Brevet FR3017816A1 — publié le 20150828

La présente invention concerne une articulation pour un bras de robot destiné plus particulièrement à des applications haptiques et/ou cobotiques. L'haptique est un domaine de la robotique dans lequel les robots sont utilisés comme interface de retour d'effort pour per- mettre de simuler des interactions avec des milieux physiques virtuels. La cobotique est un domaine de la robotique dans lequel les robots assistent l'utilisateur, en partageant avec lui le même outil ou la même tâche, pour guider l'utilisateur, compenser le poids de l'outil, dé- multiplier la force, supprimer les mouvements parasites ou indésirables de l'utilisateur. Une telle articulation de bras de robot comprend généralement un premier segment et un deuxième segment qui sont articulés l'un à l'autre par une liaison à un degré de liberté et qui sont reliés par un actionneur agencé pour déplacer le deuxième segment par rapport au premier segment. Une zone du deuxième segment est manipulée directement par l'utilisateur (haptique) ou est pour- vue d'un élément tel qu'un outil manipulé par l'utilisateur (cobotique). Un bras de robot comporte généralement plusieurs articulations de ce type, dont le nombre dépend du nombre de parties du bras mobiles les unes par rapport aux autres nécessaire pour réaliser l'ensemble des mouvements désirés. L'invention concerne plus particulièrement les applications dans lesquelles on ne cherche pas à augmenter la force de l'utilisateur mais simplement à guider ses mouvements ou les contrer s'ils devenaient indési- rables, pour améliorer la sécurité du geste. En plus de sa capacité naturelle à déplacer le segment aval ou à exercer un effort actif sur celui-ci l'actionnement devra posséder deux caractéristiques opposées. En temps normal, l'actionnement du bras doit être transparent pour l'utilisateur, c'est-à-dire que l'utilisateur ne doit pas sentir de résistances ou de mouvements parasites au déplacement qu'il souhaite réaliser, mais doit permettre si nécessaire le développement d'efforts importants pour s'opposer au mouvement du bras et ainsi empêcher l'utilisateur de réaliser un déplacement qui serait non désiré. Cette capacité à développer des efforts de réaction importants est par exemple utilisée pour simuler un choc ou un contact avec une surface virtuelle (lorsque le bras est utilisé comme interface avec un logiciel de réalité virtuelle) ou pour définir des frontières d'une zone de travail dans laquelle doit être maintenu un outil fixé à l'extrémité du bras. L'actionneur doit donc à la fois être rapide et puissant. En haptique et en cobotique, ces deux comportements peu- vent être décrits à l'aide de deux grandeurs caractérisant les performances d'un actionneur : - l'étendue de la plage d'impédance mécanique que peut fournir l'actionneur (l'impédance mécanique étant la résistance que l'actionneur oppose au déplacement du bras mû sous l'effet d'une force extérieure), l'étendue devant être la plus grande possible, - le temps de transition entre l'impédance mécanique minimale (le robot offre le minimum de résistance au déplacement effectué par l'utilisateur, idéalement l'impédance minimale est nulle) et l'impédance mécanique maximale (le robot s'oppose au déplacement effectué par l'utilisateur, idéalement l'impédance maximale est infinie), ce temps de transition devant être minimal. Il est connu d'utiliser comme actionneurs notam- ment des vérins pneumatiques, des vérins hydrauliques ou des moteurs électriques toutefois aucun de ceux-ci ne satisfait pleinement aux conditions ci-dessus. En particulier, dans le cas des moteurs électriques, les plus puis- sants sont aussi ceux présentant la plus grande inertie et le plus de frottements entraînant ainsi des temps de transition prohibitifs pour l'application envisagée. Ce constat est extrapolable aux autres types d'actionneurs. Pour obvier à cet inconvénient, il est connu d'associer à l'actionneur un accouplement élastique, un accouplement magnétique, un coupleur à fluide magnéto-rhéologique, un variateur mécanique_ pour augmenter la plage d'impédance mécanique que peut fournir