Brevet FR3057191A1 — publié le 20180413

STRUCTURE ROBOTIQUE À SIX DEGRÉS DE LIBERTÉ PERMETTANT LA PRÉHENSION Domaine technique La présente invention se rapporte à une structure robotique parallèle à au moins six degrés de liberté permettant la préhension et la manipulation en particulier pour la micro-nano-manipulation. D'un point de vue structurel, les robots manipulateurs industriels peuvent être classés en deux catégories : les robots sériels et les robots parallèles. Les robots sériels, dits bras manipulateurs, sont les plus répandus dans l'industrie et sont caractérisés par une chaine cinématique ouverte (une série d'actionneurs, de liaisons et de bras) qui va de la base du robot jusqu'au poignet. Les robots parallèles sont caractérisés par plusieurs chaines cinématiques parallèles connectées de la base à la plateforme. L'avantage des robots parallèles par rapport aux robots sériels est qu'ils ont une plus grande rigidité et la possibilité de fixer les actionneurs sur la base du robot permettant d'alléger les parties en mouvement. La conséquence est que les masses transportables par le robot sont plus importantes et les accélérations plus fortes. Les applications privilégiées sont des applications de prise et déplacer rapides comme décrit dans le brevet WO 87/03 528 ou le déplacement de lourdes charges telles que des cabines de pilotages dans des simulateurs de vols comme décrit dans le brevet US 3 295 224. Dans la plupart des robots parallèles, la plateforme est constituée d'un corps rigide. Cependant, quelques robots particuliers possèdent une plateforme articulée. Le brevet US 6 516 681 décrit un robot de ce type qui possède quatre degrés de liberté au maximum dont trois en translation et un en rotation. La rotation de l'outil est obtenue grâce à la reconfiguration d'une plateforme constituée de trois éléments articulés par des liaisons pivots. Un robot similaire limité aux mêmes degrés de liberté mais possédant un 3057191 2 parallélogramme en guise de plateforme est décrit dans le brevet EP 1 870 214. Notons que les robots décrits dans les brevets cités précédemment ont connus un grand succès et ont été largement commercialisés. En fonction de l'application, les opérations réalisées par les robots 5 nécessitent l'utilisation d'outils électriques, hydrauliques ou pneumatiques adéquats (pinces, etc.) fixés sur les poignets des robots sériels ou sur les plateformes des robots parallèles (y compris les robots cités précédemment). Même si cette configuration est adéquate dans un certain nombre d'applications, elle présente des limitations notamment dans les 10 applications qui présentent de fortes contraintes d'encombrement, un besoin en miniaturisation et/ou d'alléger au maximum les masses déplacées. Dans cette invention, des fonctions telles que la préhension, la manipulation dans les six degrés de liberté de l'espace et la découpe par exmples sont assurées par un mécanisme robotique parallèle sans l'ajout 15 d'outils actionnés supplémentaires, et ce grâce à une plateforme articulée. Ainsi, la structure robotique selon l'invention permet d'une part de s'affranchir des connexions électriques, pneumatiques ou hydrauliques nécessaires à l'actionnement d'éventuels outils et d'autre part de réduire l'encombrement et la masse au niveau de la plateforme du robot ce qui 20 facilite sa miniaturisation. De plus, la structure du robot permet de placer les actionneurs loin de la plateforme, notamment en utilisant des câbles, rendant ainsi la structure encore plus compacte. Les applications privilégiées sont les applications présentant des contraintes fortes d'encombrement tels que la chirurgie mini-invasive dans 25 le domaine biomédical où le robot doit être inséré dans le corps humain à travers un tube ou un endoscope. Par ailleurs, la capacité de miniaturisation de la structure robotique selon l'invention (la structure pouvant être fabriquée à l'échelle micrométrique) la rend particulièrement adaptée pour la manipulation haute précision et en haute cadence notamment de 30 composants millimétriques (composants