Brevet FR3037270A1 — publié le 20161216

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des bras robotisés et plus particulièrement les bras robotisés à fort élancement. Un élément est dit à fort élancement lors- qu'il présente une longueur importante pour un poids faible. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On connaît des bras articulés comprenant plu- sieurs éléments longitudinaux articulés entre eux et dont les articulations comprennent des actionneurs. Ces bras sont extensivement utilisés pour des tâches de manutention, pour la réalisation de tâches automatisées ou pour la télé-opération. L'inconvénient de tels bras demeure leur portée. En effet, l'augmentation de la longueur des éléments longitudinaux entraîne une augmentation de leur poids, leur inertie et oblige alors à dimensionner en conséquence les actionneurs ainsi que le point fixe du bras articulé : base au sol ou encastrement mural. Il a été envisagé d'utiliser des éléments longitudinaux dont les sections diminuent au fur et à mesure qu'elles s'éloignent du point fixe du bras, comme il est de pratique courante dans le domaine des grues télescopiques. Cette solution ne permet cependant pas une fabrication standardisée des éléments longitudinaux ni une conception modulaire du bras. Il est connu de manipuler une charge à l'aide d'un système à parallélogramme déformable. Un tel système comprend généralement un premier montant fixe sur lequel sont articulées les premières extrémités de deux bielles parallèles. Les deuxièmes extrémités des bielles sont ar- ticulées sur un deuxième montant parallèle au premier. Un vérin s'étend entre la première extrémité d'une première bielle et la deuxième extrémité de l'autre bielle. Le déploiement ou la rétraction du vérin permet de modifier la forme du parallélogramme déformable et ainsi de modifier 3037270 2 la position d'une charge liée au deuxième montant. Dans le cas d'un système à parallélogramme déformable dans lequel les bielles s'étendent selon une direction essentiellement horizontale, et à l'extrémité duquel une 5 charge pesante (effort dû au poids dirigé essentiellement verticalement vers le bas) est fixée, la bielle inférieure est sollicitée en compression et la bielle supérieure est sollicitée en traction. Lorsque le sens de l'effort est inversé, c'est-à-dire qu'il est dirigé es- 10 sentiellement verticalement vers le haut, la bielle supé- rieure est sollicitée en compression et la bielle inférieure est sollicitée en traction. Ainsi, il est nécessaire de dimensionner chaque bielle de sorte qu'elle puisse supporter des efforts en traction et en compres- 15 sion. Une telle conception aboutit à des bielles massives ce qui n'offre pas une solution permettant d'obtenir des portées importante pour un poids réduit. OBJET DE L'INVENTION Un objet de l'invention est d'améliorer la po- 20 tée d'un élément de bras tout en limitant son poids. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l'invention un élément de bras comprenant : - un premier montant et un deuxième montant sen- 25 siblement parallèles ; - une bielle directrice ayant une première extrémité et une deuxième extrémité respectivement articulées sur le premier montant et le deuxième montant par une première articulation et une deuxième articulation; 30 - un premier élément de liaison et un deuxième élément de liaison qui s'étendent sensiblement parallèlement à la bielle directrice et qui comprennent chacun une première extrémité et une deuxième extrémité respectivement attelées sur les premier montant et deuxième mon- 35 tants de part et d'autre des articulations de la bielle 3037270 3 directrice ; - un actionneur linéaire de longueur commandable attelé entre l'un des montants et l'autre montant ou la bielle directrice. 5 Les premier élément de liaison et deuxième élément de liaison sont pourvus de moyens de neutralisation de sorte que, lorsque l'un des éléments de liaison est maintenu en traction sous l'effet de l'actionneur et forme avec la bielle directrice et les deux montants un quadri- 10 latère déformable rigidifié par l'actionneur, l'autre des éléments de liaison est neutralisé et ne transmet aucun effort entre le premier montant et le deuxième montant. Ainsi, le dimensionnement des éléments de liaison ne prend en compte que des sollicitations en traction ce 15 qui aboutit à des éléments plus légers que pour un dimen- sionnement prenant en compte des efforts en traction et en compression. Ce dimensionnement particulier aboutit