l'actionneur et diminuer les temps de transition entre la plus faible impédance mécanique et la plus forte. Les performances de ces solutions se sont révélées moyennement satisfaisantes et sont obtenues parfois au prix d'une relativement grande et coûteuse complexité. Il a été proposé, dans le document wO-A- 201142151, une articulation motorisée de bras de robot permettant d'améliorer la sécurité des applications haptiques ou cobotiques sans sacrifier l'ergonomie et les performances. Cette articulation motorisée comporte un premier segment, un deuxième segment monté mobile sur le premier segment, un actionneur agencé pour transmettre de manière réversible un mouvement au deuxième segment par rapport au premier segment et des moyens de blocage qui sont intercalés entre le premier segment et le deuxième segment et qui sont commandables pour rendre temporaire- ment irréversible la transmission de mouvement. L'actionneur est solidaire d'un support qui porte un premier élément de friction et qui est monté sur le premier segment pour être mobile, sous l'effet d'un effort moteur supérieur à un seuil prédéterminé, de manière à appliquer le premier élément de friction contre un deuxième élément de friction solidaire du deuxième segment formant ainsi les moyens de blocage. Les moyens de blocage de la rotation du deuxième segment agissent en parallèle de l'actionneur pour créer un effort de réaction s'opposant au mouvement que l'on veut éviter. L'actionneur est donc utilisé pour déplacer le deuxième segment par rapport au premier segment ou pour imposer des limites à son déplacement. Dans ce deuxième cas, si les efforts extérieurs exercés sur le deuxième segment sont supérieurs à un ef- fort prédéterminé, alors les moyens de blocage s'ajoutent à l'actionneur pour fournir l'effort résistant manquant. Les éléments de friction forment des moyens de blocage relativement efficaces mais sont difficiles à régler. Un but de l'invention est de fournir une telle articulation dont les moyens de blocage soient simples d'utilisation tout en étant efficaces. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une articulation motorisée de bras de robot comportant un premier segment, un deuxième segment monté mobile sur le premier segment et entraîné par un actionneur relié à une unité de commande et solidaire d'un support qui porte un premier élément de friction et qui est monté sur le premier segment pour être mobile, sous l'effet d'un effort moteur supérieur à un seuil prédéterminé, de manière à appliquer le premier élément de friction contre un deu- xième élément de friction solidaire du deuxième segment. L'un des éléments de friction a une forme en coin ayant un plan bissecteur sensiblement parallèle à un plan de déplacement du deuxième segment pour pouvoir être engagé entre deux mâchoires de l'autre des éléments de friction, les mâchoires ayant des surfaces agencées pour prendre contact ponctuellement avec la forme en coin. Ainsi, le fait d'avoir des surfaces assurant un contact ponctuel rend les moyens de blocage plus tolé- rants aux défauts de fabrication et notamment aux défauts de positionnement relatif. Avantageusement, les surfaces des mâchoires sont sphériques. Les surfaces sont alors relativement simples à réaliser, par exemple par usinage. Avantageusement encore, les mâchoires sont montées avec un jeu selon une direction sensiblement normal au plan bissecteur. Ceci rend les moyens de blocage encore plus tolé- rants aux défauts de fabrication et notamment aux défauts de positionnement relatif. Selon un mode de réalisation préféré, le deuxième segment est monté sur le premier segment pour pivoter autour d'un axe perpendiculaire au premier segment et est solidaire d'une deuxième roue coaxiale à l'axe de pivote- ment pour que la deuxième roue forme l'élément d'entraînement du deuxième segment et, de préférence, le support est monté pour pivoter selon un axe parallèle audit axe. Tant que la force tangentielle engendrée par le couple de l'articulation (résultant du couple moteur et du couple résistant au déplacement du second segment) est inférieur au seuil prédéterminé, le deuxième segment