Brevet FR2981339A1 — publié le 20130419

MANIPULATEUR DE CHARGE A EQUILIBRAGE AMELIORE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un manipulateur pour déplacer une charge en état d'équilibre présentant un équilibrage amélioré. Un manipulateur est un système articulé permettant de manipuler une charge dans un espace de travail défini Le système est tel qu'il équilibre le poids de la charge, de façon à permettre une manipulation gestuelle libre suivant plusieurs degrés de liberté. Dans la pratique, la masse du manipulateur est du même ordre de grandeur que sa capacité de charge. De ce fait, il est important de considérer aussi bien l'équilibrage de la structure que celui de la charge. Il existe des manipulateurs basés sur le principe du parallélogramme déformable. Un tel manipulateur est par exemple décrit dans le document FR 2 754 527. Celui-ci comporte un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre- balancier et formant un parallélogramme déformable, le balancier présentant à son extrémité libre, un point d'application d'une force due à la charge. L'un des bras du parallélogramme est articulé sur un axe de pivotement sensiblement horizontal porté par un châssis. En outre, il comporte un compensateur pour appliquer un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge. Ce compensateur agit en un point tel qu'il se trouve toujours aligné avec l'axe de pivotement et le point d'application de la force due à la charge. Ce compensateur comporte un contrepoids adapté pour équilibrer l'appareil à vide et par exemple un moyen de traction pour générer un effort compensateur lorsque la charge est non nulle. Or, les calculs montrent que la valeur du contrepoids et sa position sur le contre-balancier sont calculés de façon unique en fonction de la géométrie et des poids des pièces constituant le mécanisme. La réalisation d'un tel manipulateur peut être complexe, notamment à cause des contraintes d'encombrement. En effet, une fois la géométrie du manipulateur définie, qui est par exemple imposée par la fonction et l'espace de travail auxquels il doit répondre, la position du contrepoids est imposée, et peut par exemple se situer à plusieurs mètres de l'axe de rotation, sans qu'on puisse la modifier. Le contrepoids rendrait alors le manipulateur très encombrant et gênerait sa manipulation. Afin de tenir compte des incertitudes de réalisation dans l'équilibrage, il serait préférable de pouvoir régler la position du contrepoids et sa valeur, cependant ce dernier réglage serait complexe à effectuer. EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un manipulateur de conception simple et de prix de revient réduit offrant une compensation parfaite du poids du manipulateur et de la charge manipulée en tout point de l'espace de travail. Le but de la présente invention est atteint par un manipulateur du type à parallélogramme déformable comportant un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier et formant un parallélogramme déformable, le parallélogramme étant articulé sur un châssis autour d'un axe sensiblement horizontal, des moyens d'application d'un effort compensateur de la charge, et des moyens de compensation du poids de la structure du manipulateur à vide. Les moyens de compensation comportent au moins deux contrepoids, un premier contrepoids dont le poids s'applique en un point d'application aligné avec le point d'application de la force due à la charge et le point défini par l'intersection de l'axe horizontal et le plan contenant le parallélogramme déformable, quelle que soit la position de la charge, et un deuxième contrepoids dont le poids s'applique sur le bras de flèche ou le bras de renvoi. Les moyens d'application d'un effort compensateur de la charge à compenser appliquent leur effort au point d'application de compensation. Grâce à l'invention, en mettant en oeuvre plusieurs contrepoids, on confère un degré de liberté dans le calcul de la valeur et de la position de ces contrepoids. Ce degré de liberté permet de disposer les contrepoids de façon à encombrer le moins possible le fonctionnement du mécanisme. Le manipulateur présente en outre une séparation des fonctions d'équilibrage de la structure et de la charge. