Brevet FR2862899A1 — publié le 20050603

La présente invention concerne une articulation de robot, un procédé de commande de cette articulation, ainsi qu'un robot comprenant au moins une telle articulation. De façon classique, un robot comprend un socle ainsi que différents organes mécaniques, fixes ou mobiles, qui sont articulés deux à deux. L'invention vise plus particulièrement une articulation, équipant un tel robot, qui fait appel à une roue dentée associée à une vis sans fin. Dans cette optique, la roue et la vis sont solidaires respectivement de deux organes mécaniques de ce robot. Il est par ailleurs prévu un moteur électrique, qui entraîne en général la vis sans fin de façon directe, ce qui assure la mise en mouvement correspondante de la roue dentée. Cet ensemble vis sans fin et roue dentée présente un avantage notable, en ce sens qu'il permet un fort taux de réduction pour un faible encombrement, un faible poids et un coût réduit. Il ne fonctionne cependant pas en régime hydrodynamique, correspondant à l'existence d'un film d'huile entre les pièces, mais en mode de glissement visqueux. Par conséquent, il possède une réversibilité faible, voire nulle, qui est inversement proportionnelle au frottement et au taux de réduction. Lors du démarrage, ce réducteur roue dentée et vis sans fin affecte un comportement de frottement sec, correspondant à un film d'huile coupé, qui engendre un phénomène de collage lors de l'application d'un couple moteur. De plus, ce type de réducteur requiert un jeu fonctionnel, qui doit être rattrapé de façon périodique du fait de l'usure. Dans l'application spécifique de ce réducteur à des articulations de robot, il doit être remédié de façon substantielle aux inconvénients évoqués ci-dessus. En effet, il est souhaitable que les articulations de robot soient réversibles, afin d'éviter toute casse mécanique lors de collisions, même à basse vitesse. Or, comme on l'a vu ci-dessus, il est difficile de conférer une réversibilité satisfaisante au réducteur formé de cette roue dentée et de cette vis sans fin. A cet égard, la réversibilité pourrait être améliorée, moyennant l'utilisation d'une huile plus visqueuse. Ceci serait cependant incompatible avec un rendement satisfaisant, à haute vitesse, et impliquerait des contraintes de conception pour la lubrification des paliers qui, quant à elle, requiert une huile de viscosité réduite. Enfin, il est à noter que, pour limiter le poids global de l'articulation, on fait appel à des moteurs rapides, dont la taille est restreinte et l'inertie faible. Il faut alors un fort taux de réduction, qui est en revanche incompatible avec une réversibilité satisfaisante. Ceci étant précisé, l'invention vise à s'affranchir, de façon substantielle, des différents inconvénients rencontrés dans l'art antérieur, en ce qui concerne l'utilisation d'un réducteur à roue dentée et vis sans fin dans une articulation de robot. Elle se propose plus particulièrement d'améliorer la réversibilité d'une telle articulation, afin d'augmenter le rendement, de diminuer l'usure et de limiter les dégâts mécaniques en cas de collision, tout en gardant un fort taux de réduction de façon à utiliser des moteurs rapides et légers, en vue d'une diminution correspondante du coût de l'ensemble de cette articulation. A cet effet, elle a pour objet une articulation de robot, destinée à relier deux organes mécaniques de ce robot, cette articulation comprenant une liaison à vis sans fin et à roue dentée, dont chacune est solidaire d'un organe mécanique correspondant, ainsi que des moyens moteurs de mise en mouvement de ladite liaison, caractérisée en ce qu'il est en outre prévu des moyens de mise en vibrations de ladite liaison. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de mise en vibrations comprennent au moins un organe de mise en vibrations, dont une dimension principale est apte à varier sous l'effet d'une tension électrique appliquée aux bornes de cet organe; - le ou chaque organe est solidaire, à une première extrémité, d'une paroi appartenant à un carter de l'articulation, alors que l'autre extrémité de cet organe est apte à entrer en contact avec ladite vis sans fin ou ladite roue; - la dimension principale du ou de chaque organe 15 de mise en vibrations est perpendiculaire à un axe principal de la vis sans fin; - il est prévu deux organes de mise en vibrations, qui s'étendent de part et d'autre dudit axe principal de la vis sans fin; - la dimension principale du ou de chaque organe de mise en vibrations s'étend parallèlement à un axe principal de la vis sans fin; - le ou chaque organe de mise en vibrations est un actionneur piézoélectrique; - les moyens de mise en vibrations de la liaison comprennent un générateur à ultrasons - les moyens de mise en vibrations de la liaison comprennent lesdits moyens moteurs. L'invention a également pour objet un procédé de commande de l'articulation de robot tel que définie ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'actionnement des moyens de mise en vibrations. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'étape d'actionnement comprend une phase d'application d'une tension électrique aux bornes de l'organe de mise en vibrations - on applique une tension permanente à l'organe de mise en vibrations, de manière à repousser la vis sans fin contre la roue, et ainsi à les immobiliser mutuellement; - on exerce tout d'abord une précontrainte mécanique de la vis sans fin contre la roue, de manière à les immobiliser mutuellement, puis on applique une tension électrique aux bornes de l'organe de mise en vibrations, de manière à repousser la vis sans fin à l'opposé de la roue; - la phase d'application d'une tension aux bornes de l'organe de mise en vibrations comprend une étape d'application d'une tension variable aux bornes de cet organe, au moins lors du démarrage des moyens moteurs; - l'étape d'actionnement comprend une phase de mise en mouvement mutuel de la vis sans fin et de la roue, de manière à faire varier la dimension principale de l'organe de mise en vibrations, et on mesure en outre la tension aux bornes de cet organe de mise en vibrations, lors de ladite mise en mouvement, cette tension mesurée étant représentative du couple appliqué sur la roue dentée; - on émet un signal d'alerte, lorsque ladite tension mesurée sort d'une plage admissible prédéterminée de tension; - l'étape d'actionnement comprend une phase de mise en vibrations selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la vis et passant par l'axe de rotation de la roue; - l'étape d'actionnement comprend une phase de superposition d'un signal alternatif au signal de commande des moyens moteurs de l'articulation, ces moyens moteurs étant ainsi utilisés en tant que générateur de vibrations. L'invention a enfin pour objet un robot comprenant un contrôleur et au moins une articulation telle que définie ci-dessus. L'invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique, illustrant une articulation de robot conforme à l'invention; - la figure 2 est un graphe, illustrant la variation en fonction du temps de la distance entre la roue dentée et la vis sans fin de l'articulation de la figure 1; et - les figures 3 et 4 sont des vues analogues à la figure 1, illustrant deux variantes de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre une articulation de robot, qui comporte une vis sans fin 2, de type connu en soi, possédant un axe principal noté A. Celle-ci comprend un corps 21, à la périphérie duquel est réalisé un filetage 22, un axe mécanique 23 d'entraînement en rotation par un moteur 4, ainsi qu'une queue 24, prévue à l'opposé du moteur. L'articulation comporte également une roue dentée 6, également de type connu en soi, qui possède un axe principal noté A', perpendiculaire à celui A de la vis 2. La périphérie extérieure 61 de cette dernière est pourvue de dents représentées de façon schématique, qui sont propres à coopérer avec le filetage 22 précité, en vue de l'entraînement mutuel de la vis 2 et de la roue 6. Cette vis et cette roue sont par ailleurs respectivement solidaires de deux organes mécaniques, appartenant au robot. Il s'agit notamment de deux segments d'un bras non représenté, qu'il s'agit de mettre en mouvement relatif. Cette articulation est également munie d'un carter 8, qui comprend des parois axiales 81, s'étendant en regard de la vis 2, selon l'axe principal géométrique de rotation A de celle-ci. Ces parois 81 sont prolongées par des parois latérales 82, s'étendant au voisinage du moteur 4, qui sont percées d'un orifice dans lequel pénètre l'axe mécanique 23. Conformément à l'invention, un élément piézoélectrique 10 est intercalé entre les parois axiales 81 du carter 8 et les parois en regard de la queue 24 de la vis 2. Cet élément 10 possède un axe principal A", qui s'étend perpendiculairement à l'axe A de la vis, ainsi qu'à l'axe A' de la roue. De façon connue en soi, la longueur 1 de cet élément 10 est variable, en fonction de la tension électrique appliquée à ses bornes. Une première extrémité, supérieure sur la figure, de l'élément 10 est fixée sur les parois 81 du carter 8, par tout moyen