tourne librement (le support est alors dans une position dite d'inactivation). En revanche, lorsque cette force tangentielle est supérieure au seuil, le support du moteur est entraîné en rotation jusqu'à ce que le support mette en contact les éléments de friction (le support est alors en position dite d'activation). Le blocage est de la sorte réalisé en exerçant un effort directement sur le deuxième segment. Le mouvement résiduel du segment entre sa position au moment du déclenchement et sa position où le blocage est effectif peut être ajusté en réglant l'espace entre les éléments de friction lorsque le sup- port est en position d'inactivation. Plus cet espace est faible et plus la précision est élevée. De préférence, le seuil prédéterminé est défini par un tarage d'au moins un ressort monté pour exercer sur le support un effort s'opposant à un déplacement de celui-ci pour mettre en contact les éléments de friction. Ce mode de définition du seuil, qui est inférieur au couple maximal développé par le moteur, est extrêmement simple. En outre, le seuil peut être simplement réglé en ajustant la précontrainte du ressort. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un bras conforme au deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie et en perspective de la zone II de la figure 1 et la figure 2a est une vue de détail de la figure 2, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 selon un autre angle de vue, - la figure 4 est une vue partielle en perspective, avec écorché, de l'articulation conforme à l'invention, en l'absence d'effort exercé sur le deuxième segment, - la figure 5 est une vue de dessus de cette articulation, en présence d'un effort exercé sur le deuxième segment, - la figure 6 est une vue agrandie de la zone VI de la figure 4, - la figure 7 est une vue illustrant schématiquement les éléments de friction de l'articulation de l'invention, - les figures 8a, 8b sont des vues analogues à la figure 7 montrant la prise de contact des éléments de friction en cas de décalage en hauteur, - les figures 9a, 9b sont des vues analogues à la figure 7 montrant la prise de contact des éléments de friction en cas de décalage angulaire. L'articulation motorisée conforme à l'invention est ici décrite dans une application chirurgicale. L'extrémité libre du bras est équipée d'une fraise que manipule un chirurgien pour ôter des parties malades du corps d'un patient sans toucher aux parties saines. En référence aux figures, l'articulation de bras conforme à l'invention comprend un premier segment 1 et un deuxième segment 2 qui se prolongent de part et d'autre de l'articulation pour former des parties du bras. Les segments peuvent ainsi être d'une seule pièce avec les parties de bras, ou bien encore être fixés de manière définitive ou amovible sur celles-ci. Le premier segment 1 a une première extrémité 1.1 reliée à une embase 101 et une deuxième extrémité 1.2 dont est solidaire un arbre 3 sur lequel est montée à pi- votement une première extrémité 2.1 du deuxième segment 2 qui possède à l'opposé une deuxième extrémité 2.2 pourvue d'un outil non représenté. L'articulation comprend un support 5 monté sur le premier segment 1 pour pivoter autour d'un axe 7 paral- lèle à l'axe d'articulation du deuxième segment 2 sur le premier segment 1. Le support 5 est ici porté par un bâti 6 tubulaire, de forme sensiblement tronconique, qui est fixé par sa grande section sur le segment 1. Un moteur 8 est monté sur le support 5 de telle manière que son arbre de sortie soit confondu avec l'axe 7. L'équilibrage de l'ensemble support 5 et moteur 8 est relativement simple du fait de la coaxialité. L'effort exercé par le moteur 8 sur le support 5 est en outre in- dépendant de l'orientation du bras par rapport au champ gravitationnel, en particulier lorsque l'axe de rotation du support 5 n'est pas parallèle à la gravité. L'arbre de sortie du moteur 8 est en prise via un câble avec un secteur de roue 9 solidaire de l'extrémité 2.1 du deuxième segment 2. En variante, l'arbre de sortie peut porter une roue dentée engrenant avec une denture ménagée sur le secteur de roue 9. Le support 