Brevet FR2863534A1 — publié le 20050617

ARTICULATION DE BRAS MECANIQUE ET BRAS POURVU DE CETTE ARTICULATION DESCRIPTION Le sujet de cette invention est d'abord une articulation convenant à un bras mécanique composé de segments articulés successivement entre eux, puis un bras pourvu d'une ou plusieurs de ces articulations. Les bras articulés dont il est question ici seront fréquemment des bras de robot, des bras de télémanipulation ou des bras de commande, soit actifs ou réactifs, selon qu'une commande sera appliquée par le bras ou au contraire transmise par le bras, cette distinction n'ayant pas un effet important sur sa conception. De même, les moteurs disposés aux articulations des segments et dont il sera abondamment question par la suite pourront être soit des moteurs imposant des déplacements aux segments, soit des moteurs de retour d'effort enregistrant les mouvements imposés aux segments par un autre moyen et fournissant des forces de réaction à ces mouvements, appréciées dans les bras de commande pour transmettre à l'utilisateur une sensation l'aidant dans son travail. Quel que soit le but du moteur, il possédera la propriété de maintenir le bras à des états stables quand il doit rester immobile. Une transmission est prévue entre chacun de ces moteurs et l'articulation respective. Elle peut consister en une transmission à câble disposée entre une poulie réceptrice solidaire du segment entraîné et 10 coaxiale à l'articulation et une poulie motrice entraînée par le moteur. Les transmissions à câble présentent les avantages de ne pas posséder de jeux qui produiraient des imprécisions de transmission et d'autoriser facilement une réversibilité de mouvement qu'on apprécie dans de nombreuses applications. Elles peuvent être combinées avec des réducteurs de la vitesse de rotation de la poulie motrice. Un objet de cette invention est de rendre l'agencement décrit ci-dessus moins encombrant grâce à une disposition plus favorable du moteur, qui en pratique est assez long et élancé dans la direction de son axe de rotation. Un de ses aspects principaux est une articulation d'un bras mécanique disposé entre un premier segment et un deuxième segment du bras, comprenant un moteur monté sur le premier segment et une transmission à câble disposée entre le moteur et le deuxième segment, la transmission à câble étant composée d'une poulie motrice entraînée par le moteur, d'une poulie réceptrice solidaire du deuxième segment, et d'une paire de poulies de renvoi disposées entre la poulie motrice et la poulie réceptrice, caractérisée en ce que la poulie motrice est placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice et le moteur possède une direction d'extension principale qui est parallèle à une direction d'extension principale du premier segment. Si la poulie motrice et la poulie réceptrice avaient été coplanaires, ce qui est usuel dans les transmissions par câble ou par courroie, le moteur se serait étendu perpendiculairement au premier segment, avec des conséquences défavorables tant pour l'aspect du bras que pour l'effort produit par le porte-à-faux du moteur et qui doit être compensé, et que pour les risques de collisions avec d'autres parties du bras. Le moteur devenant parallèle au premier segment peut être placé contre lui en évitant tous les inconvénients mentionnés. Les poulies de renvoi permettent le passage du câble de la poulie motrice à la poulie réceptrice. Avantageusement, les poulies de renvoi sont parallèles au plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice, la poulie motrice est tangente à ce plan, et le câble forme deux longueurs libres entre les poulies de renvoi et passant respectivement par la poulie motrice et la poulie réceptrice. On dispose alors d'une transmission particulièrement précise et de faible encombrement grâce à la proximité des poulies. Une situation particulière est celle d'un bras mécanique articulé comprenant au moins une branche munie d'une articulation ainsi définie et où le premier segment est un segment pivotant sur une embase fixe. Le moteur n'exerce alors aucun basculement sur le premier segment. De plus, dans le cas fréquent d'un bras mécanique comprenant plusieurs branches parallèles s'étendant entre l'embase et une extrémité commune, les premiers segments des branches peuvent être montés sur l'embase à des endroits voisins. Dans une conception plus compliquée, le bras précédent est complété par un deuxième moteur monté sur l'embase et une deuxième transmission à câble disposée entre le deuxième moteur et le premier segment, la deuxième transmission à câble étant composée d'une poulie motrice entraînée par le deuxième moteur, d'une poulie réceptrice solidaire du premier segment, et d'une paire de poulies de renvoi disposées entre la poulie motrice et la poulie réceptrice, la poulie motrice étant placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice et le deuxième moteur possédant une direction d'extension principale qui est parallèle à une surface de l'embase. Au moyen d'une articulation de plus, encore conforme au premier aspect de l'invention, on obtient un agencement où les moteurs fixés à l'embase peuvent être posés sur elle sans se dresser à côté du premier segment du bras, avec un risque de collision, ni devoir être logés dans un creux de l'embase