Brevet FR3119786A1 — publié le 20220819

L’invention concerne une articulation (1) pour bras robotisé comprenant : - une première partie (10) recevant une deuxième partie (20) du bras robotisé avec capacité de rotation autour d'un axe général (0) de l’articulation en étant entrainée par un premier moteur (11) ; - une troisième partie (30) insérée dans la deuxième partie (20) et entrainée en translation selon l’axe général (0) au moyen d’un deuxième moteur (21) et d’une liaison hélicoïdale (40) ; la troisième partie (30) comprenant un arbre (32) dont une extrémité libre (33) est destinée à recevoir un outil, l’arbre (32) étant destiné à rentrer et à sortir de l’articulation (1) selon la translation entre les deuxième et troisième parties (20, 30). Selon l’invention, la première partie (10) définit un volume interne fermé recevant intégralement la deuxième partie (20) et les premier et deuxième moteurs (11, 21), et une surface externe d’une portion de l’arbre (32) qui sort de la première partie (10) est lisse et traverse un joint d’étanchéité (14) monté sur la première partie (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Articulation de robot du type SCARA, à arbre lisse L’invention se rapporte au domaine technique des bras robotisés, et en particulier des bras manipulateurs désignés par l’acronyme SCARA signifiant en anglais « Selective Compliance Articulated Robot Arm ». Art antérieur Il est connu de l’art antérieur de réaliser des manipulations d’objets avec des bras robotisés de type SCARA, c’est-à-dire des bras robotisés comprenant un premier bras relié à un support par une liaison pivot, un deuxième bras relié au premier bras par une seconde liaison pivot parallèle à la première, et un troisième bras guidé en translation par rapport au deuxième bras selon un axe parallèle aux deux liaisons pivots. Un outil est ensuite placé à l’extrémité du troisième bras, en fonction des opérations que doit effectuer le bras robotisé. Ce type de bras robotisé est particulièrement utilisé pour réaliser des opérations de placement d’objets, par exemple en attrapant des objets posés en vrac dans un premier contenant puis en les déposant de manière ordonnée dans un second contenant. De manière classique, le mouvement de translation du troisième bras est assuré par une liaison hélicoïdale, dont une vis remplit le rôle de troisième bras. Ce troisième bras présente donc des stries correspondant aux filets de la liaison hélicoïdale. Au surplus, cette même vis est généralement utilisée pour réaliser le guidage en translation de la troisième partie, au moyen de stries longitudinales supplémentaires qui coopèrent avec une douille à bille. Les vis de l’art antérieur devant présenter de bonnes caractéristiques de dureté ou de résistance à l’usure, elle ne présentent généralement pas de bonnes caractéristiques de résistance à l’oxydation. Dans le domaine de l’agroalimentaire, de la pharmacie ou du nucléaire par exemple, il faut que le bras robotisé soit nettoyable, généralement au jet d’eau. Dans d’autres industries salissantes, il faut également prévenir toute insertion de particules ou de poussières à l’intérieur du robot. L’utilisation de robots de type SCARA est donc compliquée, dans certains domaines d’utilisation, par le fait qu’il est difficile de rendre un tel bras robotisé étanche, en particulier au niveau des stries de la vis. Il est connu, afin de protéger le bras robotisé d’insertion de saletés pouvant survenir au niveau des stries de la vis, de dissimuler la vis au moyen d’un soufflet reliant l’extrémité du deuxième bras et l’extrémité du troisième bras. Les soufflets préviennent aussi la sortie de lubrifiant ou de poussière d’usure des pièces vers l’environnement du robot. Toutefois les soufflets sont fragiles et ont une durée de vie limitée. De plus, les soufflets présentent par nature de nombreux replis qu’il est difficile de nettoyer efficacement. Au surplus, la compression et la décompression des soufflets produit un effet de pompage qui tend à faire rentrer et sortir des poussières depuis l’environnement dans le bras robotisé, et inversement. Enfin, les soufflets ne résistent pas toujours aux jets d’eau à haute pression utilisés pour le nettoyage dans l’industrie agroalimentaire. D’autant plus, ils ne sont pas nettoyables par essuyage, ou frottis, comme il est d’usage dans le domaine du nucléaire. L’un des buts de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une articulation pour robot, notamment de type SCARA, qui résiste aux pollutions de son environnement, et dont la durée de vie des solutions utilisées est améliorée. À cet effet, il a été mis au point une articulation pour bras robotisé comprenant : - une première partie recevant une deuxième partie du bras robotisé avec capacité de rotation autour d'un axe général de l’articulation en étant entrainée par un premier moteur ; - une troisième partie insérée dans la deuxième partie et entrainée en translation selon l’axe général au moyen d’un deuxième moteur et d’une liaison hélicoïdale ; la troisième partie comprenant un arbre dont une extrémité libre est destinée à recevoir un outil, l’arbre étant destiné à rentrer et à sortir de l’articulation selon la translation entre les deuxième et troisième parties. Selon l’invention, la première partie (10) définit