Brevet FR2912944A1 — publié le 20080829

ROBOT MANIPULATEUR COMPACT L'invention se rapporte à un dispositif de déplacement d'un objet dans l'espace. Pour déplacer un objet dans l'espace, on connaît les bras manipulateurs dont les articulations sont montées en série et ceux dont les articulations sont montées en parallèles. Ces bras sont encore appelés robots. Les robots types à articulations en série présentent l'inconvénient d'être relativement lourds et ont donc une inertie importante qui les empêche de travailler avec de grandes cadences. Les robots dits parallèles permettent des déplacements beaucoup plus rapides mais l'amplitude des mouvements est restreinte. L'invention se rapporte à un robot dit parallèle. On connaît précisément de tels robots EPûA-250 470, EP-A 1.129.829, WO-A-0035640 comprenant trois actionneurs, comprenant une partie fixe et une partie mobile ayant un seul degré de liberté par rapport à la partie fixe, chaque partie mobile étant reliée à une tête mobile par des éléments de liaison. Le dispositif forme une sorte de pyramide déformable à bases triangulaires. Chaque actionneur est un moteur électrique dont l'axe de rotation est couplé à un bras (partie mobile) qui pivote autour de l'axe de rotation de l'actionneur. Les axes de pivots des bras forment un triangle et les éléments de liaison sont articulés respectivement à une tête (petite base) et à la partie mobile correspondante. Les articulations de ces éléments de liaison tant sur le bras que sur la tête sont à deux degrés de liberté. Ainsi, l'orientation et l'inclinaison de la tête restent inchangées dans l'espace. Souvent, un préhenseur à transmission télescopique est monté au centre du système. Un support central porte les actionneurs. Ce support central a sensiblement les dimensions définies par les trois axes de pivot. Les paliers de rotation des bras qui pivotent sont à cheval sur les axes de pivot et inscrits chacun pour moitié dans la surface définie par les axes de pivot des bras. Les bras sont, au moins dans leur partie terminale, radiaux et s'étendent vers l'extérieur du support central. L'amplitude de déplacement est minimisée par l'étendue du support qui doit avoir une taille suffisante pour porter les actionneurs et souvent un quatrième bras formant préhenseur reliant la grande base à la petite base. L'amplitude de mouvement est liée à la longueur utile du bras. L'encombrement est défini par le cercle passant par les extrémités des bras lorsque le système est en position neutre, les bras sont alors dans un même plan ici horizontal. Les axes des bras sont généralement montés de telle sorte que les axes longitudinaux des dits bras se coupent au centre du triangle formé par les axes de pivot. On comprend bien que plus le support est de grande dimension pour un encombrement donné, plus la longueur des bras sera réduite. Ainsi pour un encombrement d'environ 550 millimètres de rayon, la longueur du bras est de 350 millimètres, la hauteur travail obtenue est ainsi de l'ordre de 300 millimètres et le diamètre de l'aire de travail de l'ordre de 1100 millimètres . Pour augmenter la longueur des bras, pour un encombrement donné, il faudrait réduire la taille du support mais celuici dépend de la taille des actionneurs et dans les configurations connues il ne peut être fortement réduit. Or, l'encombrement doit aussi être un facteur pris en compte pour l'implantation desdits robots. De plus qui dit réduire la taille du support dit aussi pour certaines des positions possibles des bras réduire la rigidité d'ensemble des éléments mobiles du robot. Ces contraintes concourent à la définition actuelle de l'état de l'art qui est constitué de robots parallèles à large base fixe portant des bras rayonnants vers l'extérieur. L'invention propose un dispositif qui apporte une plus grande compacité. A cet effet, l'invention se rapporte à un dispositif de déplacement du type parallèle comprenant au moins trois bras pivotants chacun autour d'un axe de pivot, les axes de pivots formant en vue de dessus un polygone, chacun des bras étant actionné par un actionneur, et chacun de ces bras étant, en outre, relié à une tête formant une petite base par l'intermédiaire d'éléments de liaison articulés respectivement sur la tête et sur le bras, les articulations étant à deux degrés de liberté, la tête gardant toujours son orientation et son inclinaison, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'en position dite neutre des bras, chaque bras est disposé de telle sorte que si on trace une droite parallèle à l'axe de pivot de l'un quelconque des bras, cette droite passant par le centre du polygone, ladite droite coupe ledit bras considéré. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après, faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin qui représente : FIG 1 : Art antérieur FIG 2 un robot selon l'invention FIG 3 le robot de la figure 2 avec les actionneurs positionnés à l'intérieur FIG 4 une variante de robot avec axes inclinés FIG 5 une vue en perspective du robot de la figure 4. FIG 6 une autre variante de robot FIG 7 une vue en perspective du robot de la figure 6 FIG 8 une troisième variante avec des bras non rectilignes FIG 9 une quatrième variante avec quatre bras FIG 10 un exemple de commande de l'outil de préhension FIG 11 : la figure 10 vue de l'autre coté. FIG 12 : vue de dessus d'une ligne de production avec des robots de l'art antérieur FIG 13 : vue de dessus d'une ligne de production avec des robots selon l'invention En se reportant au dessin, on voit un dispositif 1 de déplacement d'objets du type parallèle. Ce dispositif permet de déplacer des objets avec une cadence élevée. Classiquement, le dispositif comprend au moins trois bras 2 pivotants chacun autour 20 d'un axe 3 de pivot. Les axes de pivots sont soit dans un plan, soit inclinés par rapport à un plan parallèle à un plan de travail de la tête. Généralement lorsque les axes sont inclinés, ils forment une sorte de chapeau chinois sommet en haut mais la pointe en bas est possible et ne change rien à l'invention. 25 En vue de dessus, les axes de pivots ou leurs projections dans un plan parallèle au plan de travail de la tête forment un polygone tel un triangle pour trois bras et un carré ou rectangle pour quatre bras. Les bras 2 sont rectilignes ou non rectilignes ( figure 8). Pour des raisons de facilité de compréhension, la description ci-après a été réalisée en 30 considérant que les axes de pivots sont dans un plan horizontal. Un actionneur 4 engage au moins indirectement une des deux extrémités de chaque bras pivotant, chacun de ces bras 2 étant, en outre, relié à une tête 5 par l'intermédiaire d'éléments de liaison 6 articulés respectivement sur la tête et sur le bras. Ces articulations 60 sont à deux degrés de liberté. Le dispositif de déplacement du type parallèle forme une sorte de pyramide tronquée déformable à grande base polygonale comprenant au moins trois bras 2 pivotants chacun autour d'un axe 3 de pivot guidé en rotation sur au moins un palier 7, chacun des bras étant actionné par un actionneur 4, et chacun de ces bras étant, en outre, relié à une tête 5 formant la petite base par l'intermédiaire d'éléments de liaison 6 articulés respectivement sur la tête et sur le bras à deux degrés de liberté, la tête gardant toujours son orientation et son inclinaison. En une position que l'on appellera neutre, la tête se trouve à l'aplomb de la surface projetée et tous les bras sont horizontaux c'est à dire parallèles à un plan de travail de la tête. Les plans de travail de la tête sont parallèles et non-concentriques Selon une caractéristique, chaque bras est disposé de telle sorte qu'il est possible à partir du centre du polygone P, de tracer une demi-droite parallèle à l'axe de pivot de l'un quelconque des bras, ladite droite coupant ledit bras considéré. Les axes longitudinaux des bras forment un triangle pour une configuration à trois bras ou, par exemple, un carré (figure 9) lorsqu'il y a quatre bras. Les bras peuvent être 20 plus longs ou plus courts que les cotés du polygone. Cette configuration des bras se vérifie lorsque les bras sont sensiblement dans un plan parallèle au plan de travail de la tête. En effet, lorsque les bras sont proches de la verticale, la droite parallèle ne peut couper le bras. 25 Comme on peut le voir les actionneurs sont montés soient à l'extérieur du polygone exemple de la figure 2. soit au moins pour partie à l'intérieur dudit polygone exemple de la figure 3. Ils peuvent être placés en dehors du plan passant par ce polygone En comparant la figure 1 de l'art antérieur et la figure 2 qui est celle de la nouvelle implantation des bras, on constate une différence d'encombrement. 30 Les robots figure 1 et 2 ont sensiblement la même aire de travail en x,y z mais lerobot de la figure 2 est plus compact. Sur la figure 1, on a représenté l'encombrement par un cercle Cl que l'on a reproduit sur la figure 2. On voit que pour des bras de même longueur l'encombrement est plus réduit dans le mode de réalisation de l'invention. On voit que cet encombrement peut encore être réduit si on place les actionneurs à l'intérieur du triangle délimité par les axes longitudinaux des bras. On a représenté en figures 14,15,16 des exemples de têtes 5. Dans l'exemple figure 15, les pièces transversales 80 qui joignent les deux points d'articulations bas des éléments de liaison à la tête sont disposés radialement par rapport à la tête. Dans les versions figures 14 et 16 les axes longitudinaux de ces pièces transversales forment un triangle. Sur la figure 14 le point d'attache des pièces transversales est au sommet du triangle alors que pour la figure 16, le point d'attache est au milieu du coté du triangle Les axes de ces pièces transversales peuvent être parallèles ou inclinés par rapport au plan de travail de la tête 5. Dans certaines variantes les éléments de liaison pourront être rectilignes dans d'autres ils pourront être incurvés ou bien en S. Avantageusement on utilisera des rotules 60 en céramique aux points d'articulation avec les éléments de liaison. Il pourra être utile dans les environnements poussiéreux ou humides d'équiper les rotules d'un dispositif de surpression et les paliers de dispositifs d'étanchéité afin d'en prévenir l'encrassement et la détérioration. Compte tenu des très fortes accélérations dont est capable le manipulateur, il pourra également être utile de doubler les points d'attache des éléments de liaison par des câbles de sécurité ou tout autre élément de même usage. Les éléments de liaison pourront être de section ronde, ovale ou polygonale en brins simples ou assemblés. On voit entre autre que le dispositif comprend un