Brevet FR2880575A1 — publié le 20060714

Robot parallèle incluant des moyens de compensation de charge. Le domaine de l'invention est celui des manipulateurs automatiques. Plus précisément, l'invention concerne un robot dit parallèle. Les robots industriels sont classés en deux groupes principaux: robots 5 sériels et robots parallèles. La structure mobile des robots sériels est une chaîne ouverte formée d'une succession de segments reliés entre eux par des liaisons à un degré de liberté. Chaque articulation est commandée par un actionneur situé à l'endroit de l'articulation ou sur un des segments précédents. Dans ce dernier cas, un mécanisme assure la transmission entre l'actionneur et l'articulation considérée. Une telle configuration implique une structure lourde car des masses importantes doivent être mises en mouvement, même dans le cas du déplacement d'une petite charge. Les robots parallèles peuvent être définis comme étant des systèmes 15 mécaniques à plusieurs degrés de liberté composés de deux corps rigides interconnectés par une ou plusieurs boucles. Les robots parallèles présentent de multiples avantages par rapport aux robots sériels: des mouvements à hautes cadences et surtout des accélérations importantes, la répartition plus régulière des charges sur les actionneurs, une grande rigidité mécanique et peu de masse en mouvement qui améliore notablement la capacité dynamique du robot. Les cadences tolérées par ces robots peuvent être très élevées. La rigidité mécanique est améliorée de par la présence de plusieurs parties mobiles sur les actionneurs agissant en parallèle, ce qui entraîne une augmentation de la raideur de la structure et permet, à cadence égale, une meilleure répétabilité de position que celle obtenue avec la plupart des robots industriels connus, même à grande vitesse. En vingt ans, les applications des robots parallèles se sont succédées: on peut trouver ces robots dans l'industrie agro-alimentaire, pharmaceutique, 30 aéronautique, etc. Ils sont de plus en plus utilisés dans l'industrie pour la conception des nouvelles générations de machines- outils. La plupart des robots du type ci-dessus que l'on connaît, tels que par exemple le robot Delta (marque déposée) décrit dans le document de brevet publié sous le numéro US-4976582, comporte un élément de base et un élément mobile, ainsi que trois bras de commande montés de façon rigide à leur première extrémité sur trois axes qui peuvent être mis en rotation. L'autre extrémité de chaque bras de commande est rendue solidaire de l'élément mobile par l'intermédiaire de deux barres de liaison montées en articulation, d'une part, sur la seconde extrémité du bras de commande et, d'autre part, sur l'élément mobile. Selon cette technique, l'inclinaison et l'orientation dans l'espace de l'élément mobile restent inchangées, quels que soient les mouvements des trois bras de commande. L'élément mobile supporte un élément de travail dont la rotation est commandée par un moteur fixe situé sur l'élément de base. Un bras télescopique 15 relie le moteur à l'élément de travail. Malgré la performance des robots parallèles tel que celui du type Delta , ceux-ci présentent un inconvénient. En effet, les nombreux avantages des robots parallèles de ce type sont amoindris lorsque la charge à déplacer tend à augmenter. En effet, plus la charge sur l'élément mobile est élevée, plus les actionneurs doivent être puissants et par conséquent moins précis. En équilibrant la masse de la charge sur l'élément mobile, on peut utiliser des actionneurs de faible puissance, et très précis. D'autre part, plus la charge sur l'élément mobile est élevée, plus les efforts dans les bras de commande du robot sont grands, et plus les déformations élastiques de tous les éléments du robot sont importantes. Il en résulte surtout des pertes de précision de positionnement dans la réalisation des tâches que de telles structures doivent effectuer. L'invention a notamment pour objectif de pallier un inconvénient de l'art 30 antérieur. Plus précisément, l'invention a pour objectif de proposer un robot dit parallèle qui conserve une précision de positionnement élevée, quelle que soit la charge appliquée sur l'élément mobile, ou quasiment. L'invention a également pour objectif de fournir un tel robot qui ne 5 subisse pas de déformation importante du fait d'une charge importante appliquée à l'élément mobile. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui a pour objet un robot du type comprenant un élément de base, un élément mobile et au moins trois chaînes actionneuses articulées reliant ledit élément de base et ledit élément mobile, lesdites trois chaînes actionneuses étant couplées par desliaisons audit élément de base à une de leurs extrémités et audit élément mobile à l'autre de leurs extrémités, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compensation de charge destinés à compenser une charge s'exerçant sur ledit élément mobile, lesdits moyens de compensation étant couplés, d'une part, audit élément de base et, d'autre part, audit élément mobile, lesdits moyens de compensation incluant des moyens extensibles dont une extrémité est solidaire dudit élément mobile par une liaison d'extrémité, lesdits moyens de compensation étant conçus de façon à permettre une