horlogers, électroniques, etc.), micrométriques (Systèmes Micro-ElectroMacatroniques, MOEMS, etc.) et 3057191 3 même nanométriques (nanofils, nanotubes, etc.) pouvant ainsi dépasser la précision de manipulation et les cadences de production des systèmes existants. Enfin, le robot, qui est caractérisé par six degrés de liberté en translation et en rotation en plus de la plateforme configurable qui lui confère 5 des degrés de liberté supplémentaires, en fait l'un des robots les plus versatiles et les plus dextres qui existent à ce jour, en particulier pour la manipulation de composants de tailles de très faibles dimensions. L'objet de l'invention est ainsi de proposer une nouvelle structure robotique permettent simultanément la préhension et la manipulation à six degrés de liberté et la 10 découpe par exemples sans utilisation d'un préhenseur ou d'un outil actionné supplémentaire. La structure robotique parallèle à six degrés de liberté selon l'invention comprend des bases mobiles pouvant être actionnées en rotation ou en translation et une plateforme couplée aux bases mobiles par des moyens de 15 mise en mouvement elle est caractérisée en ce que la plateforme est constituée de deux éléments rigides reliés l'un à l'autre par une seule liaison. Cette nouvelle solution est une structure robotique parallèle originale et innovante permettant simultanément de réaliser des opérations de préhension, de découpe et de manipulation à six degrés de liberté sans avoir 20 besoin d'un outil actionné supplémentaire. La fonctionnalité de préhension est assurée grâce à la plateforme articulée qui fait partie de l'architecture mécanique elle-même et peut être entièrement contrôlée par les actionneurs déportés situés dans la base fixe. Cette structure permet le positionnement selon les six degrés de liberté 25 dans l'espace d'une plateforme composée de deux éléments rigides mobiles. Ces deux éléments mobiles sont connectés entre eux de façon à pouvoir faire pivoter et/ou translater l'un des éléments mobiles par rapport à l'autre autour ou le long d'un ou plusieurs axes pouvant être exploitées pour la réalisation de tâches diverses (préhension, manipulation, découpe, etc.) 30 grâce à une seule liaison. Les deux éléments mobiles de la plateforme sont connectés à plusieurs, par exemple sept, troisièmes entretoises de façon 3057191 4 rigide. Chaque troisième entretoise est connectée à son autre extrémité à une deuxième entretoise de façon rigide ou au moyen d'une rotule, d'un pivot ou d'une liaison cardan. Chaque deuxième entretoise est connectée à son autre extrémité à une première entretoise de façon rigide ou au moyen 5 d'une rotule, d'un pivot ou d'une liaison cardan. Chaque première entretoise est connectée à une base mobile et peut translater le long ou pivoter autour d'un axe au minimum. La mise en mouvement des premières entretoises peut être réalisée au moyen d'un ou plusieurs actionneurs liés au bases mobiles de façon rigide ou au travers des liaisons passives et/ou des liaisons 10 flexibles et/ou des câbles. La partie fixe des actionneurs sont liées à l'élément base au moyen d'une liaison rigide ou passive ou flexible. L'ensemble est agencé de façon à ce que les positions et les orientations des éléments mobiles de la plateforme dans l'espace ainsi que la distance et/ou l'angle entre les deux éléments mobiles puissent être commandés par 15 les mouvements des actionneurs pilotés par un ordinateur de gestion. Les degrés de libertés au-delà de 6 sont utilisés afin de réaliser des tâches particulières telles que la préhension, la coupe, etc. Si le nombre de bras est supérieur à sept cela permet d'obtenir plus de degrés de liberté au niveau de la plateforme et/ou des redondances d'actionnement et/ou de mesure 20 supplémentaires. D'autre part, un dispositif redondant en actionnement permet d'augmenter l'espace de travail, de limiter la présence des singularités cinématiques, de contrôler les contraintes internes dans la chaine cinématique du dispositif, d'augmenter les forces et couples transmises aux éléments mobiles ainsi que leurs vitesses et accélérations. 