Brevet FR2835068A1 — publié le 20030725

précédentes. ORGANE DE COMMANDE A TROIS BRANCHES PARA[LELES DESCRIPTION invention concerne un organe de commande trois branches parallbles. Les organes de commande sont destinAs des procds varis comme la tAlAmanipulation, la tlAchicurgie, les jeux, ou la commande d'autres engins en enregistrant et communiquant des mouvements que l'opArateur leur fait subir. eurs structures comportent un nombre variable de degrs de libertd qui permettent de commander un nombre Agal de fonctions de l'engin. On connalt diffrents genres de structures d'organes de co ande, mais la plus rApandue comprend des enchainements de trongons mutuellement articuls entre une embase gAndralement fixe et une poignde tenue par l'opArateur. Ces enchalnements portent le nom de branches. On rencontre souvent une branche unique, et 1'organe de commande est alors un bras articulA ou "bras sArie", nAcessitant, pour obtenir un grand nombre de degrs de libert@, soit un nombre important de moteurs embarqus au niveau des diffArentes articulations, soit des transmissions complexes si les moteurs sont placAs proximitd de la base. Dans tous les cas, le montage est ncessairement complexe. On connalt aussi des organes deux ou trois branches montes en parallble entre l'embase et la poignde qui permettent d'obtenir un grand nombre de degrds de libertd tout en conservant des branches simples. Les branches convergent alors vers une plate-forme porteuse B13979.3/JCI de la poignde et sont relibes elle par des articulations doubles (joints universels ou de cardan) ou triple (roLules). Plusieurs cuails doivent Atre Avits par le concepteur d'un organe de commande de ce genre: il est indiqud d'@viter les configurations qu'on ne peut pas atteindre ou qu'on atteint par un mouvement indtermind, incapable d'engendrer une commande correcte; les configurations du premier genre correspondent souvent des collisions entre les tronons des branches, et celles du second genre des singularits cinmatiques provenant par exemple de couplages entre les mouvements des articulations. I1 est encore prAfrable de limiter la complexitd mcanique de la structure. Enfin, il est avantageux que les moteurs dits de retour d'effort, qui sont ncessaires pour retenir les articulations l'Atat oL elles ont Atd portes par l'oprateur et pour opposer une rsistance aux dAplacements qui rend la commande plus agrdable, soient monts sur l'embase plutt que sur les branches mobiles, puisque leur volume rend les collisions plus probables et que leur poids doit tre soutenu par des branches de section suffisante pour lui rsister et donc plus lourdes. De plus, les mouvements des branches peuvent faire varier les efforts de flexion qu'exercent les moteurs par leur poLte--faux et donc les conditions d'@quilibre de l'organe. I1 est manifeste que ces conditions ne peuvent Ate pas Atre remplies simultanAment et qu'il n'existe pas de structure iddale pour un organe de commande comportant par exemple six degrds de libertd B1397g.3/JCI et trois branches parallèles. C'est ainsi qu'il existe un organe de ce genre dont les six moteurs associés aux six degrés de liberté sont tous montés sur l'embase, mais les trois branches sont reliées à l'embase par des articulations doubles, qui imposent, outre une plus grande complexité de réalisation et de réglage que les articulations simples, des couplages des mouvements qui nuisent à l'efficacité de la transmission des efforts. Une source bibliographique est l' article "Kinematic analysis of a novel 6-DOF parallel manipulator" par Cleary et Brooks, IEEE, 1050-4729, 1993, pp.708 à 713. Dans plusieurs autres organes de commande, certains troncons sont dédoublés en parallélogramme ou en pantographe. Au lieu de devoir disposer des moteurs aux deux articulations des extrémités de ces troncons, les moteurs peuvent être placés sur deux sommets inférieurs du parallélogramme ou du pantographe afin dexercer un porte-à-faux moins important, mais ces moteurs sont alors tous mobiles et le dédoublement du troncon n'est pas excellent. Un exemple est l'organe développé par Iwata et appelé "Haptic Master",décrit dans Internet au site de Tsukuba (http://intron.kz.tsukuba.ac.jp/HM/txt.html); et d'autres sont donnés dans l' article "A 6-DOF force reflecting hand controller using the fivebar parallel mechanism", par Woo, Jin et Kwon, Proceedings of the IEEE, International Conférence on Robotics & Automation, Louvain, Belgique, mai 1998, pp. 1597-1601. L'organe de commande conforme à l' invention est caractérisé