Brevet FR2964337A1 — publié le 20120309

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un robot parallèle doté six degrés de liberté. Ce robot permet de déplacer et d'orienter une plateforme, permet d'effectuer des mesures de position dans l'espace ou peut servir de dispositif haptique. La plateforme peut être équipée d'un outil, d'un instrument, d'un dispositif émetteur, d'un dispositif récepteur, d'un dispositif de mesure et/ou d'un dispositif de préhension. TECHNIQUE ANTERIEURE 10 Les robots parallèles sont composés d'un groupe de chaînes cinématiques, comportant des actionneurs, agissant en parallèle depuis une base sur une plateforme. Les robots parallèles ont pour avantage une grande rigidité et une grande précision de positionnement et d'orientation, et peuvent atteindre des vitesses de déplacement et des 15 accélérations importantes. Ils présentent un temps de calcul rapide du modèle géométrique inverse. Dans la suite, le qualificatif "passif' appliqué à un élément, une liaison ou une articulation signifie que cet élément, cette liaison ou cette articulation ne comporte pas d'actionneur motorisé. Les liaisons pivot, cardan et sphérique détaillées dans la suite sont 20 toutes des liaisons passives. Le robot hexapode de Gough est constitué d'une plateforme articulée à la base au moyen de six jambes constituées chacune d'un actionneur muni à ses deux extrémités d'une articulation passive. Chaque articulation, fixée sur la plateforme, évolue sur une sphère de rayon égal à 25 la distance entre les centres de rotation des deux articulations d'une même jambe et ayant pour centre le centre de rotation de l'articulation fixée à l'autre extrémité de ladite jambe, une posture de la plateforme étant déterminée par la combinaison des différents rayons. Le calcul géométrique direct nécessite la résolution d'un système d'équations non linéaires, extrêmement coûteux en temps de calcul, et présente plusieurs solutions. Ainsi 30 pour même combinaison de position de la partie mobile des actionneurs, relativement à leur partie fixe respective, la plateforme peut présenter plusieurs postures, il en résulte la présence de configurations singulières de type parallèle lorsque ces postures, solutions du calcul géométrique direct, sont extrêmement proches les unes des autres, ce qui entraîne 1 une faible amplitude d'orientation de la plateforme de l'ordre de +/- 40 degrés autour de chacun des axes X,Y et Z. Dans une variante, afin de faciliter la résolution du calcul géométrique direct, les articulations de deux jambes consécutives de la plateforme et / ou de la base sont constituées d'une double rotule concentrique, dont le centre de rotation évolue sur un cercle correspondant à l'intersection des deux sphères relatives à chacune des jambes liées à ladite double rotule. Cette solution présente l'inconvénient de restreindre l'amplitude angulaire de l'espace de travail à cause du faible débattement angulaire des doubles rotules, qui sont par ailleurs difficiles à réaliser et qui présentent une faible capacité de charge. La plateforme de Stewart, décrite dans l'article "A Platform with 6 degrees of freedom. Proc. of the Institution of mechanical engineers, 180 (Part 1, 15):371-386, 1965" comporte trois sous-ensembles constituées chacun d'un premier actionneur dont la partie fixe est articulée à la partie mobile d'un deuxième actionneur, les parties fixes des deux actionneurs étant articulées à une même pièce intermédiaire, articulée à la base, libre en rotation autour d'un axe vertical, la partie mobile du premier actionneur étant articulée à la plateforme, les trois axes verticaux étant parallèles entre eux. Cette architecture présente une moindre rigidité que celle de l'hexapode car la plateforme est articulée directement à la partie mobile de seulement trois actionneurs. Cette architecture est pénalisée par ailleurs par la présence de pièces intermédiaires articulées à la base dont le maintien parfaitement vertical nécessite une construction renforcée, étant données les forces exercées par la plateforme sur ces pièces intermédiaires. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de proposer un robot présentant les avantages des robots parallèles connus en éliminant leurs inconvénients. Les principaux avantages du robot de la présente invention résident dans le fait que sa plateforme présente une unique posture pour une combinaison donnée de position de la partie mobile des actionneurs, ne présente pas de configuration singulière de type parallèle à l'intérieur de l'espace de travail, bénéficie d'une amplitude d'orientation supérieure à +/- 90 degrés autour des axes X,Y et Z, et bénéficie d'un calcul simple et rapide des modèles géométriques direct et inverse permettant le pilotage, la vérification de la conformité de la trajectoire et la modification de la trajectoire de la plateforme en temps réel. Ces objectifs sont atteints grâce à l'invention ayant pour objet un robot parallèle, doté de six degrés de liberté, comprenant une base et une plateforme couplée à la base par des moyens de mise en mouvement qui comportent au moins quatre sous-ensembles, agissant en parallèle depuis la base sur la plateforme, constitués chacun d'un robot plan comprenant uniquement deux actionneurs linéaires dont l'extrémité de la partie mobile de chacun desdits deux actionneurs, dudit sous-ensemble, sont liées l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive, l'extrémité de la partie mobile d'un seul desdits deux actionneurs, dudit sous-ensemble, étant articulée à la plateforme uniquement au moyen d'une articulation passive dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives, la partie fixe de chacun desdits deux actionneurs étant liée à la base au moyen d'une liaison passive dotée de trois degrés de liaison en translation et d'au moins deux degrés de liberté en rotation équivalente à au moins deux liaisons pivot passives. Dans la suite, l'expression "seule liaison pivot" désigne uniquement la seule liaison pivot passive liant la partie mobile du premier actionneur à la partie mobile du deuxième actionneur d'un sous-ensemble. L'expression "articulation passive" désigne uniquement l'articulation passive liant 20 l'extrémité de la partie mobile d'un seul desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à la plateforme. Par convention, l'articulation passive sera solidaire du premier actionneur d'un sous-ensemble. L'expression "liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie 25 fixe de chacun desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à la base. L'expression "première liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie fixe du premier desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à la base. L'expression "deuxième liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie fixe du deuxième desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à la base. 30 Ainsi, pour chaque sous-ensemble, la seule liaison pivot évolue sur un cercle qui correspond à l'intersection d'une première sphère ayant pour centre le centre de rotation de la première liaison passive et de rayon d'une longueur égale à la distance entre le centre de rotation de ladite première liaison passive et le centre de rotation de ladite seule liaison pivot, et d'une deuxième sphère ayant pour centre le centre de rotation de la deuxième liaison passive et de rayon d'une longueur égale à la distance entre le centre de rotation de ladite deuxième liaison passive et le centre de rotation de ladite seule liaison pivot. Pour chaque sous-ensemble, le centre de rotation de l'articulation passive évolue sur 5 un cercle homothétique au précédent cercle dans une homothétie ayant pour centre le centre de rotation de la première liaison passive. L'articulation passive de chaque sous-ensemble étant contrainte à évoluer sur un cercle et non sur sphère, il en résulte une simplification importante dans la résolution du calcul géométrique direct qui montre que pour chaque combinaison donnée de position de 10 la partie mobile des actionneurs, la posture de la plateforme est unique, étant donné que le nombre de sous-ensembles est au moins égal à quatre. Une disposition dans un même plan des liaisons passives telle qu'en position de repos de la plateforme, les robots plans se situent sur les faces d'une pyramide, permet à deux sous-ensembles situés sur des faces opposées d'appliquer un couple sur les 15 articulations passives respectives autour d'un axe passant par les centres de rotation des deux autres articulations passives fixées sur la plateforme, entraînant ainsi l'absence de singularité de type parallèle. Les points correspondant à la projection selon une direction normale au plan de la base sur un même plan parallèle à la base du centre de rotation de toutes les liaisons 20 passives, liant la partie fixe des actionneurs à la base, de quatre sous-ensembles desdits au moins quatre sous-ensembles sont disposés sur les côtés d'un quadrilatère. La meilleure disposition du robot est obtenue lorsque ledit quadrilatère est un carré. Il est aussi possible d'avoir une disposition du robot telle que ledit quadrilatère est un parallélogramme, ou un rectangle ou un losange. 