5 a une extrémité 5.1 pourvue d'un élément de friction, généralement désigné en 10, s'étendant en regard d'un élément de friction, générale- ment désigné en 11, solidaire de l'extrémité 2.1. Les éléments de friction 10, 11 forment un organe de blocage de la rotation du segment 2 par rapport au segment 1. L'élément de friction 11 est plus précisément fixé au secteur de roue 9 et s'étend en arc-de-cercle coaxialement à l'axe 3. L'élément de friction 11 a la forme d'un secteur annulaire ayant un profil en forme de coin délimité latéralement par deux surfaces tronconiques 11.1, 11.2 qui sont coaxiales à l'axe 3 et se rejoignent en formant une arête périphérique dirigée radialement vers l'extérieur. L'élément de friction 11 possède un plan bissecteur P qui est sensiblement parallèle au plan parallèlement auquel le segment 2 se déplace, c'est-à- dire un plan perpendiculaire à l'axe 3. L'élément de friction 10 comprend mâchoires 12 solidaire du support 5 et pourvu un porte-de deux pa- ries 13.1, 13.2 de mâchoires (par commodité on appellera mâchoire 13.1 la paire 13.1 de mâchoires et mâchoire 13.2 la paire 13.2 de mâchoires). Les mâchoires 13.1, 13.2 sont écartées l'une de l'autre dans un plan perpendicu- laire à l'axe 7 de manière qu'elles s'étendent chacune d'un côté de la direction longitudinale du support 5 (la direction longitudinale du support 5 croise le milieu de l'extrémité 5.1 et l'axe 7). Les mâchoires 13.1, 13.2 sont montées sur le porte-mâchoires 12 pour coulisser pa- rallèlement à l'axe 3. Chaque mâchoire 13.1, 13.2 comporte des surfaces de contact 14 qui s'étendent chacune d'un côté du plan bissecteur P et qui ont une forme bombée selon deux directions pour prendre contact ponctuel- lement avec les surfaces 11.1, 11.2. Les surfaces de con- tact 14 peuvent par exemple être en forme de calotte sphérique. Le support 5 possède une position d'inactivation de l'organe de blocage et deux positions d'activation de 5 l'organe de blocage de chaque côté de la position d'inactivation. Le support 5 est en position d'inactivation lors- que la direction longitudinale du support 5 s'étend radialement par rapport au secteur de roue 9 et à l'élément 10 de friction 11. Dans cette position, il existe un espace entre les surfaces de contact 14 des mâchoires 13.1, 13.2 de l'élément de friction 10 et les surfaces 11.1, 11.2 de l'élément de friction 11. Le support 5 est en position d'activation lorsque 15 les surfaces de contact 14 de l'une des mâchoires 13.1, 13.2 de l'élément de friction 10 sont en contact avec les surfaces 11.1, 11.2 de l'élément de friction 11. Le support 5 (plus précisément le plan contenant l'axe 7 et les point de contact des surfaces de contact 14 avec les sur- 20 faces 11.1, 11.2) forme alors un angle avec le plan ra- dial de l'élément de friction 11 passant par le point de contact des surfaces de contact 14 avec (voir la figure 5). Avec 0 l'angle entre le support 5 et le plan radial en question, p le coefficient de friction du couple de 25 matériaux des surfaces de contact 14 et des surfaces 11.1, 11.2, et a comme demi-angle au sommet du V formé par les surfaces 11.1 et 11.2, il est nécessaire d'avoir tan(0)sin(a) p pour éviter un coincement qui s'opposerait au déblocage 30 du segment 2. Le support 5 est rappelé en position d'inactivation par un ressort de rappel 15 fonctionnant en compression pour exercer sur le support 5 un effort s'opposant à un déplacement de celui-ci pour activer 35 l'organe de blocage. Le ressort de rappel 15 s'étend ra- dialement par rapport au secteur de roue 9 en ayant une extrémité en appui contre le bâti 6 et une extrémité opposé repoussant un doigt 16 reçu dans un logement en forme d'encoche en V 17 ménagée dans l'extrémité 5.2 du support 5 opposée à l'extrémité 5.1 du support 5. L'angle du V permet de régler la loi d'effort produite par le ressort 15 lorsqu'il s'oppose au déplacement du support 5. On notera qu'il est aisé de précontraindre le ressort 15 pour régler le seuil de déclenchement du dispositif de blocage. On peut par exemple prévoir un écrou monté coaxialement au doigt 16 pour raccourcir la longueur du ressort 15. Le