par une grande simplicité de structure jointe à un petit nombre de moteurs B13979.3/JCI mobiles. De plus, les moteurs mobiles ne sont pas placés de façon défavorable, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas susceptible de produire un porte-à-faux variable et important ni d'entrer facilement en collision avec d'autres parties de l'organe. Pour résumer, l'organe de commande conforme à l'invention, et qui comprend trois branches parallèles reliant une embase à une plate-forme porteuse d'une poignée (ou tout autre moyen de préhension), est caractérisé en ce que les branches se composent de trois tronçons, dont un premier tronçon joint à l'embase par une première articulation qui est une articulation de pivotement du premier tronçon autour de lui-même, un deuxième tronçon joint au premier tronçon par une deuxième articulation qui est une articulation de rotation pour modifier un angle que font le premier tronçon et le deuxième tronçon, un troisième tronçon joint à la plate-forme par une roLule et au deuxième tronçon par une troisième articulation qui est une articulation de rotation pour modifier un angle que font le deuxième tronçon et le troisième tronçon, et en ce que les branches comprennent seulement deux moteurs de retour d'effort, dont un premier moteur fixé sur l'embase et mesurant des pivotements du premier tronçon et un second moteur placé sur la deuxième articulation et mesurant les rotations entre le premier tronçon et le deuxième tronçon. Le détail des avantages obtenus sera décrit par la suite. On peut cependant déjà aj outer que les singularités cinématiques seront fortement réduites en B13979.3/JCI s implantant les premiers trongons sur l'embase dans des directions divergentes et, de prAf6rence, une inclinaison de 40 environ sur la verticale (ou, plus gndralement, sur une normale au plan passant par les trois points d' implantation des premiers trongons). La valeur de 40c n'est qu'approximative, il n'existe pas de limite nette d'inclinaison qu'on prAconise d' adopter, et il a td simplement constat que les singularits taient sensiblement moins probables vers cette valeur. invention sera maintenant dAcrite en rf@rence aux figures, dont la figure 1 est une vue gnArale de l' invention et les figures 2 et 3 illustrent un mode de rdalisation favori ainsi que le dAtail des moteurs de retour d' effort et des articulations des trongons. On se reporte la figure 1. Une embase porte la rAfArence 1 et l'organe comprend pincipalement trois branches semblables, toutes rAfrences par 2 et composes de trois trongons articulAs entre l'embase 1 et une plateforme 3, laquelle est fixe une poignde 4 saisie par 1'op6rateur; la plateforme 3 peut Atre plate comme il est courant, ou, comme ici, en forme de boule. Chacune des branches 2 comprend un premier trongon 5 articuld l'embase 1, un troisiAme trongon 7 articulA la Flate- forme 3, et un deuxiAme trongon 6 articulA aux deux prcdents. Les branches 2 comprennent encore une premire articulation 8 entre l'embase 1 et le premier trongon 5, une deuxiAme articulation 9 entre les premier et deuxiAme trongons 5 et 6, une troisime B13979.3/JCI articulation 10 entre les deuxime et troisime 6 et 7, et une articulation de rotule 11 entre le troisime tongon 7 et la plate-forme 3. La premibre articulation 8 est une articulation de pivotement, c'est--dire que son axe est colindaire au premier trongon 5, qui peut donc tourner autour de lui-mme sur l'embase 1; les deuxime et troisiAme articulations 9 et 10 sont des articulations de rotation, qui permettent de changer les angles que font les trongons menant elles, savoir le deuxiAme trongon 6 et, respectivement, le premier trongon 5 et le troisime tronon 7. Dans cette rdalisation, les axes de ces articulations de rotations sont donc perpendiculaires aux trongons qu'elles relient, et de plus, ils sont parallles entre eux. Dans d'autres ralisations, cela ne serait pas nAcessairement le cas. On s'aperoit que la plate-forme 3 peut Atre dAplace suivant les trois degrds de libert usuels de translation dans l'espace et de rotation autour de trois axes distincts, par des mouvements se rApercutant dans les branches 2 sans que celles-ci s'y opposent. Les six degrs de libertd de 1'organe de commande sont donc obtenus. On se reporte maintenant aux figures 2 et 3, oU par souci de clart la plate-forme et la poigne n'ont pas t reprdsentes, qui reprdsentent une rdalisation lgrement diffArente oL les premiers trongons 5 ne sont pas parallbles entre eux et verticaux par rapport une embase 