établi à cet effet. Ce bras ou le précédent peut être complété par un troisième segment articulé au deuxième segment, un troisième moteur monté sur le premier segment avec une direction d'extension principale parallèle à la direction d'extension principale du premier segment, et une transmission à câble comprenant une poulie motrice entraînée par le troisième moteur, une poulie réceptrice solidaire d'une bielle entraînant un troisième segment grâce à un montage en parallélogramme, et une paire de poulies de renvoi disposées entre la poulie motrice et la poulie réceptrice bielle, la poulie motrice étant placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice. L'emploi répété de l'articulation conforme au premier aspect de l'invention permet ici de placer le premier moteur contre le troisième moteur, sur le premier segment, avec les mêmes avantages que pour le premier moteur. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures: - la figure 1 est une vue de l'articulation conforme à l'invention, - et les figures 2 et 3 illustrent deux 10 bras appartenant aussi à l'invention. On se reporte d'abord à la figure 1. L'articulation relie un premier segment 1 à un deuxième segment 2, et son axe de rotation est repéré par X. On est en présence d'une articulation de rotation, où les segments 1 et 2 se déplacent mutuellement dans un plan en faisant un angle variable, mais l'invention pourrait être appliquée à une articulation de pivotement, où le deuxième segment 2 serait orienté selon l'axe X. Il serait encore possible que le deuxième segment 2 soit disposé avec une inclinaison par rapport à l'axe X et parcoure donc un cône autour de l'axe X quand il est déplacé. L'articulation est matérialisée par une poulie réceptrice 3, rendue solidaire du deuxième segment 2 par des vis 4 ou n'importe quel autre moyen et qui tourne autour de l'axe X sur un pivot 5 fixé au premier segment 1. Un moteur 6 est responsable du mouvement et de l'arrêt de l'articulation. Il est monté sur le premier segment 1 par un collier 7 ou un autre moyen. Il présente une direction d'allongement principale parallèle à celle du premier segment 1. Ici comme dans bien d'autres situations réelles, il est encore allongé par un codeur 17 à une extrémité qui suit les mouvements de l'arbre moteur (invisible ici) et un réducteur 18 (facultatif) à l'autre extrémité. On a toutefois représenté une poulie mobile 8 entraînée par l'arbre moteur au-delà du réducteur 18. Deux poulies de renvoi 9 et 10 sont placées entre la poulie réceptrice 3 et la poulie motrice 8 d'un côté et de l'autre. Un câble 11 est tendu sur les quatre poulies et comprend successivement un brin 12 de la poulie réceptrice 3 à une poulie de renvoi 9, un brin 13 de cette poulie de renvoi 9 à la poulie motrice 8, un brin 14 de la poulie motrice 8 à l'autre poulie de renvoi 10 et un brin 15 de cette poulie de renvoi 10 à la poulie réceptrice 3. Le câble 11 comprend encore des portions enroulées autour des différentes poulies, généralement a plusieurs tours pour réduire les risques de glissement. Il peut être continu, mais il est fréquent qu'il ne le soit pas et que ses extrémités soient fixées à la poulie réceptrice 3, qui a le plus grand diamètre et ne se déplace que d'une portion de tour, par des agrafes ou d'autres modes. Ainsi qu'on l'a mentionné, un élément essentiel de l'invention est que le moteur 6, et son prolongement constitué par le codeur 17 et le réducteur 18, s'étendent parallèlement au premier segment 1 si on considère leur direction d'allongement principale. Cela est obtenu par une construction de la transmission mécanique dans laquelle la poulie motrice 8 n'est pas incluse dans le plan de la poulie réceptrice 3 mais dans un plan sécant. Ici, elle est tangente à ce plan et son axe de rotation Y est sécant à l'axe de rotation X de l'articulation. De plus, des poulies de renvoi 9 et 10 sont dans des plans parallèles à celui de la poulie réceptrice 3, et parallèles à un plan tangent à la poulie motrice 8. On passe au commentaire de la figure 2. L'objet représenté est un bras de commande 19 à trois branches 20 parallèles joignant une embase 21 à une poignée 22. Les branches 20 comprennent chacune un premier segment 23, un deuxième segment 24 et un troisième segment 25 de l'embase 21 à la poignée 22. Le premier segment 23 pivote sur l'embase 21 par une articulation de pivotement d'axe U, le deuxième segment 24 tourne autour du premier segment 23 par une articulation de rotation d'axe V, le troisième segment tourne autour du deuxième segment 24 par une articulation de rotation d'axe W, et le troisième segment 25 est relié à la poignée 22 par une rotule 26. L'axe d'articulation V est parallèle à w et sécant à U. Un bras à six degrés de liberté pour la poignée 22 est obtenu. Le brevet français 2 835 068 divulgue un bras de ce genre, où il était relevé qu'une bonne disposition des moteurs était essentielle. Les mouvements correspondants sont ressentis par autant de moteurs à retour d'effort distribués entre les branches 20 et disposés de façons identiques. Un premier moteur 27 est monté sur le premier segment 23 et entraîne le deuxième segment 24 par une articulation 28 semblable à celle de la figure 1. De plus, le pivotement du premier segment 23 est gouverné par une autre articulation 29 