à une optimisation de la masse des éléments de liaison qui permet d'augmenter significativement la portée d'un élé- 20 ment de bras par rapport à un élément de bras de l'art antérieur de masse identique. Selon un mode de réalisation particulier, la bielle directrice est tubulaire et sa paroi s'étend autour des éléments de liaison et de l'actionneur. La paroi 25 de la bielle directrice permet alors une protection phy- sique des éléments de liaison et de l'actionneur contre les chocs. Avantageusement, les moyens de neutralisation comprennent au moins une lumière oblongue. Une telle réa- 30 lisation est fiable et économique à réaliser. L'invention concerne également un bras robotisé comprenant au moins un élément de bras robotisé précédemment défini. D'autres caractéristiques et avantages de 35 l'invention apparaîtront à la lumière de la description 3037270 4 qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait références aux figures annexées 5 parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation en perspective d'un bras robotisé selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un élément du bras de la figure 1; 10 - la figure 3 est une vue de détail d'un élément de bras robotisé de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un éclaté de l'élément de bras de la figure 2 ; - la figure 5 est une vue schématique de 15 l'élément de bras de la figure 2. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux figures 1 à 5, un bras robotisé 100 comprend un premier élément de bras 10, un deuxième élément de bras 11 et un troisième élément de bras 12 ar- 20 ticulés entre eux selon des axes sensiblement verticaux. Chaque élément de bras 10, 11, 12 comprend un actionneur linéaire relié à une unité de commande 101. Le troisième élément de bras 12 comprend en son extrémité 12.1 un support 80 d'un palpeur 81. 25 Les éléments de bras 10, 11 et 12 étant iden- tiques, seul le premier élément 10 sera décrit ci-après. Le premier élément de bras 10 est fixé au support mural 1 et comprend : - un premier montant 20 et un deuxième montant 30 30 sensiblement parallèles ; - une bielle directrice 40 tubulaire de paroi cylindrique 41 et ayant une première extrémité 42 et une deuxième extrémité 43 respectivement articulées sur le premier montant 20 et le deuxième montant 30 par une pre- 35 mière articulation 44 et une deuxième articulation 45; 3037270 5 - un premier élément de liaison 50 et un deuxième élément de liaison 60 qui s'étendent sensiblement parallèlement à la bielle directrice 40. Le premier élément de liaison 50 est une tige de 5 section 51 carrée qui est située au-dessus (selon la re- présentation de la figure 1) d'un plan P comprenant les axes des articulations 44 et 45 de la bielle directrice 40. Le premier élément de liaison 50 comprend une première extrémité 52 et une deuxième extrémité 53 respecti- 10 vement attelées sur le premier montant 20 et sur le deu- xième montant 30. Comme particulièrement visible en figure 4, La première extrémité 52 du premier élément de liaison 50 comprend une chape 54 dans laquelle est percée une lumière oblongue 55 dont la plus grande dimension 15 s'étend selon la direction longitudinale du premier élé- ment de liaison 50. Cette lumière oblongue 55 reçoit un axe 21 d'articulation monté à rotation dans un palier 22 solidaire du premier montant 20. La deuxième extrémité 53 du premier élément de liaison 50 est reliée de manière 20 identique au deuxième montant 30 à l'aide d'une chape 56 pourvue d'une lumière oblongue 57 et dans lequel s'étend un axe 31 d'articulation monté à rotation dans un palier 32 solidaire du deuxième montant 30. Le deuxième élément de liaison 60 est identique 25 au premier élément de liaison 50 et comprend une tige de section 61 carrée qui est située en-dessous (selon la représentation de la figure 1) du plan P. Le deuxième élément de liaison 60 comprend une première extrémité 62 et une deuxième extrémité 63 respectivement attelées sur le 30 premier montant 20 et sur le deuxième montant 30. La pre- mière extrémité 62 du deuxième élément de liaison 60 comprend une chape 64 dans laquelle est percée une lumière oblongue 65 dont la plus grande dimension s'étend selon la direction longitudinale du deuxième élément de liaison 35 60. Cette lumière oblongue 65 reçoit un axe 23 3037270 6 d'articulation monté à rotation dans un palier 24 solidaire du premier montant 20. La deuxième extrémité 63 du deuxième élément de liaison 60 est reliée de manière identique au