mobilité de ladite liaison d'extrémité par rapport audit élément de base au moins selon trois degrés de liberté. Ainsi, un robot selon l'invention présente des performances améliorées principalement à deux titres. En premier lieu étant donné que les efforts dus à la gravité sont repris par le système de compensation, la charge à manipuler n'est plus limitée par les 25 capacités des liaisons motorisées du manipulateur parallèle. En second lieu, vu que le manipulateur parallèle est utilisé exclusivement pour positionner la charge mise en mouvement par l'élément mobile (et non pour la porter), les efforts internes dans la structure du manipulateur sont réduits. Ceci diminue de manière considérable les déformations, ce qui a pour conséquence directe une augmentation de la précision de positionnement. De plus, les trois degrés de liberté prévus pour la liaison entre les moyens extensibles et l'élément mobile par rapport à l'élément de base permettent de ne pas gêner les mouvements des trois actionneurs. Ainsi, la mobilité du système de compensation est identique à celle du robot, c'est-à-dire que l'organe terminal du mécanisme de compensation qui est relié à l'élément mobile du robot se déplace tout comme le fait l'élément mobile du robot. On note que le système de compensation est passif par rapport au robot. Selon un mode de réalisation préféré, lesdits moyens extensibles 10 comprennent au moins un élément de type pantographe. Un système à pantographe permet d'obtenir un rapport de copiage k (autrement appelé rapport de similitude) entre les déplacements de la liaison d'extrémité et les déplacements d'un ou de plusieurs autres points du pantographe. Ce rapport de copiage peut varier selon les besoins en fonction de la géométrie du pantographe (longueur des segments et nombre de boucles du pantographe). Ce système de pantographe est donc avantageux en ce qu'il permet de limiter l'encombrement global des moyens de compensation, tout en permettant 20 des mouvements de grande amplitude. Selon une solution préférée, lesdits moyens extensibles sont montés sur un support porté par ledit élément de base, lesdits moyens extensibles et ledit support étant accouplés par l'intermédiaire de deux liaisons glissière, l'une sensiblement horizontale et l'autre sensiblement verticale. On met ainsi en oeuvre un moyen simple et efficace pour obtenir deux degrés de liberté, correspondant à des déplacements en translation dans les directions verticales et horizontales. Avantageusement, le robot comprend des moyens d'actionnement destinés à exercer une force de compensation de ladite charge appliquée sur 30 l'élément mobile. Selon un mode de réalisation préféré, lesdits moyens extensibles présentent au moins un organe coulissant dans ladite glissière verticale, lesdits moyens d'actionnement agissant sur ledit organe coulissant en vue de compenser ladite charge s'exerçant sur ledit élément mobile. Selon une solution avantageuse, ledit support est monté rotatif sur ledit élément de base. On met ainsi en oeuvre une solution simple et efficace pour obtenir un troisième degré de liberté, l'orientation du support combinée à la glissière horizontale du support permettant de définir un plan horizontal de mobilité auquel s'ajoute la mobilité dans la direction verticale grâce à la glissière verticale. Préférentiellement, le robot comprend des moyens moteurs prévus pour entraîner en rotation ledit support. Ceci permet de résoudre les inconvénients d'une position singulière 15 expliquée plus en détail par la suite. Selon un premier mode de réalisation, le robot comprend des moyens d'actionnement destinés à exercer une force de compensation de ladite charge appliquée sur l'élément mobile. Selon une solution avantageuse, lesdits moyens extensibles présentent au 20 moins un organe coulissant dans ladite glissière verticale, lesdits moyens d'actionnement agissant sur ledit organe coulissant en vue de compenser ladite charge s'exerçant sur ledit élément mobile. On peut ainsi appliquer une force verticale de compensation de la force de gravité correspondante à la charge appliquée sur l'élément mobile. Selon une variante de réalisation, le robot comprend plusieurs moyens de compensation de charge séparés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, et de plusieurs de ses variantes, donnés à titres 30 d'exemples illustratifs et non-limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation des moyens de compensation de charge selon l'invention, permettant de représenter la force de compensation exercée par les moyens de compensation; les figures 2 et 3 sont deux vues d'un robot selon l'invention, respectivement selon une position rétractée et selon une position déployée; les figures 4 à 6 sont chacune une représentation graphique d'une mesure du couple moteur sur un des actionneurs du robot, avec et 10 sans moyens de compensation. En référence à la figure 2, le principe de l'invention réside dans le fait d'implanter des moyens de compensation 1 entre l'élément de base 2 et l'élément mobile du manipulateur 3, ces moyens de compensation étant prévus de manière à ne pas restreindre le volume de travail d'origine du manipulateur et à ne pas gêner ses mouvements. Son rôle est d'appliquer sur l'élément mobile une force F verticale colinéaire