conforme à la figure 1 et entraînée par un deuxième moteur 30 qui, grâce à l'orientation de la poulie motrice 8, peut être monté parallèlement à la surface 31 de l'embase 21 de laquelle le premier segment 23 s'élève. La même disposition existe donc pour les autres branches 20. La disposition des moteurs de retour d'effort sur l'embase 21 ou un premier segment 23 adjacent à l'embase 21 est déjà connue et appréciée pour réduire les efforts de basculement produits par le poids des moteurs sur les segments. Les résultats encore meilleurs sont obtenus grâce au placement, parallèle au premier segment 23, favorable du premier moteur 27. De plus, dans un tel bras dont l'encombrement dépend beaucoup de celui des moteurs et de leur disposition, celle-ci est exceptionnellement favorable puisqu'elle exclut presque toute collision entre les moteurs et les branches, dont les lieux de montage peuvent alors être rapprochés sans crainte sur l'embase 21. Le bras de la figure 3 porte la référence 35 et comprend deux branches 36 entre une embase 37 à surface plane et une poignée 38. Les branches comprennent comme précédemment un premier segment 39 monté sur l'embase 37 par une articulation pivotante d'axe U, un deuxième segment 40 relié au premier segment 39 par une articulation de rotation d'axe V et un troisième segment 41 relié au deuxième segment 40 par une articulation de rotation d'axe W. Les troisièmes segments 41 sont reliés à la poignée 38 par des mécanismes 42 à trois degrés de liberté. Des conceptions antérieures de bras analogues au bras 35 sont divulguées dans les documents brevets français 2 809 047 et 2 810 573. Elles sont améliorées ici par l'addition des articulations conformes à l'invention et le placement des moteurs conformément aux stipulations précédentes et de manière analogue à la réalisation de la figure 2. C'est ainsi qu'un premier moteur 43 monté sur le premier segment 39 commande l'articulation 44 d'axe V commune au deuxième segment 40, et qu'un deuxième moteur 45 commande l'articulation 46 d'axe U faisant pivoter le premier segment 39. De plus, un troisième moteur 47 est aussi monté sur le premier segment 39, comme le moteur 43, qui est monté de l'autre côté du segment 39 en forme de profilé plat. Une transmission conforme à l'invention est disposée entre le troisième moteur 47 et une articulation d'axe V dont le mouvement est transmis à la troisième articulation 48 d'axe W, au moyen d'une structure supplémentaire à parallélogramme. La disposition du troisième moteur 47 est aussi parallèle au premier segment 39. REVENDICATIONS 1) Articulation d'un bras mécanique disposé entre un premier segment (1) et un deuxième segment (2) du bras, comprenant un moteur (6) monté sur le premier segment et une transmission à câble (11) disposée entre le moteur et le deuxième segment (2), la transmission à câble étant composée d'une poulie motrice (8) entraînée par le moteur (6), d'une poulie réceptrice (3) solidaire du deuxième segment, et d'une paire de poulies de renvoi (9, 10), disposées entre la poulie motrice et la poulie réceptrice, caractérisée en ce que la poulie motrice est placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice et le moteur (6) possède une direction d'extension principale qui est parallèle à une direction d'extension principale du premier segment (1). 2) Articulation d'un bras mécanique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur (6) comprend un réducteur (18) entre lui et la poulie motrice (8). 3) Articulation d'un bras mécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les poulies de renvoi (9, 10) sont dans des plans parallèles à un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice (3), et la poulie motrice (8) est tangente à un plan parallèle à ce plan. 4) Bras mécanique articulé comprenant au moins une branche (20, 36) munie d'une articulation 30 conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier segment (23, 39) est un segment pivotant sur une embase fixe. 5) Bras mécanique articulé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième moteur (30, 45) monté sur l'embase et une deuxième transmission à câble (29, 46) disposée entre le deuxième moteur et le premier segment, la deuxième transmission à câble étant composée d'une poulie motrice entraînée par le deuxième moteur, d'une poulie réceptrice solidaire du premier segment, et d'une paire de poulies de renvoi disposée entre la poulie motrice et la poulie réceptrice, la poulie motrice étant placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice et le deuxième moteur possédant une direction d'extension principale qui est parallèle à une surface (31, 37) de l'embase. 6) Bras mécanique articulé selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième segment (41) articulé au deuxième segment (40), un troisième moteur (47) monté sur le premier segment avec une direction d'extension principale parallèle à la direction d'extension principale du premier segment (39), et une transmission à câble comprenant une poulie motrice entraînée par le troisième moteur, une poulie réceptrice solidaire du troisième segment et une paire de poulies de renvoi disposées entre la poulie motrice et la poulie réceptrice, la poulie motrice étant placée dans un plan coupant un plan dans lequel se trouve la poulie réceptrice.