deuxième montant 30 à l'aide d'une chape 66 5 pourvue d'une lumière oblongue 67 et dans lequel s'étend un axe 33 d'articulation monté à rotation dans un palier 34 solidaire du deuxième montant 30. Un vérin électrique 70 est attelé en une pre- mière extrémité 71 sur l'axe 21 et en une deuxième extré- 10 mité 72 sur l'articulation 45. Comme visible sur les figures 1 et 2, la paroi 41 de la bielle tubulaire 40 s'étend autour des premier et deuxième éléments de liaison 50 et 60 et du vérin électrique 70. La paroi 41 comprend également deux fenêtres longitu- 15 dinales 46 et 47. Le premier montant 20 comprend, sur son extrémité opposée à celle recevant les axes 21 et 23, une chape 25 dont les flancs 25.1 et 25.2 s'étendent perpendiculairement à un plan comprenant les axes 21 et 23. La chape 25 20 est solidaire en rotation d'un arbre 26 monté pivotant dans des flancs 2 et 3 en saillie du support mural 1. L'arbre 26 est solidaire en rotation d'un motoréducteur électrique 27 non représenté. Les flancs 25.1 et 25.2 ainsi que l'arbre 26 réalisent une articulation de 25 l'élément de bras 10 connectée au support mural 1. La commande en rotation du motoréducteur électrique 27 permet de commander la rotation de l'élément de bras 10 par rapport au support mural 1. Le deuxième montant 30 comprend sur son extrémité 30 opposée à celle recevant les axes 31 et 33, une chape 35 dont les flancs 35.1 et 35.2 s'étendent perpendiculairement à un plan comprenant les axes 31 et 33. La chape 35 est solidaire en rotation d'un arbre 36 sur lequel est monté à rotation le premier montant 20.11 du deuxième 35 élément de bras 11. 3037270 7 La chape 35 comprend un alésage dans lequel est monté un vérin électrique 37 (non représenté) dont la tige 38 s'étend jusqu'à un axe 39 en saillie latérale du premier montant 20.11. Le déploiement ou la rétraction de 5 la tige 38 permet de commander la rotation relative du deuxième élément de bras 11 par rapport au premier élément de bras 10. En référence à la figure 5, l'élément de bras 10 comprend donc un premier quadrilatère déformable 13 com- 10 prenant les premier et deuxième montants 20 et 30, le premier élément de liaison 50 ainsi que la bielle directrice 40. L'élément de bras 10 comprend également un deuxième quadrilatère déformable 14 comprenant les premier et deuxième montants 20 et 30, le deuxième élément de 15 liaison 60 ainsi que la bielle directrice 40. Le vérin électrique 70 permet de commander les déformations simultanées des quadrilatères déformables 13 et 14 de manière à déplacer le montant 30 -et donc le premier montant 20.11 du deuxième élément de bras 11- sur une trajectoire 20 circulaire 90 représentée en pointillé sur la figure 5 et centrée sur l'articulation 44. Le fonctionnement de l'élément de bras robotisé 10 va être décrit en lien avec la figure 5. Lorsqu'une charge pesante P, dont la composante verticale est diri- 25 gée vers le bas, est appliquée sur le deuxième montant 30, les efforts internes à l'élément de bras 10 sont les suivants : - le vérin électrique 70 exerce un effort de traction entre l'axe 21 et l'articulation 45 afin de ri- 30 gidifier le quadrilatère déformable 13. L'effort exercé permet l'équilibre ou le déplacement du deuxième montant 30 soumis à la charge pesante P; - le premier élément de liaison 50 est maintenu en traction; 3037270 8 - la bielle directrice 40 est soumise à un effort de compression ; - le deuxième élément de liaison 60 ne transmet aucun effort entre le premier montant 20 et le deuxième 5 montant 30 car les lumières oblongues 65 et 67 neutrali- sent le deuxième élément de liaison 60 en assurant que le premier élément de liaison 50 vienne en traction avant que au moins l'un des axes 23ou33 vienne en butée contre l'une des extrémités des lumières oblongues 65 ou 67. 10 Lorsqu'une charge F, dont la composante verticale est dirigée vers le haut, est appliquée sur le montant 30, les efforts internes à l'élément de bras 10 sont les suivants : - le vérin électrique 70 exerce un effort de com- 15 pression entre l'axe 21 et l'articulation 45 afin de ri- gidifier le quadrilatère déformable 14. L'effort exercé permet l'équilibre ou le déplacement du deuxième montant 30 soumis à la charge F; - le deuxième élément de liaison 60 est maintenu 20 en traction; - la bielle directrice 40 est soumise à un effort de compression ; - le premier élément de liaison 50 ne transmet aucun effort entre le premier montant 20 et le deuxième 25 montant 30 car les lumières oblongues 55 et 57 neutrali- sent le premier élément de liaison 50 en assurant que le deuxième élément de liaison 60 vienne en traction avant qu'au moins un des axes 21 ou 31 vienne en butée contre l'une des extrémités des lumières oblongues 55 ou 57. 