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le manipulateur comporte deux contrepoids supplémentaires disposés, pour l'un sur le contre-balancier et, pour l'autre sur le bras de renvoi, ces contrepoids ayant une position réglable. Ces contrepoids permettent de réaliser un équilibrage précis du manipulateur à vide, ce qui permet la mise en place d'une compensation proportionnelle du poids de la charge, i.e. la fonction reliant la force exercée par la charge et l'effort compensateur est une fonction linéaire. En outre, ils permettent de s'affranchir de l'incertitude sur la réalisation du système. De plus, le réglage des positions des contrepoids se fait séquentiellement et non de façon couplée. Ceci permet une procédure d'équilibrage simple et précise. La présente invention a alors pour objet un manipulateur de charge comportant un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier de sorte à former un parallélogramme déformable, un axe de rotation sensiblement horizontal sur lequel est articulé le bras de flèche ou le bras de renvoi, l'axe de rotation étant porté par un châssis, l'axe de rotation étant sécant avec le bras de flèche ou le bras de renvoi et des moyens d'équilibrage appliquant entre autres un effort pour compenser une valeur donnée de la force due à la charge, en un point d'application, dit point d'application de compensation, ledit point d'application de compensation étant un point du contre-balancier et/ou du bras non articulé autour de l'axe de rotation tel qu'il est toujours aligné avec un point du balancier d'application de la force due à la charge et un point de l'axe de rotation situé dans le plan du parallélogramme déformable, dans lequel les moyens d'équilibrage comportent un premier contrepoids et un deuxième contrepoids adaptés pour équilibrer le manipulateur à vide et des moyens pour compenser la valeur de la force de la charge, le poids du premier contrepoids et l'effort compensateur de la valeur de la force de la charge s'exerçant sur le point d'application de compensation et le poids du deuxième contrepoids s'exerçant sur le bras articulé autour de l'axe de rotation. Dans un exemple particulièrement avantageux, le manipulateur comporte un troisième contrepoids et un quatrième contrepoids, le troisième contrepoids étant porté par le bras non articulé autour de l'axe de rotation et le quatrième contrepoids étant porté par le contre-balancier, la valeur du troisième contrepoids et la valeur et la position du quatrième contrepoids étant choisies de sorte que la valeur de l'effort d'équilibrage appliquée au point d'application de compensation est une fonction linéaire de la force appliquée par la charge sur le balancier et la position du troisième contrepoids étant choisie de sorte à compenser l'effet du quatrième contrepoids sur l'équilibrage du manipulateur. De manière avantageuse, le troisième contrepoids a une position réglable le long du bras qui le porte et le quatrième contrepoids a également une position réglable le long du contre-balancier. Dans ce cas, les contrepoids sont calculés de façon peu précise (la valeur du deuxième contrepoids peut être un multiple entier d'une masse donnée, dans le cas d'empilement de plaques identiques par exemple), et le réglage des positions du troisième et du quatrième 10 contrepoids permet de palier cette imprécision, ainsi que les imprécisions de fabrication. Dans un autre mode de réalisation, les contrepoids sont remplacés par des systèmes à ressorts. Par exemple, le point d'application de 15 compensation est situé au point d'articulation du bras non articulé autour de l'axe de rotation et du contre-balancier et dans lequel le deuxième contrepoids est relié à une extrémité libre du bras articulé autour de l'axe de rotation opposée à celle articulée sur le 20 balancier. Les moyens pour compenser la valeur de la force de la charge sont par exemple formés par des moyens de traction. Ces moyens de traction peuvent être formés par un vérin muni d'une tige qui applique une 25 force au point d'application. Le premier contrepoids est alors avantageusement monté autour de la tige du vérin. De manière avantageuse, le châssis est mobile en rotation autour d'un axe sensiblement 30 vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal. Un organe moteur peut être prévu pour déplacer le châssis en rotation autour d'un axe sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention ; - la figure 2 est un schéma du manipulateur de la figure 1, sur lequel les forces exercées sur les différents éléments du manipulateur sont représentées ; - la figure 3 est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention ; - la figure 4 est un schéma partiel du manipulateur de la figure 3, sur lequel les forces exercées sur les différents éléments du manipulateur sont représentées. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur les figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un manipulateur selon l'invention. Le manipulateur comporte un bras de flèche 1 et un bras de renvoi 3 montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier 2 et par un contre-balancier 4 et formant un parallélogramme déformable. Le parallélogramme est contenu dans un plan destiné à être sensiblement vertical. Une première extrémité 2.1 du balancier 2 est articulée en un point E sur une première extrémité 3.1 du bras de renvoi 3. Une deuxième extrémité 2.2 du balancier 2 forme un point d'application M de la force exercée par la charge à manipuler. Une première extrémité 1.1 du bras de flèche 1 est articulée sur le balancier 2 en un point G situé entre le point E et le point M. Le bras de flèche 3 est monté articulé sur un châssis 6 autour d'un axe sensiblement horizontal. L'intersection de l'axe horizontal et du plan du parallélogramme est désigné par O. Dans la suite, l'axe de rotation sensiblement horizontal sera également désigné O. Le contre-balancier 4 est articulé par une première extrémité 4.1 sur le bras de flèche 1 entre le point 0 et une deuxième extrémité longitudinale du bras de flèche 1 en un point A, et est articulé sur le bras de renvoi 3 au niveau de la deuxième extrémité longitudinale 3.2 du bras de renvoi 3 en un point C. La deuxième extrémité du bras de flèche 1 est désignée par la lettre B. Le manipulateur comporte également des moyens 8 pour assurer l'équilibrage à la fois à vide, i.e. lorsqu'aucune charge n'est suspendue en M, et en présence d'une charge. Les moyens d'équilibrage 8 comportent un premier contrepoids 10 articulé sur le contre-balancier et sur le bras de renvoi au point C, et un deuxième contrepoids 12 articulé sur le bras de flèche 1. Dans l'exemple représenté, le deuxième contrepoids 12 est articulé au point B. En outre, les moyens d'équilibrage 8 comportent des moyens développant un effort compensateur adapté à la charge. Il peut s'agir par exemple de moyens de traction. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, il s'agit d'un vérin 14 dont la tige 16 est articulée sur le contre-balancier 4 et sur le bras de flèche 1 au point C. De manière avantageuse, le premier contrepoids 10 est monté autour de la tige 16 du vérin, ce qui simplifie la réalisation du manipulateur, supprimant une articulation spécifique du premier contrepoids au point C. Le vérin 14 compense l'effet de la charge sur l'équilibre du manipulateur. Un manipulateur dans lequel le premier contrepoids 10 serait relié au point C de manière séparée par rapport au vérin ne sort pas du cadre de la présente invention. Le vérin peut être par exemple de type hydraulique ou électrique, les moyens développant un effort compensateur peuvent aussi être formés par un ou des ressorts. Le point d'application de compensation C pourrait se situer soit sur le bras non articulé sur l'axe de rotation, soit sur le contre-balancier, et non au niveau de l'articulation sans sortir du cadre de la présente invention. En outre, les contrepoids pourraient être remplacés en tout ou en partie par des systèmes à ressort permettant remplir les mêmes fonctions d'équilibrage. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le châssis est monté apte à pivoter sur le sol autour d'un axe vertical Z et apte à coulisser le long de deux axes horizontaux X et Y perpendiculaires entre eux. Le parallélogramme se déforme alors dans un plan apte à pivoter autour de l'axe Z. Ces articulations autour de l'axe Z et le long des axes horizontaux X et Y n'interviennent pas dans l'équilibrage du manipulateur. Avantageusement, un organe moteur permet le déplacement en rotation et/ou en translation du châssis. Dans l'exemple représenté, le châssis 6 repose sur le sol, le parallélogramme déformable étant disposé au-dessus du châssis. Un manipulateur dont le châssis serait par exemple suspendu à un plafond, le parallélogramme déformable étant situé en dessous du châssis ne sort pas du cadre de la présente invention. Sur la figure 2, les centres de gravité de chacun des éléments 1, 2, 3, 4 du manipulateur sont désignés par Gl, G2, G3, G4 respectivement. On désigne par P la force appliquée par la charge au point M, FIT la force exercée par les moyens d'équilibrage de charge au point C, et Fc la force exercée par le deuxième contrepoids au point B. Le poids de chacun des éléments 1, 2, 3, 4 est désigné par les vecteurs PI, PZ, P3, P4 respectivement. Dans l'exemple représenté, le point B n'est pas sur l'axe du bras de flèche ainsi que les points G1 et G2 et sont respectivement distants de cet axe de la distance a, b, c. Les vecteurs t et s désignent des vecteurs 30 de module 1 normaux au bras de flèche 1 et au balancier 2 respectivement. RB désigne la réaction du châssis au niveau de l'axe horizontal au point 0. Lorsque l'on écrit les équations d'équilibre des forces et des moments pour chacun des 5 éléments 1, 2, 3, 4, on obtient les équations suivantes : Rb -Fr c e F211 - F41=0 loB Arc + OGi A OG A F2i+ OA A F44 =Ô + F32 F21 + F = 0 (F12 = -F21) GG2 AP2 + GE AF,2 + GM A r3> + F 4 3 - F32 + = (F23 = -F32) EG3 A i'3 + EC A (r; +F43) = 10 P4-F43-F41 - A G4 A /54, - AC A F43 = L'équilibre des moments s'appliquant au