25 Avantageusement, la liaison est une liaison pivot. Avantageusement, les bases mobiles sont disposées de façon symétrique. Un robot symétrique permet d'homogénéiser les dimensions des pièces, simplifier la conception, la modélisation, la fabrication et la commande du dispositif. 30 Selon une disposition particulière, les moyens de mise en mouvement des entretoises liées par des articulations passives d'une part à la 3057191 5 plateforme articulée et d'autre part à une base mobile sont des actionneurs linéaires. Les parties fixes des actionneurs sont, par exemple, rigidement liées à un élément de base ce qui permet d'alléger les parties mobiles du dispositif. Cela se répercute sur les éléments mobiles par un gain en vitesse, 5 en accélération et en effort applicable (permet notamment de transporter des charges importantes). Les liaisons passives peuvent être remplacées par des liaisons flexibles ce qui permet de fabriquer le dispositif à une échelle miniaturisée (millimétrique, micrométrique). En effet, cela permet d'éliminer les jeux qui peuvent exister dans les laissons classiques (pivot, 10 rotule, cardant, etc.) et qui sont source de dégradation des performances (répétabilité, précision, etc.). Avantageusement, les articulations passives sont des rotules, des pivots ou des liaisons cardan. Les translations et les rotations des éléments mobiles peuvent être obtenues uniquement à partir de translations des 15 actionneurs ce qui permet un gain de compacité et de précision. Les actionneurs peuvent être déportés loin des éléments mobiles (au moyen de câbles ou barres par exemple) afin d'obtenir des systèmes très compacts utiles dans les applications à fort contrainte d'encombrement (médical, nucléaire, aérospatial, etc.) 20 Avantageusement, la structure comprend des capteurs de force disposés sur les bases mobiles. Ceci permet d'auto-étalonner le robot sur lequel la structure est montée, de simplifier le calcul des positions et orientations des éléments mobiles et d'améliorer la précision de leurs mouvements. Les efforts sont transmis des actionneurs vers les éléments 25 mobiles permettant de mesurer et/ou contrôler les forces et des couples appliqués par les éléments mobiles sur leur environnement. Avantageusement, la structure comprend des capteurs de position disposés sur les actionneurs. Avantageusement la structure est de taille sub-milimetrique. La 30 structure peut ainsi être utilisée pour la micro-nano-manipulation et le micro- nano-assemblage ainsi que la manipulation dans des espaces confinés 3057191 6 (endoscopes, chirurgies mini-invasives). La structure peut être fabriquée aux échelles macrométrique (supérieures aux tailles des robots classiques), miniaturisée (endoscopie par exemple) ou micrométrique (micronanomanipulation par exemple). La structure millimétrique peut être 5 composée d'éléments micrométriques, elle pourrait aussi être de taille centimétrique ou même plus grande et réaliser des tâches de micro-nano manipulation. On peut par exemple l'appliquer pour : l'assemblage des nano-capteurs, des fibres optiques, semiconducteurs, 10 le test, le contrôle et la caractérisation des micro-nano-objets, - l'assemblage précis des systèmes optiques comme les interféromètres, - la manipulation des cellules biologiques, - l'assemblage dans les industries horlogères, 15 - la chirurgie mini-invasive (endoscope instrumenté d'une pince à 6 degrés de liberté). Avantageusement, la structure est actionnée par des actionneurs en translation (moteurs linéaires, vérins électriques ou hydraulique, etc.), en rotation (moteurs électriques, etc.) ou des actionneurs moins courants 20 (piézo-électriques, électrostatiques, thermiques, etc.) pouvant éventuellement avoir plusieurs degrés de liberté (tables XY, piézotubes, etc.). Comparativement aux structures robotiques existantes, l'invention possède les caractéristiques suivantes : 25 La fonctionnalité de préhension et ou de coupe est intégrée dans la structure et l'actionnement effectué à partir des actionneurs placés sur l'élément de base. Les masses et les inerties de la structure à l'échelle micrométrique sont très faibles permettant d'avoir des temps de 30 cycles beaucoup plus faibles que les systèmes actuels. 