30 Ainsi, on obtient un élément de bras robotisé 10 pouvant supporter des charges dont la composante verticale peut être orientée vers le haut ou vers le bas et dont les éléments de liaison 50 et 60 destinés à travailler en traction ne sont soumis à aucun effort de compres- 3037270 9 sion. Cette conception autorise la mise en oeuvre d'éléments de liaison légers -car ne devant pas résister à des sollicitations en compression- contribuant ainsi à l'obtention d'un élément de bras 10 à fort élancement. 5 Le bras robotisé 100 constitué du premier élément de bras 10, du deuxième élément de bras 11 et du troisième élément de bras 12 autorise donc une portée de travail importante pour une masse en porte à faux réduite. Les motorisations de chaque articulation ainsi que les 10 vérins électriques 70, 70.11 et 70.12 respectifs des pre- mier, deuxième et troisième éléments de bras 10, 11 et 12 étant reliées à une unité de commande 101, le bras robotisé 100 peut être commandé pour atteindre quasiment tout point situé dans une demi sphère dont le rayon est sensi- 15 blement égal à la portée maximale du bras robotisé 100. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. 20 En particulier, - bien qu'ici le bras robotisé comprenne trois éléments de bras, l'invention s'applique également à un bras robotisé comprenant un nombre différent d'éléments de bras comme par exemple un unique élément, deux ou plus 25 de trois éléments de bras; - bien qu'ici les éléments de bras soient articulés entre eux selon des axes sensiblement verticaux, l'invention s'applique également à des orientations différentes des axes des articulations comme par exemple 30 des axes horizontaux, ou orientés de manière quelconque les axes de chaque articulation pouvant être orientés de manière différente l'un par rapport à l'autre ; - bien qu'ici l'articulation du troisième bras soit connectée à un palpeur, l'invention s'applique éga- 35 lement à d'autres types de dispositif de contrôle comme 3037270 10 par exemple une caméra, un appareil photo, un capteur ultrasonique ou radiographique ou un scanner tridimensionnel ; - bien qu'ici le premier élément de bras soit 5 fixé à un support mural, l'invention s'applique également à un élément de bras relié à d'autres types de dispositif extérieur comme par exemple un support fixé au sol ou mobile; - bien qu'ici le premier et le deuxième montant 10 soient sensiblement parallèles, l'invention s'applique également à des orientations différentes du premier et deuxième montant comme par exemple des orientations non coplanaires ou sécantes ; - bien qu'ici les premier et deuxième éléments 15 possèdent tous les deux une section carrée, l'invention s'applique également à des premiers et deuxième éléments pouvant adopter des sections différentes en surface et en forme comme par exemple des sections tubulaires, circulaires, rectangulaire, triangulaires, ellipsoïdes ou 20 quelconque ; - bien qu'ici le premier élément de liaison soit situé au-dessus d'un plan P comprenant les axes des articulations de la bielle directrice et que le deuxième élément de liaison soit situé en dessous de ce même plan, 25 l'invention s'applique également à d'autres dispositions dans lesquelles le premier élément de liaison et le deuxième élément de liaison sont situés de part et d'autre des articulations de la bielle directrice ; - bien qu'ici les articulations des éléments de 30 liaison sur les montants soient réalisées à l'aide d'axes montés dans des paliers, l'invention s'applique également à d'autres types d'articulations comme par exemple des articulations mettant en oeuvre des roulements , ou des jeux de montage laissant libre les rotations autour de 35 l'axe de l'articulation ; 3037270 11 - bien qu'ici les deux extrémités des éléments de liaison comprennent une lumière oblongue, l'invention s'applique également à d'autres moyens de neutralisation comme par exemple une lumière oblongue unique positionnée 5 en une seule des extrémités de chaque élément de liaison, une lumière oblongue situé entre les deux extrémités des éléments de liaison par lequel seraient reliés deux demi-élément de liaison, des éléments de liaison souples comme par exemple des câbles, des chaînes ou des éléments 10 de liaison pourvus d'un élément