à la gravité, mais de sens opposé. Tel qu'indiqué précédemment, la fonction de ces moyens de compensation est de permettre de minimiser les charges sur les actionneurs dues aux forces de gravité des éléments du robot (dont la masse transportée). On rappelle que l'invention s'applique en particulier à un robot de type Delta tel que celui illustré par les figures 2 et 3. Tel que cela apparaît sur ces figures, un tel robot comporte un élément de base 2 et un élément mobile 3, ainsi que trois chaînes actionneuses comprenant chacune un actionneur 4, un bras de commande 5 monté de façon rigide à une première extrémité sur un axe qui peut être mis en rotation, et deux barres parallèles de liaison 6. L'autre extrémité de chaque bras de commande est rendue solidaire de l'élément mobile 3 par l'intermédiaire de deux barres parallèles de liaison 6 montées en articulation, d'une part sur la seconde extrémité du bras de commande et, d'autre part, sur l'élément mobile. Par conséquent l'inclinaison et l'orientation dans l'espace de l'élément mobile restent inchangées, quels que soient les mouvements des trois bras de commande. Le robot Delta selon l'art antérieur possède quatre degrés de liberté puisque l'élément mobile supporte un élément de travail dont la rotation est commandée par un moteur fixe situé sur l'élément de base. Un bras télescopique relie le moteur à l'élément de travail. Ce quatrième degré de liberté en rotation vient compléter les trois translations de l'espace que peut effectuer l'élément mobile. On note que le robot décrit par la suite ne dispose pas du quatrième axe. L'espace compris entre les éléments de base et mobile et les trois bras de commande demeure ainsi libre de tout élément mécanique de façon à y implanter les moyens de compensation 1. En référence à la figure 1, une force verticale est appliquée sur l'élément mobile 3 à l'aide d'un pantographe 11 fixé sur un support 12 au moyen de deux liaisons glissière, en l'occurrence une glissière horizontale 121 et une glissière verticale 122. De plus, le support 12 est lié à l'élément de base 2 du robot au moyen d'une liaison pivot 123 dont l'axe de rotation est, selon le présent mode de réalisation, sur l'axe de symétrie vertical du manipulateur. Cette liaison pivot procure un degré de liberté en rotation au support par rapport à l'élément de base. Le pantographe est lié en son point A à la première glissière 121 et en son point B à la deuxième glissière 122. Ainsi, il en résulte au point terminal C du pantographe trois degrés de liberté par rapport à la base du robot (le point terminal C correspondant à la 25 liaison d'extrémité entre le pantographe réalisant le moyen extensible et l'élément mobile). Tel que cela apparaît sur la figure 1, le pantographe 11 est lié (aux points A et B) au support 12 par le biais de deux liaisons glissière et permet un système de copiage tel que si l'on applique un mouvement horizontal au point A (via la glissière horizontale), le mouvement du point C sera lui aussi horizontal (et de sens opposé). De même, si l'on applique un mouvement vertical au point B (via la glissière verticale), le mouvement du point C sera lui aussi vertical (et de même sens). Ainsi, en déplaçant simultanément le point A d'une valeur R, le point B d'une valeur Z et en effectuant une rotation 0 du support, l'organe terminal du pantographe peut ainsi être piloté en coordonnées cylindriques (R, 0, Z), et parcourir tout le volume de travail du robot. Tel qu'indiqué précédemment, l'objectif des moyens de compensation est 10 d'annuler sur le manipulateur les forces de gravité dues à la charge à transporter et à la masse propre des éléments de ce dernier. En effet, celles-ci sont néfastes vis-à-vis des qualités de positionnement et de rigidité du manipulateur parallèle. Ces forces sont verticales et dirigées vers le bas. Il convient donc d'appliquer par les moyens de compensation sur l'élément mobile une force Fc verticale orientée vers le haut. Cette force est obtenue en appliquant au point B (Figure 1) une force FB grâce à l'actionneur vertical 13. Selon le présent mode de réalisation, le rapport de similitude du pantographe implique que la force FB à appliquer au point B doit être telle que FB 20 = k*Fc, sachant que Fc est la force désirée au point terminal C. En ce qui concerne le moyen permettant d'obtenir la force désirée, il peut s'agir soit d'un actionneur pneumatique, hydraulique ou électrique, soit d'un système totalement passif avec un contrepoids, avec action directe sur le pantographe, ou par le biais d'un système de transmission additionnel. Avec le robot qui vient d'être décrit, un problème peut apparaître dans des situations singulières. En effet, il existe une droite de l'espace de travail où le système de compensation se trouve en configuration singulière. La singularité apparaît lorsque les points A, B et C sont alignés avec l'axe de la liaison pivot entre le 30 support et l'élément de base. En effet, lorsque le point C se trouve sur cet axe, on peut faire tourner le support et ainsi donner à l'angle 0 n'importe quelle valeur sans que cela ne modifie la position cartésienne de ce point C (il reste sur l'axe). Tout mouvement de l'élément mobile dans une direction orthogonale au plan du pantographe n'est malheureusement pas