3057191 7 - La précision peut descendre en dessous du micromètre (limite des structures parallèles actuelles) et même passer à l'échelle nanométrique. - Le coût de fabrication du système est bien plus faible que les 5 systèmes existants. - Il est possible de réaliser des micro-nano-manipulations et assemblages à six degrés de liberté et des opérations à l'intérieur d'espaces confinés (corps humain, microscope électronique à balayage, ... ). 10 - Les articulations passives peuvent être remplacées par des liaisons flexibles garantissant une grande répétabilité de la structure et/ou une biocompatibilité. - Avec l'intégration des capteurs de force sur les bases mobiles les forces appliquées sur l'organe terminal peuvent être mesurées 15 sans utilisation de connections (fils, tuyau, etc.) sur la plateforme. - Avec l'intégration de capteurs de positions sur les différents actionneurs un auto-étalonnage du robot peut être réalisé. - L'absence de connectiques électriques sur les parties opérationnelles de la structure permet la manipulation dans des 20 milieux contraints où l'usage de composés électroniques est limité/interdit (liquides, cops humain, etc.). - En résumé, le système peut être plus précis, plus rapide et moins coûteux que les solutions existantes. La solution nécessite de très faibles quantités de matière et peut être 25 produite en masse avec une forte valeur ajoutée. Le système est fabriqué par des procédés standards et ne nécessite l'utilisation d'aucune substance dangereuse. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, 30 donnés à titre d'exemple : 3057191 8 Brève description des figures - La figure 1 est un graphe d'agencement d'une première structure, - La figure 2 représente un graphe d'agencement d'une deuxième structure, 5 - La figure 3 est un exemple de la première structure robotique de la figure 1, - La figure 4 est un exemple de la deuxième structure robotique de la figure 2, - La figure 5 est un autre exemple de structure avec quatre 10 entretoises par bras, - La figure 6 est un autre exemple de structure avec une entretoise avec plusieurs branches, - La figure 7 est une variante de la figure 2 où les actionneurs sont disposés entre deux liaisons. 15 Les figures 1 et 2 présentent les graphes d'agencement de deux différentes structures robotiques. Ces graphes mettent en évidence la topologie de la structure des robots et les diverses branches et boucles cinématiques. Les conventions utilisées pour ces graphes sont : - A : Liaison passive de type Universelle (cardan) ou sphérique 20 (rotule). - R : Liaison passive de type Rotoïde (pivot) - Qi : Actionneur à 1 degré de liberté. Ces exemples de structures font partie de la famille des manipulateurs à six degrés de liberté et plus dont certaines variantes sont redondantes en 25 actionnement. L'exemple illustré à la figure 3 montre une structure robotique 1 avec sept bases mobiles 2, une plateforme articulée 3 en deux parties 30 et 31 reliées par une liaison passive 32. Chacune des deux parties 30 et 31 est prolongée par un préhenseur 33 ; ce préhenseur peut être remplacé par des 30 ciseaux, des pinces ou autres. Trois bases mobiles 21, 22, 23 sont reliées à la partie 31 de la plateforme articulée 3 par un bras 4 et, de la même façon, 3057191 9 trois bases 24, 25, 26 sont reliées à la partie 32 de la plateforme articulée 3 par un bras 4. Chacun des bras 4 est constitué de trois entretoises 40, 41 et 42, la première entretoise 40 est reliée à la deuxième entretoise 41 par une liaison 5 passive 400, la deuxième entretoise 41 est reliée à la troisième entretoise 42 par une liaison passive 410. La liaison passive 400 pourra être de type sphérique et la liaison 410 de type universelle. Des actionneurs Qi sont disposés sur les entretoises 40. Les mouvements des parties 30 et 31 de la plateforme articulée 3 ainsi 10 que le mouvement relatif entre les deux