déformable en compression mais pas en traction; - bien qu'ici un vérin électrique s'étende entre un axe d'articulation du premier élément de liaison lié au premier montant et une articulation de la bielle di- 15 rectrice liée au deuxième montant, l'invention s'applique également d'autres type d'actionneurs linéaires de longueur commandable, comme par exemple un vérin hydraulique ou pneumatique, pouvant également être attelé entre l'un des montants et la bielle directrice que ce soit sur une 20 de ses extrémités ou sur un point de la bielle direc- trice située entre ses deux extrémités; - bien qu'ici l'articulation du premier élément de bras sur le support mural soit commandée en rotation par un motoréducteur, l'invention s'applique également à 25 d'autres types de moyens de commande de la rotation de l'élément de bras comme par exemple un vérin électrique, pneumatique ou un moteur hydraulique ; - bien qu'ici le premier montant du premier élément de bras comprenne une articulation connectée à un 30 support mural et que le deuxième montant du premier élé- ment de bras comprenne une articulation connectée à un autre élément de bras, l'invention s'applique également à des articulations destinées à être connectées à d'autres types de dispositif extérieur comme par exemple des ou- 35 tils ou un crochet de manutention ; 3037270 12 - bien qu'ici la bielle directrice comprenne une paroi tubulaire s'étendant autour des éléments de liaison, du vérin électrique et comprenant également deux fenêtres longitudinales, l'invention s'applique également à une bielle di- 5 rectrice dont la paroi serait dépourvue de fenêtres longi- tudinales ou qui en comporterait une ou plus que deux. L'invention s'applique également à une bielle pleine (non tubulaire) et/ou de section quelconque. REVENDICATIONS1. Elément de bras (10) comprenant : - un premier montant (20) et un deuxième montant (30) sensiblement parallèles ; - une bielle directrice (40) ayant une première extrémité (42) et une deuxième extrémité (43) respectivement articulées sur le premier montant (20) et le deu- xième montant (30) par une première articulation (44) et une deuxième articulation (45); - un premier élément de liaison (50) et un deuxième élément de liaison (60) qui s'étendent sensiblement parallèlement à la bielle directrice (40) et qui compren- nent chacun une première extrémité (52, 62) et une deu- xième extrémité (53, 63) respectivement attelées sur le premier montant (20) et le deuxième montant (30) de part et d'autre des articulations (44, 45) de la bielle directrice (40); - un actionneur (70) linéaire de longueur comman- dable attelé entre l'un des montants (20, 30) et l'autre montant (20, 30) ou la bielle directrice (40); les premier élément de liaison (20) et deuxième élément de liaison (30) étant pourvus de moyens de neu- tralisation (55, 57, 65, 67) de sorte que, lorsque l'un des éléments de liaison (50, 60) est maintenu en traction sous l'effet de l'actionneur (70) et forme avec la bielle directrice (40) et les deux montants (20, 30) un quadrilatère déformable (13, 14) rigidifié par l'actionneur (70), l'autre des éléments de liaison (50, 60) est neu- tralisé et ne transmet aucun effort entre le premier montant (20) et le deuxième montant (30). 2. Elément de bras robotisé (10) selon la revendication 1, dans lequel la bielle directrice (40) est tu- bulaire et possède une paroi (41) s'étendant autour des 3037270 14 éléments de liaison (50, 60) et de l'actionneur (70). 3. Elément de bras robotisé (10) selon la re- vendication 1, dans lequel les moyens de neutralisation de chaque élément de liaison (50, 60) comprennent au 5 moins une lumière oblongue (55, 57, 65, 67) recevant à coulissement un axe (21, 23, 31, 33), la longueur du trou oblong étant telle que l'un des éléments de liaison (50, 60) vient en traction avant que l'axe (21, 23, 31, 33) des moyens de neutralisation de l'autre élément de liai- 10 son (50, 60) vienne en butée contre l'une des extrémités de la lumière oblongue (55, 57, 65, 67) dans laquelle il est reçu. 4. Elément de bras robotisé (10) selon la re- vendication 3, dans lequel la lumière oblongue (55, 57, 15 65, 67) est située en l'une des extrémités 52, 53, 62, 63) des éléments de liaison (50, 60). 5. Elément de bras robotisé (10) selon la re- vendication 1, dans lequel l'actionneur (70) est un vérin électrique. 20 6. Bras robotisé (100) comprenant au moins un élément de bras robotisé (10, 11, 12) selon l'une quelconque des revendications précédentes.