Brevet FR2836851A1 — publié le 20030912

POIGNET DE BRAS DE COMMANDE A DEUX BRANCHES PARALLELES DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un poignet de bras de commande à deux branches parallèles. Les bras de commande appartiennent au domaine des bras articulés, utilisés abondamment en robotique, en télémanipulation et dans d'autres domaines, mais ils présentent la particularité de comprendre un élément de poignet destiné à être tenu par un opérateur qui déplace le bras. Ils sont de complexités diverses en fonction du nombre de fonctions qu'ils permettent de commander. A chaque fonction est associé un degré de liberté du bras, dont les déplacements sont convertis en commandes de ladite fonction. Les bras les plus répandus sont composés de tronçons mutuellement articulés, et les degrés de liberté correspondent aux articulations. Beaucoup comprennent une branche unique, ce qui signifie que les tronçons se succèdent en un seul enchaînement. Comme toutefois ces bras deviennent' malaisés à manipuler quand le nombre de degrés de liberté est important, des bras à plusieurs branches existent encore. L'un d'eux est décrit à la figure 1, tirée de l'article d'Iwata intitulé"Pen-based haptic virtual environnement"paru dans Proceedings of the virtual reality annual international symposium, US, New York, IEEE, volume SYMP 1,18 septembre 1993, aux pages 287 à 292 et qu'on tient pour l'art antérieur le plus proche de cette invention. Le bras comprend deux branches 1 et 2 réunies par un poignet 3. Chacune des branches 1 et 2 comprend, après une embase fixe 4, une première articulation 5 qui est une articulation de pivotement, un premier tronçon 6, une deuxième articulation 7 qui et une articulation de rotation, un deuxième tronçon 8, une troisième articulation 9 qui est une autre articulation de rotation et un troisième tronçon 10. Une articulation de pivotement a un axe colinéaire aux tronçons qu'elle unit, et une articulation de rotation a un axe perpendiculaire aux tronçons. Les tronçons 6,8 et 10 réunis entre eux par les deuxième et troisième articulations 7 et 9 et à l'embase fixe 4 par la première articulation 5 forment une branche à trois degrés de liberté, puisque l'extrémité distale du troisième tronçon 10 peut être placée à un point quelconque du plan défini par les deuxième et troisième tronçons 8 et 10 (dans les limites d'un domaine de travail) en faisant tourner les articulations 7 et 9, et que la direction de ce plan peut être choisie à volonté en faisant tourner le premier tronçon 6 autour de la première articulation 5. Les axes des deuxième et troisième articulations 7 et 9sont parallèles entre eux et perpendiculaires à celui de la première articulation 5 pour chacune des branches 1 et 2. Les articulations 5,7 et 9 sont toutes pourvues de moteurs dits à retour d'effort qui les maintiennent à la position imposée par l'utilisateur tout en exerçant une résistance aux mouvements de commande qui rend celle-ci plus confortable et souvent plus réaliste, notamment en télémanipulation où des objets sont saisis ou déplacés par un bras esclave commandé par le bras de commande et où on cherche à simuler l'effort correspondant dans le bras de commande. Ces moteurs peuvent être placés sur les articulations elles-mêmes, ou, de préférence, sur l'embase fixe 4 afin d'alléger le branches 1 et 2. Des transmissions pouvant comprendre des câbles tendus sur des poulies ou des structures en parallélogramme des tronçons 6 et 8 sont alors installées pour transmettre l'action des moteurs aux articulations 5,7, et 9 concernées. Cela est connu dans l'art et a fait l'objet d'un bon nombre de brevets, si bien qu'il n'en sera pas fait plus mention ici. Le poignet 3 comprend pour l'essentiel une tige 11 double formée de deux parties de longueurs inégales, dont un manche 12, tenu par la main de l'opérateur, et un capuchon 13, engagé autour d'une extrémité 1 du manche 12 et relié à lui par un système à vis composé d'un ergot 14 établi sur le manche 12 et d'une rainure hélicoïdale 15 creusée à travers le capuchon 13 et dans laquelle l'ergot 14 peut coulisser. Ce poignet particulier a sciemment reçu la forme d'unstylo, puisque cet objet est facile à manier et qu'une commande en fonction de la position et de l'orientation de la pointe d'un stylo est commode. De plus, le manche 12 est lié à la branche 1 par un joint 16 composé de deux articulations extrêmes de pivotement 17 et 18 et d'une articulation de rotation 19 liant les précédentes ; et le capuchon 13 est lié à l'autre branche 2 par un deuxième joint 20 composé d'une articulation de pivotement 21 et d'une articulation de rotation 