'autre axe de sortie (22) est couplée à l'axe de rotation (24) du bras distal (14) par des moyens de transmission, en particulier des moyens ayant au moins un parallélogramme déformable. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bras proximal (12) et le bras distal (14) ont une même longueur (L). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une motorisation additionnelle (40) formée d'au moins un actionneur couplé à au moins un organe mobile (34) du dispositif. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que cette motorisation additionnelle (40) est propre à déplacer le mécanisme articulé (10) de l'une à l'autre de deux positions qui comprennent une position de service et une position de rangement. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'un au moins des premiers moyens d'équilibrage (18, 20) et des seconds moyens d'équilibrage (18, 22) comprend des moyens de réglage propres à faire varier la charge (F) appliquée à l'extrémité libre (26) du bras distal (14). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent une masse déplaçable sur le bras proximal (12) ou le bras distal (14). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une motorisation additionnelle (40) commandée par un capteur d'effort placé en un endroit choisi pour permettre soit d'assister un opérateur dans le cas d'un déplacement manuel, soit d'assurer une force constante sur un organe donné. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'extrémité libre (26) du bras distal (14) porte les archets (76, 78) d'un pantographe propre à capter l'énergie électrique d'une caténaire (74) en sorte que la charge est ici formée par la pression qu'exerce les archets sur la caténaire. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'extrémité libre (26) du bras distal (14) porte un mécanisme à parallélogramme (60), indépendant du mécanisme articulé (10), équilibré par des troisièmes moyens d'équilibrage (62) dotés d'une bande passante plus élevée que les premiers et deuxièmes moyens d'équilibrage, et portant la charge (F).