moteur 8 est bien entendu dimensionné pour pouvoir déplacer le segment 2 par rapport au segment 1 et est relié à une unité de commande 20. L'unité de commande 20 est un ordinateur agencé pour exécuter un programme de commande dudit moteur. Dans l'application chirurgicale envisagée, le programme de commande délimite une zone de travail délimitée par une enveloppe frontière définie à partir d'imagerie médicale. L'unité de commande 20 commande le moteur 8 pour que le bras suive les mouvements de la fraise manipulée par le chirurgien dans les limites de l'enveloppe frontière et bloque le moteur 8 pour s'opposer au déplacement de la fraise hors des limites de l'enveloppe frontière. Lors de la simulation d'un contact, le moteur 8 va être commandé pour résister (première augmentation du couple) avant que le dispositif de blocage ne soit activé (l'activation entraînant une deuxième augmentation du couple). Le suivi de l'enveloppe est possible avant la deuxième augmenta- tion du couple. On comprend que tout effort exercé par le moteur sur le deuxième segment 2 crée un effort de réaction transmis au support 5 qui tend à pivoter et à amener l'une ou l'autre des mâchoires 13.1, 13.2 contre les sur- faces 11.1, 11.2 (selon le sens de rotation relatif des segments 1 et 2 et le sens de rotation du moteur 8). Le décalage latéral des mâchoires 13 ;1, 13.2 par rapport à la direction longitudinal du support 5 crée en outre les conditions d'un arc-boutement renforçant le blocage. L'effort résistant fourni par le ressort 15 s'opposant au pivotement du support 5 constitue un seuil d'effort pour l'activation de l'organe de blocage. Cet effort est déterminé de telle manière que les éléments de friction 10, 11 arrive en contact l'un contre l'autre avant que le moteur 8 n'ait produit son effort maximal. En référence plus particulièrement aux figures 7 à 9b, on comprend que l'organe de blocage est relativement tolérant aux erreurs de positionnement relatif des mâchoires 13 et de l'élément de friction 11. Ainsi, aux figures 8a, 8b, l'élément de friction 11 est décalé en hauteur d'une distance Ah vers le haut par rapport au support 5. Lors de l'activation de l'organe de blocage, une des mâchoires 13.1, 13.2, ici la mâchoire 13.1, est rapprochée de l'élément de friction 11 et seule la surface de contact 14 supérieure rentre en contact avec la surface 11.1. Le mouvement de rapprochement se poursuivant, la surface de contact 14 supérieure frotte sur la surface 11.1 et provoque un coulissement vertical de la mâchoire 13.1 jusqu'à ce que la surface de contact 14 inférieure rentre en contact avec la surface 11.2 provoquant le blocage relatif des segments. Aux figures 9a, 9b, l'élément de friction 11 est décalé angulairement d'un angle 13 dans un plan radial par rapport au support 5. Lors de l'activation de l'organe de blocage, une des mâchoires 13.1, 13.2, ici la mâchoire 13.1, est rapprochée de l'élément de friction 11 et seule la surface de contact 14 supérieure rentre en contact avec la surface 11.1. Le mouvement de rapprochement se poursuivant, la surface de contact 14 supérieure frotte sur la surface 11.1 et provoque un coulissement vertical de la mâchoire 13.1 jusqu'à ce que la surface de contact 14 inférieure rentre en contact avec la surface 11.2 provoquant le blocage relatif des segments. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, le premier segment peut être for- mé par un tronçon du bras, un tronc ou une embase de ro- bot. La structure du bras peut être différente de celle décrite : le deuxième segment peut par exemple être mobile en translation par rapport au premier segment. A l'inverse, l'actionneur peut être un vérin entraînant une crémaillère qui engrène avec une roue dentée ou un moteur entraînant une roue roulant sur une piste rectiligne ou non. Une inversion cinématique est également envisageable. Le bras peut comprendre un actionneur pour cha- cune des articulations ou pour l'une ou plusieurs d'entre elles (tronc, épaule, coude, poignet...) seulement. Les segments peuvent avoir des formes différentes de celles représentées. L'axe du moteur peut ne pas être confondu avec