parties de la plateforme sont commandés par les mouvements des différents bras 4. L'ouverture et/ou la fermeture des préhenseurs 33 est obtenue par le déplacement des bras ainsi que leur position et leur orientation L'exemple illustré à la figure 4 montre une structure robotique 1 15 sensiblement identique à la précédente sauf qu'elle comprend huit bases mobiles 2 au lieu de sept ce qui en fait un robot redondant en actionnement. Ici quatre bases 21', 22', 23', 24' sont reliées à la partie 31 de la plateforme articulée 3 par un bras 4 et, de la même façon, quatre bases 25', 26', 27', 28' sont reliées à la partie 32 de la plateforme articulée 3 par un 20 bras 4. Chacun des bras 4 est constitué de trois entretoises 40, 41 et 42, la première entretoise 40 est reliée à la deuxième entretoise 41 par une liaison passive 400, la deuxième entretoise 41 est reliée à la troisième entretoise 42 par une liaison passive 410. La liaison passive 400 pourra être de type 25 sphérique et la liaison 410 de type universelle. Des actionneurs Qi sont disposés sur les entretoises 40. Les mouvements de parties 30 et 31 de la plateforme articulée 3 ainsi que le mouvement relatif entre les deux parties de la plateforme sont commandés par les mouvements des différents bras 4. Dans l'exemple 3 0 illustré à la figure 5, chaque bras 4 est constitué de quatre entretoises 40, 41, 42, 43 reliées par trois articulations 400, 410, 430. Les actionneurs sont 3057191 10 commandés par une commande 6. Cette structure permet d'utiliser des liaisons plus simples à réaliser donc moins chères tout en étant plus précise et offrant une plus grande plage de déplacement. La figure 6 montre une structure où les bras 4 comprennent une 5 entretoise 44 avec plusieurs branches 440, 441, 442. Ici l'entretoise 44 a trois branches mais elle pourrait en avoir deux ou plus. Cette structure est plus simple car elle nécessite moins d'actionneurs, ici deux actionneurs à trois degrés de liberté au minimum Q1, Q2 et un actionneur à au moins un degré de liberté Q7. 10 Dans la variante de la figure 7, les actionneurs Qi sont disposés entre les deux liaisons passives 400 et 410. REVENDICATIONS1. Structure (1) robotique parallèle à six degrés de liberté comprenant des bases mobiles (2, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 21', 22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') pouvant être actionnées en rotation ou en translation et une plateforme couplée aux bases mobiles par un bras (4) constitué d'entretoise (40, 41, 42) et par des moyens de mise en mouvement des entretoises (40, 41, 42) caractérisée en ce que la plateforme (3) est constitué de deux éléments rigides reliés l'un à l'autre par une seule liaison. 2. Structure (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison est une liaison pivot (32). 3. Structure (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bases mobiles (2, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 21', 22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') sont disposées de façon symétrique 4. Structure (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mise en mouvement des entretoises (40, 41, 42) liées par des articulations passives (400, 410) d'une part à la plateforme articulée (3) et d'autre part à une base mobile (2, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 21', 22', 23', 24', 25', 26', 27', 28') sont des actionneurs linéaires. 5. Structure (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les articulations passives (400, 410) sont des rotules ou des joints de cardan. 6. Structure (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des capteurs de force disposés sur les bases mobiles. 3057191 12 7. Structure (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est de taille sub-millimétrique. 5 8. Structure (1) selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est actionnée par des actionneurs Qi piézoélectriques. 9. Structure (1) selon une des revendications précédentes, 10 caractérisée en ce qu'elle comprend des capteurs de position disposés sur les actionneurs