préhenseur 10 à transmission télescopique. Ce préhenseur est monté en son centre (centre de la pyramide à trois cotés lorsque celle ci est en son point zéro, les bras étant dans le même plan que les axes de pivot.). Un guidage en rotation, pour ce préhenseur est réalisé sur la tête du dispositif. Un actionneur supplémentaire peut faire tourner le préhenseur autour de son axe longitudinal. Le préhenseur peut être équipé d'une ventouse, de griffes ou tout autre moyen pour saisir un objet. Le préhenseur est souvent mobile le long de son axe longitudinal et il est souvent constitué d'un actionneur, d'une articulation haute, d'une transmission télescopique (deux tiges qui coulissent l'une dans l'autre), d'une articulation basse (cardan ou rotule) positionnée sur la tête et d'un organe de préhension. Avantageusement, l'articulation haute se positionne au dessus du plan A contenant les bras lorsqu'ils sont horizontaux. C'est à dire, par rapport au plan A, elle se situe dans l'espace opposé à celui contenant la tête. Ou encore le plan A est disposé entre l'articulation haute et la tête. Les actionneurs sont, par exemple, des moteurs électriques connus sous l'appellation brushless mais il pourrait s'agir de moyens différents. Ils peuvent être montés en bout d'axe mais une transmission par courroie crantée ou autre permet de les positionner dans un plan différent. Il peut être prévu que ce préhenseur soit relié à son actionneur non par une transmission télescopique mais par une chaîne cinématique ( figure 10-11) parallèle avec système de démultiplication, ou bien par une commande à câbles et avec système de démultiplication. Il peut être aussi prévu que l'actionneur de ce préhenseur soit monté directement sur la tête mais cela augmente le poids donc l'inertie. On l'aura vu l'un des avantages de ce dispositif est sa compacité en comparaison à sa zone de travail. Il suffit de se reporter au figure 12 et 13 pour comparer 25 l'encombrement sur une ligne de production. Cette compacité permet d'appareiller les robots de nombreuses manières allant jusqu'à la réalisation de matrices de robots, figure 12 . Lorsque l'on sait que pour les applications de pick & place pour le conditionnement de produits manufacturés, une trajectoire sur deux du robot est 30 généralement réalisée à vide, on comprendra tout l'intérêt qu'il y a à appareiller les robots au plus prêt les uns des autres ce qui permet en certains points de l'espace la superposition de leurs aires de travail respectives. Un système de gestion du groupe de robots ainsi constitué permettra à tous les robots de travailler ensemble harmonieusement et sans collisions. On notera qu'en figure 4 ou 8 les paliers (7) des actionneurs sont en dehors du 5 polygone formé pas les axes de pivotement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déplacement du type parallèle comprenant au moins trois bras (2) pivotants chacun autour d'un axe de pivot, les axes (3) de pivots formant en vue de dessus un polygone (P), chacun des bras étant actionné par un actionneur (4), et chacun de ces bras étant, en outre, relié à une tête (5) formant une petite base par l'intermédiaire d'éléments (6) de liaison articulés respectivement sur la tête et sur le bras, les articulations étant à deux degrés de liberté, la tête gardant toujours son orientation et son inclinaison, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'en position dite neutre des bras, chaque bras est disposé de telle sorte que si on trace une droite (D) parallèle à l'axe de pivot de l'un quelconque des bras, cette droite passant par le centre (C) du polygone, ladite droite coupe ledit bras considéré 2. Dispositif de déplacement du type parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les axes de pivots sont dans un même plan. 3. Dispositif de déplacement du type parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les axes de pivots sont inclinés par rapport à un plan horizontal parallèle à un plan de travail de la tête. 4. Dispositif de déplacement du type parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les actionneurs sont à l'extérieur du polygone formé par les axes de pivots. 5. Dispositif de déplacement du type parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les actionneurs sont au moins pour partie à l'intérieur du polygone formé par les axes de pivots. 6. Dispositif de déplacement du type parallèle selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les pièces transversales (80) qui joignent les deux points d'articulations (60) bas des éléments de liaison à la tête sont disposés radialernent par rapport à la tête. 7. Dispositif de déplacement du type parallèle selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments (6) de liaison ne sont pas rectilignes. 8. Dispositif de déplacement du type parallèle selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un préhenseur télescopique articulé en sa partie supérieure, ce dispositif de déplacement étant caractérisé en ce que l'articulation considérée se situe au dessus du plan A passant par les bras horizontaux. 9. Dispositif de déplacement du type parallèle selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les bras (2) ne sont pas rectilignes. 10. Dispositif de déplacement du type parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les paliers (7) sont en dehors du polygone.