bras de flèche s'écrit avec les points avec B' et G1', qui sont respectivement les projections de B et G1 sur 15 (0G) : OG At-OG ->013' OG' EC-EG3 OA EC-EG3 Fr + . + P2 + EC . P3 OG F - EC r4 . P3 + OG + +én + b. =ô (I) Cette équation doit être vérifiée en toute position (quels que soient OG et é) on obtient : 20 F,» OA = OG X +0G-EG3 X _ 0A P4 + -0G F (II) c os, os, os, 2 OB/ 3 OB/ os, a.rc = b.P1 (III) L'équilibre des moments s'appliquant au balancier s'écrit : GG2 A i'2> + GE A F32 +GMnF =Ô (IV) 25 En outre, GE A F32 = A G4 A /54, + GE A (i;, + /3 GE ) = AG4. GE A /54, + GE A (i;, + /3) (V) Or, -> -> GM GG2 = - GG2 .GE +cs (VI) et=-.GE (VII) GE GE On obtient donc à partir des équations (IV) , (V) , (VI) et (VII) : GG2 AG4 . GM GE A +SA c. =0 GE 2 GE + + P3 - GE .F Cette équation doit être vérifiée en toute position, donc quelque soit la direction du vecteur GE, ce qui implique que le vecteur entre accolades est nul. Le terme SAc.P2 ne pourra pas être compensé. Néanmoins, si nous faisons l'hypothèse que GE -1.3>- -.i, (IX) GG2 AG4 GE GE 2 GE A la condition que OG - = GM on obtient une OA GE solution unique (F17,17c)au système d'équations VIII-IX. L'effort compensateur Fv est fonction de la charge F et la valeur de la charge Fc est une constante. Cette égalité de rapport traduit géométriquement l'alignement du point d'application de CST compensation, de l'axe de rotation et du point d'application de la charge. Cette condition d'égalité de rapports de dimensions est peu contraignante pour la réalisation du système, en effet elle n'implique que le bras de flèche 1 et le balancier 2, et ne rend pas le manipulateur encombrant et/ou complexe à réaliser. Si le point d'application de compensation C était situé sur le balancier ou sur le contre-10 balancier, et non au niveau de l'articulation, on obtiendrait des égalités du même genre sur les longueurs traduisant l'alignement du point d'application de compensation, de l'axe de rotation et du point d'application de la charge. 15 On obtient alors : OG D, OG G2M D, EC - EG3 D, OA AG4 - AC OB' . Il + OB'. GM .PZ 2 + OB' .1 3 + GE. OB' .P4 (X) GM GG2 AG4 F' = GE GE .P + . i. 2 ' - i. 3 - - GE . i, (XI) CST En outre, à partir de l'équation (III), on obtient : PI a= b.-- Fc Il est alors possible de déterminer la valeur de a par exemple en mesurant le paramètre b à 20 partir de la réalisation CAO. Si GG1 se situe sur le segment OG, i.e. b est nul, a est nul et le point B se trouve aligné avec les points A, 0 et G. La valeur du premier contrepoids est donnée 25 par le module du vecteur désigné CST (équation XI), et la valeur du deuxième contrepoids est donnée par le module de Fc. (équation X). Grâce à l'invention l'équilibrage du manipulateur est rendu plus simple avec des conditions de réalisation du manipulateur relativement peu contraignantes. Il est alors aisé de réaliser un manipulateur équilibré en tenant compte des contraintes d'encombrement. Sur les figures 3 et 4, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention particulièrement avantageux. Ce manipulateur comporte outre les premier 10 et deuxième 12 contrepoids, des troisième 18 et quatrième 20 contrepoids. Le troisième contrepoids 18 est monté sur la deuxième extrémité 3.2 du bras de renvoi 3 et le quatrième contrepoids 20 est monté sur la deuxième extrémité 4.2 du contre-balancier 4. Chacun des troisième et quatrième contrepoids présente une position réglable le long de l'axe du bras de renvoi et du contre-balancier respectivement. Par exemple, le troisième et le quatrième contrepoids sont montés sur filetages le long du bras de renvoi 3 et du contre-balancier 4 respectivement, permettant un réglage en position facile. Tout autre moyen de réglage en position est envisageable. La valeur du troisième contrepoids 18 et la valeur et la position du quatrième contrepoids 20 sont choisies de sorte à annuler le terme CST dans l'équation XI. Ainsi, on obtient une fonction linéaire entre la valeur de Fv et la valeur de F, et non plus une fonction affine. La valeur de Fv est alors directement proportionnelle à F. Plusieurs familles de choix sont possibles pour ces trois paramètres, et ce degré de liberté permet de réduire l'encombrement des contrepoids. Cependant l'ajout du troisième et du quatrième contrepoids a pour effet de modifier la valeur de Fc et de fait celle du deuxième contrepoids 20. Or la valeur du deuxième contrepoids est déjà fixée. Il est alors possible de choisir la position du troisième contrepoids, on compense ainsi l'ajout du quatrième contrepoids dans l'équation X. Nous allons maintenant expliquer un exemple de procédé de réglage en position des troisième et quatrième contrepoids. Après assemblage des différentes pièces du manipulateur, le bras flèche 1 est fixé dans une position