approprié. Ainsi, cet élément 10 est par exemple reçu dans un alésage transversal, en référence à l'axe de la vis 2, qui est percé dans la paroi 81. L'autre extrémité, en l'occurrence inférieure sur le dessin, de cet élément 10 vient au contact de la queue 24 de la vis 2. Un tel contact peut être opéré, soit de façon directe, soit de façon indirecte moyennant par exemple l'utilisation d'une bague ou d'un palier. La mise en uvre de l'articulation de robot, décrite ci-dessus, va maintenant être explicitée dans ce qui suit, notamment en référence à la figure 2. Cette dernière illustre, en fonction du temps t, la distance d existant en service entre la vis 2 et la roue 6, au niveau du point de contact théorique P entre celles-ci. Il s'agit, dans un premier temps, d'actionner de façon électrique l'élément 10 en appliquant une tension permanente à ses bornes, de manière à augmenter sa longueur 1. Cette augmentation de longueur induit une contrainte mécanique au niveau de la queue 24, matérialisée par la flèche F de la figure 1, dirigée vers le bas. Par conséquent, ceci permet de plaquer la vis 2 contre la roue 6, de sorte que la distance d est nulle, ce qui correspond à la zone I de la figure 2. L'effort exercé sur la roue 6 par la vis 2, grâce à l'allongement permanent de l'élément 10, contribue donc à générer une fonction de freinage. Ceci autorise ainsi une solidarisation mutuelle satisfaisante entre cette vis 2 et cette roue 6, en position d'arrêt de l'articulation. Cette mesure est avantageuse, étant donné qu'elle permet de s'affranchir de l'utilisation, dans l'art antérieur, d'un frein électromécanique prévu à l'arrière du moteur, en vue d'assurer le freinage précité. Il est à noter que, en l'absence d'un élément spécifiquement dédié à cette fonction, un tel freinage n'est pas nécessairement assuré, du fait des vibrations de l'environnement qui peuvent mettre en mouvement mutuel la vis 2 et la roue 6. Puis, lorsque l'on supprime la tension appliquée aux bornes de l'élément 10, celui-ci se rétracte, de sorte qu'il n'exerce plus d'action mécanique sur la vis 2 et, par conséquent, sur la roue 6. La distance d, qui présente une valeur constante, correspond alors à un jeu normal entre la vis 2 et la roue 6, ce qui est matérialisé par la zone II sur la figure 2. A titre d'alternative, cette fonction de freinage peut être assurée sans actionner, dans un premier temps, l'élément piézoélectrique 10. Dans cette optique, il s'agit tout d'abord de précontraindre la vis contre la roue, par exemple par une précharge élastique entre la vis et la roue à l'état de repos, ce qui assure un blocage mutuel de celles-ci en l'absence d'autre contrainte extérieure. Puis, on actionne l'élément 10 en appliquant une tension à ses bornes, de manière à en augmenter la longueur. De la sorte, cet élément 10 repousse la vis 2 à l'opposé de la roue 6, de manière à supprimer la précontrainte précitée. Ceci contribue à créer un jeu fonctionnel, autorisant une mise en mouvement de la vis et de la roue avec un rendement mécanique satisfaisant. Il est à noter que, dans l'alternative décrite ci-dessus, l'élément piézoélectrique 10 est placé dans une position différente de celle illustrée à la figure 1. La zone III de cette figure 2 correspond à la mise en tension alternative de l'élément 10, à une fréquence donnée. Cette mise en tension s'accompagne d'une augmentation et d'une diminution périodiques de la longueur 1 de cet élément 10. Lorsque le moteur 4 est mis en marche, en même temps que l'on allonge et qu'on raccourcit l'élément piézoélectrique 10 dans la zone III, il se produit une variation du coefficient de frottement des surfaces en regard de la roue et de la vis. Cette mesure permet d'éliminer sensiblement tout phénomène de collage, au moment du démarrage du moteur, et d'améliorer la réversibilité de l'articulation, en fonctionnement normal. Cette zone III correspond à une phase motrice de l'élément 10, dans laquelle on envoie une tension à ses bornes, afin d'en faire varier la longueur. Il est également possible de tirer parti de cet élément 10, en tant que capteur. Dans ce dernier cas, qui correspond à la zone IV, l'élément 10 est actionné, de manière mécanique, sous l'effet du mouvement mutuel de la vis 2 et de la roue 6, qui contribue à faire varier la longueur 1 de cet élément 10. Il s'agit alors de mesurer la tension aux bornes de cet élément, étant donné que les variations de la contrainte, exercée par la vis 2 sur cet élément 10, engendrent des variations correspondantes de la tension aux bornes de ces dernier. Dans