22. Les articulations de rotation 17 et 21 sont au bout des troisièmes tronçons 10 et leurs axes de pivotement colinéaires à eux ; l'articulation de pivotement 18 est au bout du manche 12 et d'axe de rotation colinéaire à lui ; et les articulations de rotation 19 et 22 ont des axes respectivement perpendiculaires au manche 12 et au capuchon 13, ainsi qu'au troisième tronçon 10 qui leur est proche. L'opérateur ayant saisi le manche 12 le déplace dans l'espace pour commander le bras. Ce bras possède au total six degrés de liberté, puisque chacune des branches 1 et 2 en comprend trois et le poignet 3 en comprend un (la vis), mais qu'un degré de liberté doit être soustrait de ce total puisque le poignet 3 unit les deux branches 1 et 2. Ces degrés de liberté peuvent être perçus par l'opérateur séparément en déplaçant la pointe du stylo (au joint 16) à un point de l'espace, puis en basculant le stylo autour de deux axes de rotation, et enfin en faisant pivoter le manche 12 dans le capuchon 13. Tout mouvement du bras par l'opérateur est transmis aux articulation 5,7, et 9 et mesuré par des' codeurs d'angles (potentiomètres) associés aux moteurs de retour d'effort retenant ces articulation 5,7 et 9 ; la combinaison de ces mesures exprime la commande que l'opérateur veut donner. Il convient de préciser que ce système est vu comme un perfectionnement d'autres plus courants, tels que celui de la figure 2, dont les branches 1 et 2 du bras sont inchangés mais dont le poignet comprend une pièce simple de poignée 23, reliée aux branches 1 et 2 par le joint 16 et un joint 24 identique au joint 16 ; les articulations 18 des joints 16 et 24 qui aboutissent à la poignée 23 sont coaxiales et lui permettent ainsi de pivoter librement. Le sixième degré de liberté qu'est le pivotement de la poignée est alors complètement découplé des autres, ce qui oblige à disposer un septième moteur de retour d'effort sur une des articulations 18 si on veut l'exploiter. On pourrait penser qu'un des six moteurs aux articulations 5,7 et 9 est devenu superflu, mais aucun n'est pourtant supprimé dans les bras existants puisqu'il a été constaté que des états singuliers du bras, c'est-à-dire des états qu'on ne peut pas atteindre ou qu'on ne peut atteindre qu'avec des mouvements indéterminés incapables d'engendrer une commande correcte, surgissaient beaucoup plus facilement. Un avantage du système de la figure 1 est donc d'exploiter les six degrés de liberté du bras sans devoir ajouter un septième moteur alourdissant, d'autant plus qu'il doit être placé sur le poignet, où il exerce un plus grand moment de flexion. Desinconvénients sont pourtant présents en raison des variations de longueur qu'induit le mécanisme à vis dans la tige 11. Si la tige 11 devient courte, ses basculements ne produisent que peu de mouvement aux articulations 5,7 et 9 et la commande est imprécise ; si elle devient longue, les états extrêmes du bras seront plus facilement atteints et le domaine de fonctionnement sera réduit. De plus, les couples de retour d'effort que les moteurs doivent exercer varient avec la longueur du poignet, obligeant à les choisir plus puissants à titre de précaution. Ces inconvénients sont inhérents au mécanisme à vis. Il est évident qu'une inclinaison plus forte de l'hélice de la fente 15 du capuchon 13 permettrait de moins faire varier la longueur du poignet 3 pour une même rotation du manche 12, mais on n'en retirerait aucun bénéfice puisque cette rotation serait plus difficile à percevoir par les moteurs aux articulations 5,7 et 9 ; et une inclinaison trop forte de vis lui ferait perdre son irréversibilité, ce qui laisserait le manche 12 libre de pivoter et obligerait à la retenir par un moteur supplémentaire de retour d'effort pour exploiter son degré de liberté : on retomberait dans la situation de la figure 1. L'objet fondamental de l'invention est donc de proposer un poignet pour bras de robot qui comprenne un degré de liberté sans que le moteur de retour d'effort associé soit placé sur lui, mais qui se distingue du système de la figure 1 en ce que la longueur du poignet est moins susceptible de varier, les disproportions entre les degrés de liberté de translation et de basculement sont moins susceptibles d'apparaître, et les manipulations pour exploiter le degré de liberté au poignet sont plus aisées. Sous sa forme la plus générale, une définition de l'invention est un poignet pour un bras de commande, comprenant deux branches montées en parallèle entre une embase commune et des extrémités opposées d'un poignet saisi par un opérateur, le poignet comprenant deux moitiés mobiles entre elles mais unies