1 plane et horizontale, mais sont inclinds dans des directions divergentes en faisant un angle d' environ 40 par rapport la normale de l'embase 1. Cette disposition sll979.3/3CI permet d'6carter les troisiAmes trongons 7, qui taient rapprochAs dans la ralisation prAcdente, et donc de rduire les risques de collisions entre ces troisiAmes trongons 7, et aussi de dAplacer les singularits cinmatiques en dehors de l'espace de travail utile. L'embase 1 comprend alors des socles 12 inclinds sur lesquels les premiers trongons 5 sont monts par l'intermdiaire d'un roulement 13 qui matrialise la premibre articulation 8. Le pied des premiers trongons 5 porte une poulie 14 autour de laquelle une courroie est tendue; l'autre extrdmitd de la courroie 15 est tendue autour de l'arbre d'un moteur 16 Agalement fix au socle 12 et qui comprend un codeur 17 mesurant les mouvements de rotation de l'arbre. Un dispositif de ce genre constitue un moyen de retour d' effort par lequel le moteur 16 maintient le trongon 5 au repos l'@tat qu'il a atteint grAce sa rdsistance l'arrAt; mais quand un mouvement est impos au premier trongon 5, le codeur 17 1'enregistre et permet de commander 1'engin non reprdsentd qui dpend de 1'organe de commande. Ce moteur 16 est fize puisque lid l'embase 1, ce qui est avantageux pour les raisons mentionnes. On notera que pour actionner la partie 14, tout autre moyen quivalent peut tre utilis (engrenage, cAble, etc.). Les articulations de rotation 9 et 10 sont matArialises chacune par un axe 20 soutenu par une chape 21 fixe l'un des trongons que l' articulation relie, et l'autre des trongons est fix l'axe 20. L'axe 20, fix au deuxiAme trongon 6 dans la deuxiAme articulation 9, est articuld la chape 21 fixe au premier trongon 5 par les roulements 22. La chape 21 sl3979.3/JCX porte un moteur 23, et l'axe 20 porte une poulie 24. Une courroie 25, ou tout autre moyen de transmission, est tendue entre la poulie 24 et l'arbre du moteur 23, et un codeur 26 mesure les mouvements de l'arbre du moteur 23. Il s'agit d'un dispositif de retour d' effort semblable au précédent. Les mouvements de rotation du deuxième tronçon 6 par rapport au premier tronçon 5 sont enregistrés par le codeur 26, et le moteur 23 soutient le deuxième tronçon 6 à la position qu'il a atteinte. La troisième articulation 10 est analogue par sa structure à la deuxième articulation 9, mais elle est plus petite puisqu'elle ne comporte pas de moteur de retour d'effort: elle est libre et passive, tout comme la roLule 11. Ainsi, le moteur 23 de retour d' effort n'est pas fixé à l'embase, mais il ne fait qu'accompagner les mouvements de pivotement du premier tronçon 5 et se déplace donc peu, ce qui réduit les déséquilibres et les risques de collision qu'il est susceptible de produire presque autant que s'il avait été fixé à l'embase. On remarquera que les tronçons 5, 6 et 7 sont simples, c'est-à-dire qu'ils ne comprennent pas de parallélogramme ni de pantographe. B13979.3/JCI REVENDICATIONS 1) Organe de commande à trois branches parallèles (2) reliant une embase (1) à une plate-forme (3) porteuse d'un moyen de préhension tel qu'une poignée (4), caractérisé en ce que les branches se composent de trois tronçons (5, 6, 7), dont un premier tronçon (5) joint à l'embase par une première articulation (8) qui est une articulation de piotement du premier tronçon autour de lui-même, un deuxième tronçon (6) joint au premier tronçon (5) par une deuxième articulation (9) qui est une articulation de rotation pour modifier un angle entre le premier tronçon et le deuxième tronçon, un troisième tronçon (7) joint à la plate-forme (3) par une roLule (11) et au deuxième tronçon (6) par une troisième articulation (10) qui est une articulation de rotation pour modifier un angle entre le deuxième tronçon et le troisième tronçon, et en ce que les branches comprennent seulement deux moteurs (16, 23) de retour d'effort, dont un premier moteur (16) fixé sur l'embase (1, 12) et mesurant des pivotements du premier tronçon (5) et un second moteur (23) placé sur la deuxième articulation (6) et mesurant des rotations entre le premier tronçon et le deuxième tronçon. 2) Organe de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers tronçons (5) sont implantés sur l'embase (1, 12) dans des directions divergentes. B13979. 3/JCI 3) Organe de commande suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers tron,cons (5) sont implantés sur l'embase (1, 12) suivant une inclinaison de 40 environ par rapport à une normale de l'embase.