la zone IV de la figure 2, cet élément piézoélectrique est comprimé par le recul de la vis 2, ce qui permet de détecter un éventuel surcouple entre la roue et la vis, résultant par exemple d'un choc sur une partie du robot. La surtention correspondante, mesurée alors au niveau de l'élément 10, permet de stopper rapidement le robot de manière à éviter toute dégradation mécanique. La figure 3 illustre une première variante de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments mécaniques analogues à ceux de la figure 1 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés de 50. Le mode de réalisation de la figure 3 diffère de celui de la figure 1, en ce qu'il est prévu deux actionneurs piézoélectriques 60, 60'. L'élément 60 est fixé sur les parois axiales 581, alors que l'autre élément 60' est fixé au niveau de parois en regard 584, parallèles à celles 581. Les éléments 60 et 60' travaillent alors toujours en compression, ce qui est favorable à leur bon fonctionne-ment. La figure 4 illustre une seconde variante de l'invention. Sur cette figure, les éléments mécaniques analogues à ceux de la figure 1 y sont affectés des mêmes numéros de référence, augmentés de 100. Le mode de réalisation de la figure 4 diffère de celui de la figure 1, en ce que l'élément piézoélectrique 110 s'étend, non plus perpendiculairement, mais parallèlement à l'axe principal de la vis. Ainsi, la dimension principale, ou longueur l', de cet élément 110, qui est susceptible de varier en service, est parallèle à cet axe A. Cet élément 110 est fixé sur des parois latérales 1082, appartenant au carter 108 de l'articulation. Ce mode de réalisation est particulièrement bien adapté à l'obtention de la réversibilité, car la vibration s'effectue de façon directe dans le sens du jeu. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et 5 représentés. Ainsi, on peut générer les vibrations selon d'autres directions que celles décrites. On peut aussi changer le point d'application des vibrations pour les appliquer sur un autre élément du système, tel que le moteur 4, l'axe mécanique 23, la vis 2, la roue 6 ou encore le carter 8. En particulier, on peut appliquer les vibrations selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe A de la vis, et passant globalement par l'axe A' de la roue 6, à savoir selon la flèche F' à la figure 1. Ceci permet donc de repousser, lors de la mise en vibrations, certaines dents de la vis vers le fond d'un logement correspondant, délimité par deux dents adjacentes de la roue. Ceci contribue à réduire, voire à éliminer en service le jeu apparent existant entre cette roue et cette vis, ce qui améliore la précision globale du robot. Par ailleurs, les moyens de mise en vibrations de l'articulation peuvent être différents de l'actionneur piézoélectrique décrit ci-dessus. On peut tout d'abord prévoir de faire appel à un générateur à ultrasons, de type connu en soi, solidarisé au carter de l'articulation. A titre d'alternative, on peut superposer un signal de type haute fréquence à la commande du moteur 4 d'entraînement de la vis, afin de superposer une vibration angulaire au mouvement de rotation de la vis. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. Ainsi, le fait de prévoir des moyens de mise en vibrations de la liaison à roue dentée et vis sans fin permet de faire varier, de façon modulable, le coefficient de frottement des surfaces en regard de cette roue et de cette vis. Ceci permet ainsi de favoriser la création du film d'huile destiné à améliorer le glissement. De telles vibrations peuvent être adaptées, dans leur amplitude et leur fréquence, aux différentes phases d'utilisation de l'articulation. Ainsi, lors du démarrage, il s'agira d'éliminer le phénomène de collage alors que, lors d'un fonctionnement normal, ces vibrations seront à même de procurer la réversibilité escomptée de la liaison roue dentée et vis sans fin. Cette amplitude et cette fréquence peuvent également être ajustées en temps réel afin d'améliorer le taux de friction, sans nuire à la stabilité globale du mouvement, en étant maintenues en dehors des régimes de résonance relatifs à la mécanique amont et au réducteur aval. 12 REVENDICATIONS 1. Articulation de robot, destinée à relier deux organes mécaniques de ce robot, cette articulation comprenant une liaison à vis sans fin (2; 52; 102) et à roue dentée (6; 56; 106), dont chacune est solidaire d'un organe mécanique correspondant, ainsi que des moyens moteurs (4; 54; 104) de mise en mouvement de ladite liaison, caractérisée en ce qu'il est en outre prévu des moyens (4; 10; 54; 60, 60' ; 104; 110) de mise en vibrations de ladite liaison. 2. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mise en vibrations comprennent au moins un organe de mise en vibrations (10; 60, 60' ; 110), dont une dimension principale (1; 1') est apte à varier sous l'effet d'une tension électrique appliquée aux bornes de cet organe. 3. Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ou chaque organe est solidaire, à une première extrémité, d'une paroi (81; 581, 584; 1082) appartenant à un carter (8; 58; 108) de l'articulation, alors que l'autre extrémité de cet organe est apte à entrer en contact avec ladite vis sans fin (2; 52; 102) ou ladite roue (6; 56; 106). 4. Articulation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la dimension principale (A") du ou de chaque organe de mise en vibrations (10; 60, 60') est perpendiculaire à un axe principal (A) de la vis sans fin (2; 52). 5. Articulation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'il est prévu deux organes de mise en vibrations (60, 60'), qui s'étendent de part et d'autre dudit axe principal (A) de la vis sans fin (52). 6. Articulation selon l'une quelconque de la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la dimension principale du ou de chaque organe de mise en vibrations (110) s'étend parallèlement à un axe principal (A) de la vis sans fin (102). 7. Articulation selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le ou chaque organe de mise en vibrations est un actionneur piézoélectrique (10; 60, 60' ; 110). 8. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mise en vibrations de la liaison comprennent un générateur à ultrasons. 9. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mise en vibrations de la liaison comprennent lesdits moyens moteurs (4; 54; 104). 10. Procédé de commande de l'articulation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'actionnement des moyens de mise en vibrations (4; 10; 54; 60, 60' ; 104; 110). 11. Procédé selon la revendication 10, pour la mise en uvre d'une articulation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'étape d'actionnement comprend une phase d'application d'une tension électrique aux bornes de l'organe de mise en vibrations (10; 60, 60' ; 110). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on applique une tension permanente à l'organe de mise en vibrations (10; 60, 60' ; 110), de manière à repousser la vis sans fin (2; 52; 102) contre la roue (6; 56; 106), et ainsi à les immobiliser mutuellement. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on exerce tout d'abord une précontrainte mécanique de la vis sans fin contre la roue, de manière à les immobiliser mutuellement, puis en ce qu'on applique une tension électrique aux bornes de l'organe de mise en vibrations, de manière à repousser la vis sans fin à l'opposé de la roue. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la phase d'application d'une tension aux bornes de l'organe de mise en vibrations (10; 60, 60' ; 110) comprend une étape d'application d'une tension variable aux bornes de cet organe, au moins lors du démarrage des moyens moteurs (4; 54; 104). 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que l'étape d'actionnement comprend une phase de mise en mouvement mutuel de la vis sans fin (2; 52; 102) et de la roue (6; 56; 106), de manière à faire varier la dimension principale (1; 1') de l'organe de mise en vibrations (10; 60, 60' ; 110), et en ce qu'on mesure en outre la tension aux bornes de cet organe de mise en vibrations, lors de ladite mise en mouvement, cette tension mesurée étant représentative du couple appliqué sur la roue dentée (6; 56; 106). 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on émet un signal d'alerte, lorsque ladite tension mesurée sort d'une plage admissible prédéterminée de tension. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce que l'étape d'actionnement comprend une phase de mise en vibrations selon une direction (F') sensiblement perpendiculaire à l'axe (A) de la vis (2) et passant par l'axe de rotation (A') de la roue (6). 18. Procédé selon la revendication 10, pour la mise en uvre d'une articulation selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape d'actionnement comprend une phase de superposition d'un signal alternatif au signal de commande des moyens moteurs (4; 54; 104) de l'articulation, ces moyens moteurs étant ainsi utilisés en tant que générateur de vibrations. 19. Robot comprenant un contrôleur et au moins une 5 articulation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.