par une liaison, et les moitiés mobiles comprenant des tiges concourantes, caractérisé en ce que la liaison est agencée pour autoriser un mouvement mutuel dépourvu de pivotement aux tiges. Le mouvement de pivotement de la poignée saisie par l'opérateur, présent dans la réalisation de la figure 1 dans celle de la figure 2, est en effet apparu comme une cause de leurs diverses insuffisances. Il est remplacé par des mouvements de translation ou de rotation articulée entres les tiges qui permettent d'exploiter plus facilement le degré de liberté au poignet sans y ajouter de moteur de retour d'effort ni produire de variations considérables de longueur du poignet pour faire ressentir la commande. Enfin, la manipulation du poignet est plus aisée. L'invention sera décrite au moyen des figures suivantes : les figures 1 et 2, déjà décrites, dépeignent de façon schématique deux organes de commande de l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue d'une première' réalisation de l'invention ; - et les figures 4 et 5 sont des vues plus fonctionnelles de poignets de deux réalisations de l'invention, dont celle de la figure 3. On passe au commentaire de la figure 3. L'organe de commande représenté est un bras à deux branches portant les références 31 et 32, à trois degrés de liberté, du genre des branches 1 et 2 déjà rencontrées. Chacune comprend une embase 33 fixe, un premier tronçon 34 vertical retenu par un premier moteur 35, un deuxième tronçon 36 monté sur le premier tronçon 34 par une première articulation de rotation 37 et un troisième tronçon 38 monté sur le deuxième tronçon 36 par une deuxième articulation de rotation 39. Un deuxième moteur 40 retient l'inclinaison du deuxième tronçon 36, et un troisième moteur 41 retient l'inclinaison du troisième tronçon 38. Les moteurs 35, 40 et 41 sont de préférence montés sur l'embase 33 ou sur un support auxiliaire dépendant du premier tronçon 34, ou distribués entre les deux, afin de ne pas exercer de moment fléchissant sur les branches 31 et 32 par un porte-à-faux. Ils sont reliés aux articulations qu'ils retiennent par des transmissions de genres connus comprenant des courroies crantées, des engrenages, des câbles tendus ou d'autres moyens. La description de cet appareillage ne sera pas faite en détail ici puisque plusieurs réalisations de tels bras à deux branches parallèles sont connues et que l'invention porte plutôt sur le poignet. On a simplement illustré une courroie 42, tendue entre deux poulies d'axes identiques à ceux des articulations des rotation 37 et 39, qui appartient à la transmission reliant le troisième moteur 41 au troisième tronçon 38. Les articulations 37 et 39 ont des axes horizontaux et parallèles. Le premier tronçon 34 pivote sur l'embase 33 par une articulation de pivotement non représentée, d'axe vertical et d'un genre connu pouvant consister en un palier de roulement disposé entre deux arbres concentriques, l'un appartenant à l'embase 33 et l'autre au premier tronçon 34. Le poignet unissant les extrémités libres des deux branches 31 et 32 porte la référence 43 ; il leur est relié par des joints 44 et 45 comprenant chacun deux articulations au moins, dont une articulation de pivotement 46 au bout du troisième tronçon 38 et une articulation de rotation 47. Le poignet est composé de deux moitiés symétriques dont chacune comprend, en succession, une tige 52 et une branche d'une poignée 53 inclinée par rapport à la tige 52. Les branches de poignée 53 sont unies entre elles, non loin des tiges 52, par une articulation 54 de rotation. L'utilisateur déplace le poignet 43 après avoir saisi les branches de poignée 53, et il commande le sixième degré de liberté en faisant tourner les moitiés du poignet autour de l'articulation 54, ce qui modifie la distance entre les branches 31 et 32 et produit ainsi un mouvement que les codeurs associés aux moteurs à retour d'effort 35,40 et 41 perçoivent et convertissent en une commande. On a mentionné que la variation de distance entre les branches 31 et 32 présentait des inconvénients ; mais la construction de la poignée 53 en un ciseau tenu d'une seule main limite l'amplitude du mouvement angulaire autour de l'articulation 54 et donc cette variation de distance. Le degré de liberté au poignet 43 n'offre qu'une commande rudimentaire, mais dont on se satisfera dans bien des applications : il sera aussi commode d'associer l'ouverture et la fermeture du ciseau à l'ouverture et la fermeture d'une pince dans le cas où le bras commande un bras esclave au bout duquel cette pince est fixée, car elle ne présente que deux états de service et sa position sur le bras est