25 La partie mobile des actionneurs peut être mise en mouvement au moyen de moteur électrique, pneumatique, hydraulique, linéaire, piézo-électrique, de champs magnétiques variables ou à l'aide de câbles entraînés par des moteurs. Le robot est pourvu de moyens de commande destinés à commander les moteurs des actionneurs de façon à commander les mouvements de la plateforme. 30 Les actionneurs peuvent être passifs, dans le cas d'un robot servant de dispositif haptique, et être constitués de capteur de déplacement linéaire. Le robot peut être muni d'une pince, de caméras et de dispositif de mesure de la position et de l'orientation dans l'espace de la base et/ou de la plateforme. DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées faisant partie intégrante de ladite description et qui sont toutes des vues en perspective, parmi lesquelles : la figure 1 présente un robot, doté de six degrés de liberté, comportant quatre sous-ensembles, constitués chacun d'un robot plan, - la figure 2 présente une variante du précédent robot, dans laquelle la partie fixe (2.1, 2.2) des actionneurs (2.1, 2.2) est liée à la base (1) en un point situé à l'extrémité de la partie fixe (2.1, 2.2) la plus proche de la partie mobile (3.1, 3.2), - la figure 3 présente le détail d'une variante de forme de la partie mobile (3.1, 3.2) des actionneurs (2.1, 2.2). Dans les figures, seule la partie fixe des liaisons constituant les éléments de liaison est représentée, la partie mobile étant solidaire d'un autre élément et donc confondue avec cet autre élément. Un élément de liaison, constitué de plusieurs liaisons, est numéroté de façon globale avec un nombre entier. Une liaison intégrée dans un élément de liaison est numéroté avec un indice supplémentaire constitué d'une lettre de l'alphabet. Un indice numérique ajouté au nombre désignant un élément identifie l'élément au sein du sous-ensemble. Un actionneur est désigné par le numéro correspondant à sa partie fixe. MEILLEURES MANIERES DE REALISER L'INVENTION La figure 1 présente un robot, doté de six degrés de liberté, dont les moyens de mise en mouvement comportent au moins quatre sous-ensembles constitués chacun d'un robot plan comprenant uniquement deux actionneurs linéaires (2.1, 2.2) dont l'extrémité de la partie mobile (3.1, 3.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) sont liées l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive (10). L'extrémité de la partie mobile (3.1) d'un seul (2.1) des deux actionneurs (2.1, 2.2), d'un même robot plan, étant articulée à la plateforme (100) uniquement au moyen d'une articulation passive (4) dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives. 5 La partie fixe de chacun des deux actionneurs (2.1, 2.2), d'un même robot plan, étant liée à la base (1) au moyen d'une liaison passive (5.1, 5.2) dotée de trois degrés de liaison en translation et d'au moins deux degrés de liberté en rotation équivalente à au moins deux liaisons pivot passives. Les liaisons (4, 5.1, 5.2) sont présentées sous la forme d'un assemblage de liaisons pivot montées en série, dont les axes de rotation sont de préférence tous concourants en un même et unique point, correspondant au centre de rotation de ladite liaison. Ces liaisons (4, 5.1, 5.2) bénéficient d'une amplitude angulaire importante. Des rotules peuvent aussi être utilisées en remplacement de ces assemblages. La structure mobile est de forme quelconque et peut prendre des formes particulières telles que carré, rectangle, parallélogramme, losange. La figure 2 présente une variante du robot de la figure 1, dans laquelle la partie fixe (2.1, 2.2) des actionneurs (2.1, 2.2) est liée à la base (1) en un point situé à l'extrémité de la partie fixe (2.1, 2.2) la plus proche de la partie mobile (3.1, 3.2), augmentant ainsi la rigidité du robot. Les deux liaisons passives (5.1, 5.2) sont constituées chacune d'une première liaison pivot passive (5.a) dont la partie mobile est solidaire de la partie mobile d'une deuxième liaison pivot passive (5.b) commune dont la partie fixe est solidaire de la base (1). Une autre deuxième liaison passive optionnelle, d'axe de rotation identique à l'axe de rotation de la deuxième liaison pivot passive (5.b) précédente, peut être ajoutée afin de renforcer la rigidité de la structure du robot. Cet agencement des actionneurs (2.1, 2.2) permet de diminuer la longueur des branches entre la base (1) et la plateforme (100) et