verticale, i.e. le segment [BG1] est positionné à la verticale de l'axe de rotation. Le quatrième contrepoids 20 est ensuite déplacé le long de l'axe AC pour assurer un équilibrage du balancier 2. Ensuite le bras de flèche 1 est relâché et le troisième contrepoids 18 est déplacé le long de la droite (EC). Ceci n'affecte pas le premier équilibrage effectué, puisque celui-ci dépend de la valeur de P3, mais ne dépend pas de la position de G3. Dans les exemples représentés, le premier contrepoids 10 applique son poids sur le bras de renvoi 3 et le deuxième contrepoids 12 applique son poids sur le bras de flèche 1. Cependant cette configuration n'est en aucun cas limitative. pourrait prévoir la configuration inverse, le bras renvoi 3 étant alors articulé autour du point O. On de On a bien réalisé un manipulateur de charge offrant un équilibrage amélioré, tout en étant de réalisation simple. REVENDICATIONS1. Manipulateur de charge comportant : - un bras de flèche (1) et un bras de renvoi (3) montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier (2) et par un contre-balancier (4) de sorte à former un parallélogramme déformable, - un axe de rotation sensiblement horizontal sur lequel est articulé le bras de flèche ou le bras de renvoi, l'axe de rotation étant porté par un châssis (6), l'axe de rotation étant sécant avec le bras de flèche ou le bras de renvoi, - et des moyens d'équilibrage (8) appliquant entre autres un effort pour compenser une valeur donnée de la force due à la charge, en un point d'application (C), dit point d'application de compensation, ledit point d'application de compensation (C) étant un point du contre-balancier et/ou du bras non articulé autour de l'axe de rotation tel qu'il est toujours aligné avec un point (M) du balancier d'application de la force due à la charge et un point (0) de l'axe de rotation situé dans le plan du parallélogramme déformable, dans lequel les moyens d'équilibrage (8) comportent un premier contrepoids (10) et un deuxième contrepoids (12) adaptés pour équilibrer le manipulateur à vide et des moyens pour compenser la valeur de la force de la charge, le poids du premier contrepoids (10) et l'effort compensateur de la valeur de la force de la charge s'exerçant sur le pointd'application de compensation (C) et le poids du deuxième contrepoids (12) s'exerçant sur le bras (1, 3) articulé autour de l'axe de rotation. 2. Manipulateur selon la revendication 1, comportant un troisième contrepoids (18) et un quatrième contrepoids (20), le troisième contrepoids (18) étant porté par le bras (1, 3) non articulé autour de l'axe de rotation et le quatrième contrepoids (20) étant porté par le contre-balancier (4), la valeur du troisième contrepoids (18) et la valeur et la position du quatrième contrepoids (20) étant choisies de sorte que la valeur de l'effort d'équilibrage appliqué au point d'application de compensation (C) est une fonction linéaire de la force appliquée par la charge sur le balancier (2) et la position du troisième contrepoids (18) étant choisie de sorte à compenser l'effet du quatrième contrepoids (20) sur l'équilibrage du manipulateur à vide. 3. Manipulateur selon la revendication 2, dans lequel le troisième contrepoids (18) a une position réglable le long du bras (1, 3) qui le porte et le quatrième contrepoids (20) a une position réglable le long du contre-balancier (4). 4. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les contrepoids sont remplacés par des systèmes à ressorts.30 5. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le point d'application de compensation (C) est situé au point d'articulation du bras non articulé autour de l'axe de rotation (1,3) et du contre-balancier (4) et dans lequel le deuxième contrepoids (12) est relié à une extrémité libre du bras articulé autour de l'axe de rotation (3,1) opposée à celle articulée sur le balancier (2). 6. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les moyens de compensation comportent des moyens de traction (14) développant un effort compensateur adapté à la valeur de la charge. 7. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de traction sont formés par un vérin (14) muni d'une tige (16) qui applique une force au point d'application de compensation (C). 8. Manipulateur selon la revendication 7, dans lequel le premier contrepoids (10) est monté autour de la tige (16) du vérin (14). 9. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le châssis (6) est mobile en rotation autour d'un axe (Z) sensiblement 30 vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal (X, Y). 10. Manipulateur selon la revendication 9, comportant un organe moteur pour déplacer le châssis (6) en rotation autour de l'axe (Z) sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal (X, Y).