identique à celle du ciseau. Il est utile de remarquer que le poignet 43 est facile à saisir et à manipuler, sans exiger les contorsions de la main de l'opérateur nécessaires pour faire pivoter les poignets connus. Il n'est pas non plus besoin de placer de moteur à retour d'effort sur le poignet 43, sauf si un septième degré de liberté doit être exploité. On motorise alors, comme la figure 4 le montre, des articulations de pivotement 55 sur les tiges 52 afin de permettre un retour d'effort sur ces articulations. Un moteur de retour d'effort 56 muni d'une transmission à engrenage 57 (ou tout autre moyen de transmission, notamment à câble) peut être installé sur une des articulations 55, le moteur 56 étant fixé à un des côtés de la tige 52 et la transmission 57 le reliant au côté de la tige 52 par-delà l'articulation 55 (le moteur 56 peut également être placé en base ou à distance, moyennant l'utilisation de transmissions adaptées). On notera que la figure 4 illustre un mode de réalisation très simple. On pourrait sans sortir du cadre de l'invention utiliser tout type de mécanisme classiquement utilisé sur les pinces de robot et permettant, notamment grâce à des mécanismes de type parallèlogramme, de maintenir parallèles les deux parties des poignées 53 saisies par l'opérateur. Ces modes de réalisation plus complexes nécessitant la réalisation des poignées 53 en plusieurs parties font partie de règles de l'art utilisées pour les pinces de robot et ne seront pas décrits plus avant ici. Les mouvements de pivotement imposés aux tiges 52 peuvent alors être enregistrés par un codeur (non représenté). On peut considérer que les joints 44 et 45 reliant les tiges 52 aux troisièmes tronçons 38 comprennent trois articulations. Il est aussi possible de n'utiliser que les articulations 55 sans le moteur 56 pour profiter d'une plus grande souplesse du système sans exploiter le mouvement du septième degré de liberté. La figure 5 représente un mode de réalisation différent, le poignet 43 est remplacé par un poignet 59 dont les moitiés comprennent une tige 61 ou 62 terminée par une branche de poignée 63 perpendiculaire ; mais ici les tiges 61 et 62 coulissent l'une dans l'autre et les poignées 63 demeurent parallèles entre elles. Le fonctionnement à glissière de ce mode de réalisation est à peu près le même que celui du précédent, les moitiés du poignet 59 étant encore reliées aux troisièmes tronçons 38 par des' joints semblables aux joints 44 et 45 à deux ou trois articulations, et à moteur optionnel dans ce dernier cas. On retrouve les mêmes avantages, avec peut- être une meilleure sûreté de commande provenant du guidage mutuel des tiges 61 et 62, coaxiales au lieu d'être simplement concourantes comme les tiges 52. L'invention peut être appliquée à d'autres bras que celui qui a été illustré aux figures 1 et 3 : le nombre de degré de liberté de tronçons et l'agencement des articulations sur les branches peuvent ainsi être différents. Des branches aux tronçons non articulés, présentant par exemple des glissières ou des câbles tendus, peuvent aussi être envisagées conformément aux enseignements de l'art connu. Il serait encore possible d'adjoindre à l'invention le système décrit dans le brevet français 2 809 047 et qui consiste en des mécanismes articulés appelés portepoignet, disposés entre le poignet et les derniers tronçons des branches, et soutenus par des transmissions inertes menant à l'embase fixe pour maintenir le poignet à une orientation constante. REVENDICATIONS 1) Poignet pour un bras de commande comprenant deux branches (31,32) montées en parallèle entre une embase (33) commune et des extrémités opposées du poignet, le poignet comprenant deux moitiés mobiles entre elles mais unies par une liaison et les moitiés comprenant des tiges (52,61, 62) concourantes, caractérisé en ce que la liaison est agencée pour autoriser un mouvement mutuel dépourvu de pivotement aux tiges. 2) Poignet selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison comprend une glissière, les tiges (61,62) étant coaxiales, engagées l'une dans l'autre et munies de poignées (63) de préhension. 3) Poignet selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison comprend une articulation faisant varier l'angle des tiges, les tiges étant munies de poignées (53) de préhensionporteuses de ladite articulation (54). 4) Bras de commande porteur d'un poignet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les branches ont chacune trois tronçons (34,36, 38) articulés entre eux et à l'embase, et le poignet est raccordé aux branches (31, 32) par deux joints (44,45) comprenant au moins deux articulations.