l'axe de pivotement du support. L'élément de friction mâle peut être montée sur le support et l'élément de friction femelle sur le deuxième segment. Le support peut être monté pour coulisser au lieu de pivoter. En variante, l'un des éléments de friction (ici l'élément de friction 11 par exemple) peut avoir des surfaces de contact définissant une superposition de V en section transversale (comme dans une poulie à gorges) ou tout autre forme. En variante, les mâchoires 13 peuvent être mon- tées sur le porte-mâchoires 12 pour pivoter chacune autour d'un axe perpendiculaire à l'axe 7 au lieu d'être montées pour coulisser parallèlement à celui-ci. Les mâ- choires 13 peuvent en variante encore être montées sur le porte-mâchoires 12 pour coulisser chacune le long d'un axe perpendiculaire à l'axe 7 au lieu d'être montées pour coulisser parallèlement à celui-ci. Le ressort de rappel peut s'étendre tangentielle- ment à une trajectoire du support pour s'opposer à un déplacement du support pour mettre en contact les éléments de friction. Le ressort peut également être un ressort à lame flexible poussant une pièce en forme de V L'élément de friction peut ne comprendre qu'une paire de mâchoires si le blocage ne doit intervenir que pour un sens de rotation. L'invention s'applique à toute articulation « i » entre deux segments pouvant être situés au milieu d'un mécanisme articulé ayant un nombre « n » d'articulations numérotées de 1 à n. REVENDICATIONS1. Articulation motorisée de bras de robot com- portant un premier segment (1), un deuxième segment (2) monté mobile sur le premier segment et entraîné par un actionneur (8) relié à une unité de commande (20) et solidaire d'un support (5) qui porte un premier élément de friction (10) et qui est monté sur le premier segment pour être mobile, sous l'effet d'un effort moteur supé- rieur à un seuil prédéterminé, de manière à appliquer le premier élément de friction contre un deuxième élément de friction (12) solidaire du deuxième segment, caractérisé en ce que l'un des éléments de friction a une forme en coin ayant un plan bissecteur sensiblement parallèle à un plan de déplacement du deuxième segment pour pouvoir être engagé entre deux mâchoires (13.1, 13.2) de l'autre des éléments de friction, les mâchoires ayant des surfaces agencées pour prendre contact ponctuellement avec la forme en coin. 2. Articulation selon la revendication 1, dans laquelle les surfaces des mâchoires (13.1, 13.2) sont sphériques. 3. Articulation selon la revendication 1, dans lequel les mâchoires (13.1, 13.2) sont montées avec un jeu selon une direction sensiblement normal au plan bis- secteur. 4. Articulation selon la revendication 1, l'actionneur comprend un moteur (8) ayant un arbre de sortie relié à une première roue en prise avec un élément d'entraînement du deuxième segment. 5. Articulation selon la revendication 4, dans laquelle le deuxième segment (2) est monté sur le premier segment (1) pour pivoter autour d'un axe (3) perpendiculaire au premier segment et est solidaire d'une deuxième roue (9) coaxiale à l'axe de pivotement pour que la deu-xième roue forme l'élément d'entraînement du deuxième segment. 6. Articulation selon la revendication 5, dans laquelle le support (5) est monté pour pivoter ; et le support et le moteur (8) sont sensiblement coaxiaux. 7. Articulation selon la revendication 1, dans laquelle le seuil prédéterminé est défini par un tarage d'au moins un ressort (15) monté pour exercer sur le support (5) un effort s'opposant à un déplacement de celui- ci pour mettre en contact les éléments de friction. 8. Articulation selon la revendication 7, dans laquelle le support (5) présente un logement ayant un fond sensiblement en V (17) pour recevoir un doigt (16) monté pour coulisser dans un plan de déplacement du sup- port, le ressort (15) s'étendant entre le segment et le doigt pour forcer ce dernier en appui contre le fond du logement. 9. Articulation selon la revendication 7, dans laquelle le ressort (15) s'étend tangentiellement à une trajectoire du support pour s'opposer à un déplacement du support pour mettre en contact les éléments de friction.