permis vis-à-vis de la cinématique du système, et il y a alors risque d'endommagement des éléments de mécanique. Une solution est présentée ci-après pour pallier les problèmes engendrés par la position singulière qui vient d'être décrite. Un moyen de sortir de la position singulière est de motoriser l'axe de rotation du mécanisme de manière à orienter le plan du pantographe dans la direction de la trajectoire. On note que le moteur à utiliser pour orienter le plan du pantographe n'est pas un moteur de puissance. En effet, sa fonction n'est pas la même que celle des moteurs du robot. Il s'agit simplement de repositionner le mécanisme lorsque cela est nécessaire. L'invention selon le mode de réalisation décrit précédemment propose une solution efficace et fiable pour obtenir des résultats significatifs exposés ci-après. On note que les équivalents du système de compensation des charges pour des robots manipulateurs parallèles peuvent être considérés dans leur ensemble comme des mécanismes pantographiques permettant d'appliquer sur la plate-forme du robot une force verticale dirigée vers le haut. Pour le robot Delta , on peut envisager de placer un seul système de compensation sur l'axe de symétrie du robot. Selon une variante, on peut envisager de placer plusieurs systèmes de compensation dans les espaces libres entre les trois actionneurs. En outre, chaque système pantographique peut comporter une ou plusieurs boucles de manière à réduire son encombrement et à augmenter le 30 volume accessible du point C qui applique l'effort sur la plate-forme du robot. Par ailleurs, la configuration des liaisons glissière du mécanisme pantographique sur son support et la position du support sur le bâti sont modulables. Ainsi, si la glissière de guidage du point A est verticale, la force de l'actionneur sera appliquée au point A (et non pas au point B, qui se déplace dans ce cas sur la glissière horizontale), et sera verticale mais dirigée vers le bas. Des simulations ont été réalisées pour quantifier les gains obtenus avec le système de compensation des charges. Les moments moteurs ont été mesurés sur les trois bras du robot. Les caractéristiques du robot simulé sont les suivantes: - longueur des bras de commande: 750 mm; - longueur des barres parallèles de liaison: 950 mm; - rayon de la base: 250 mm; rayon de la plate-forme: 200 mm. La charge à positionner par le robot ma = 70 kg, et la masse de la plate-forme est de m = 4,5 Kg. Les courbes A 1, A2 et A3 (respectivement sur les figures 4, 5 et 6) représentent respectivement les moments moteurs des trois actionneurs lorsqu'il n'y a aucun système de compensation. Les courbes B1, B2 et B3 (respectivement sur les figures 4, 5 et 6) représentent respectivement les moments moteurs des trois actionneurs lorsque le 20 système de compensation applique sur la plate-forme un effort de: (mch+m)*g = (70+4,5)*9,81 = 731 N. Tel que cela apparaît clairement sur les graphes des figures 4, 5 et 6, le système de compensation permet d'annuler les charges sur les moteurs dues aux masses de l'élément mobile et de la charge embarquée. 11 REVENDICATIONS 1. Robot du type comprenant un élément de base, un élément mobile et au moins trois chaînes actionneuses reliant ledit élément de base et ledit élément mobile, lesdites chaînes actionneuses étant couplées par des liaisons audit élément de base à une de leurs extrémités et audit élément mobile à l'autre de leurs extrémités, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compensation de charge destinés à compenser une charge s'exerçant sur ledit élément mobile, lesdits moyens de compensation étant couplés, d'une part, audit élément de base et, d'autre part, audit élément mobile, lesdits moyens de compensation incluant des moyens extensibles dont une extrémité est solidaire dudit élément mobile par une liaison d'extrémité, lesdits moyens de compensation étant conçus de façon à permettre une mobilité de ladite liaison d'extrémité par rapport audit élément de base au moins selon trois degrés de liberté. 2. Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens extensibles comprennent au moins un élément de type pantographe. 3. Robot selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens extensibles sont montés sur un support porté par ledit élément de base, lesdits moyens extensibles et ledit support étant accouplés par l'intermédiaire de deux liaisons glissières, l'une sensiblement horizontale et l'autre sensiblement verticale. 4. Robot selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'actionnement destinés à exercer une force de compensation de ladite charge appliquée sur l'élément mobile. 5. Robot selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens extensibles présentent au moins un organe coulissant dans ladite glissière verticale, lesdits moyens d'actionnement agissant sur ledit organe coulissant en vue de compenser ladite charge s'exerçant sur ledit élément mobile. 6. Robot selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit support est monté rotatif sur ledit élément de base. 7. Robot selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens moteurs prévus pour entraîner en rotation ledit support. 8. Robot selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs moyens de compensation de charge séparés.