de réduire le nombre de liaisons pivot (5.a, 5.b) constitutives des liaisons passives (5.1, 5.2), augmentant ainsi la rigidité et la précision du robot. Cette variante est particulièrement adaptée pour constituer un dispositif d'usinage. La figure 3 présente le détail d'une variante de forme de la partie mobile (3.1, 3.2) des actionneurs (2.1, 2.2), dans laquelle l'extrémité des parties mobiles (3.1, 3.2) des actionneurs (2.1, 2.2) sont constituées d'une série de plaques parallèles distantes dont le profil correspondant à l'un des actionneurs (2.1) s'encastre dans le profil correspondant à l'autre actionneur (2.2) du même sous-ensemble afin de renforcer la rigidité du robot en évitant une torsion du robot plan pouvant résulter des contraintes exercées par la plateforme et sa charge. L'emplacement de l'articulation passive (4) peut être situé à l'extrémité de la partie mobile (3.1) du premier actionneur de telle sorte que le centre de rotation de ladite articulation passive (4) coïncide avec le centre de rotation de la seule liaison pivot (10) d'un sous-ensemble. Afin d'améliorer la dextérité de la plateforme (100) dans une portion de l'espace de travail en terme d'amplitude angulaire, il est possible de disposer les liaisons passives (5.1, 5.2) de différents sous-ensembles dans des plans différents, afin de limiter les longueurs de la partie mobile (3.1, 3.2) des actionneurs (2.1, 2.2) d'un sous-ensemble par rapport aux longueurs de la partie mobile des actionneurs d'un autre sous-ensemble. Le nombre de sous-ensembles peut être augmenté afin de déplacer des charges importantes ou de grandes envergures, de même il est possible d'ajouter une ou plusieurs jambe(s) constituée(s) d'un actionneur articulé d'une part à la base et d'autre part à la plateforme. L'expression "partie fixe" et "partie mobile" des liaisons pivot constitutives des liaisons passives ne servent qu'à nommer l'une des parties d'une liaison pivot par rapport à l'autre, puisque les deux parties d'une liaison pivot sont mobiles l'une par rapport à l'autre. POSSIBILITES D'APPLICATION INDUSTRIELLE Le robot peut être utilisé dans des domaines d'application très variés, notamment celui des machines-outils ou des dispositifs d'assemblage nécessitant des déplacements et des orientations de grande précision de l'outil ou de l'objet à usiner ou à assembler. Le robot est particulièrement intéressant pour l'usinage d'optique grâce à sa très grande précision angulaire. Le robot peut servir à déplacer et/ou orienter un objet de masse importante ou des dispositifs tels que dispositif de mesure médical, outil chirurgical, théodolite, télescope, émetteur / récepteur d'onde de télécommunication, émetteur / récepteur de rayonnement (laser, rayon X). Le robot peut servir à constituer une machine à mesurer tridimensionnelle. Le robot peut servir à réaliser les mouvements d'un simulateur de moyens de locomotion ou d'une machine d'attraction, disposant d'une grande amplitude d'orientation. Le robot peut servir de poignet pour un robot sériel, apportant à celui-ci une très grande précision de mouvement localement, sans mettre en mouvement l'ensemble des éléments du bras du robot, la position de la base et/ou de la plateforme du robot parallèle dans l'espace étant déterminée(s) par un dispositif de mesure. Le robot peut être adjoint au bras d'un engin de chantier, à un engin de manutention ou à une grue articulée. Le robot peut servir dans des opérations de palettisation, notamment de charges importantes, avec un espace de travail important bénéficiant de plages angulaires d'orientation importantes de la plateforme. Le robot peut servir de dispositif haptique permettant de détecter le déplacement et l'orientation de la plateforme effectués par un opérateur par rapport à la base par l'emploi de capteurs de position de la partie mobile des actionneurs, et complété ou non par un dispositif de retour de force. Le robot peut servir de troisième main pour maintenir un objet, lorsque les actionneurs sont passifs et sont dotés d'un dispositif de blocage commandé. Le robot peut être monté sur un dispositif de déplacement linéaire, rotatif, cartésien ou de type portique. Plusieurs robots peuvent collaborer à la manipulation d'un objet de grande 15 dimension ou de masse importante. Les secteurs d'activités susceptibles d'utiliser de tels robots sont variés : construction automobile, navale et aéronautique, construction de bâtiment, électronique, agro-alimentaire, manufacture, biotechnologies, médical, métrologie, mécanique, logistique, ...