un volume interne fermé recevant intégralement la deuxième partie (20) et les premier et deuxième moteurs (11, 21), et une surface externe d’une portion de l’arbre (32) qui sort de la première partie (10) est lisse et traverse un joint d’étanchéité (14) monté sur la première partie (10). De cette manière, l’arbre ne présente plus les stries de vis de l’art antérieur permettant l’insertion de matériaux tels que des poussières ou de l’eau à l’intérieur du bras robotisé. Egalement, l’absence de stries évite que du lubrifiant contenu dans l’articulation ou des particules issues de l’usure des pièces de l’articulation puissent circuler via ces stries et tomber sur les objets manipulés. De plus, l’arbre étant lisse, il est possible d’utiliser des solutions d’étanchéité simples tels que des joints toriques ou des joints à lèvre. Enfin, cela permet d’adapter le choix du matériau de l’arbre pour ses propriétés inoxydables ou inertes, et d’adapter séparément le matériau de la vis pour ses propriétés de dureté et de résistance à l’usure. Selon un mode de réalisation préféré, la liaison hélicoïdale comprend une vis reliée à la deuxième partie et un écrou relié à la troisième partie. De cette manière, la vis est fixe en hauteur par rapport à la deuxième partie, alors que l’écrou est mobile en translation avec la troisième partie. Cela permet de limiter la hauteur de l’articulation obtenue, et évite notamment d’avoir, comme pratiqué dans l’art antérieur, un capot au-dessus de l’articulation pour protéger la vis. De plus, cela permet d’encapsuler la vis au sein d’autres pièces mécaniques afin de constituer une réserve de lubrifiant et d’assurer la lubrification de la vis. Dans ce mode, le deuxième moteur comprend un stator accouplé à la première partie, et un rotor relié à la vis. Cela permet d’obtenir une articulation compacte, en ce que le deuxième moteur ne pivote pas avec la deuxième partie et reste donc immobile. La forme d’un capot de l’articulation est également simplifiée. Dans le but d’obtenir une liaison glissière rigide et performante, l’arbre et la deuxième partie sont reliés par l’intermédiaire de bagues lisses constituant une portée dont la longueur est au moins égale au diamètre externe de l’arbre. Une telle longueur de guidage permet de résister aux efforts auxquels peut être soumise l’articulation en bout d’arbre. Afin de réaliser le blocage en rotation du guidage en translation de manière simple, la deuxième partie présente au moins une rainure longitudinale et parallèle à l’axe général de l’articulation, dans laquelle s’insère une forme complémentaire de la troisième partie. Avantageusement, l’articulation comprend des réseaux, tels qu’un réseau d’alimentation, un réseau de commande du moteur. Les réseaux traversent intérieurement l’articulation depuis la première partie du bras robotisé jusqu’à la troisième partie. Les réseaux sont ainsi protégés des agressions liées au milieu dans lequel évolue le bras robotisé. Leur dissimulation représente également une diminution des zones de rétentions dans lesquelles peuvent se développer des germes, ce qui est un point important dans le domaine de l’agro-alimentaire. De préférence, l’arbre est traversé par un conduit configuré pour recevoir des réseaux, ce qui permet de les protéger jusqu’au niveau de l’outil que porte le bras robotisé. Afin de permettre le libre mouvement et l’expansion des réseaux lors des mouvements relatifs des première, deuxième et troisième parties les unes par rapport aux autres, au moins l’un des réseaux comprend une portion spiralée autour de la deuxième partie en passant dans une chambre définie entre la première partie et ladite deuxième partie. De manière à simplifier le câblage du bras robotisé, la première partie comprend intérieurement au moins une carte électronique destinée à piloter le premier moteur et/ou le deuxième moteur. Il est ainsi possible d’éviter des allers-retours de câbles entre les moteurs et un coffret électrique qui serait installé à l’extérieur du bras robotisé. De plus, les cartes électroniques sont protégées à l’intérieur du robot. Afin de pouvoir assurer des fonctions de sécurisation du bras robotisé, l’extrémité libre de l’arbre comprend des capteurs, tels que des capteurs de forces et/ou des capteurs de présence. Ainsi, le bras robotisé est apte à détecter une éventuelle collision et à se mettre en sécurité. Selon le mode de réalisation préféré, la première partie définit un volume interne recevant intégralement la deuxième partie, les premier et deuxième moteurs, les réseaux et la carte électronique. La troisième partie est destinée à traverser un joint d’étanchéité monté sur la première partie. Le bras robotisé obtenu est simple, compact et étanche. est un schéma de principe d’un robot de type SCARA de l’art antérieur. est une coupe, de face, d’une articulation selon l’invention dans une première position. est une coupe, de face, d’une telle articulation dans une seconde position. est une coupe, de dessus, d’une telle articulation. Description détaillée de l’invention En référence aux figures 2 à 4 qui illustrent un mode de réalisation préféré de l’articulation (1), on constate que celle-ci comprend trois groupes cinématiques, à l’instar des robots de type SCARA de l’art antérieur : - une première partie (10), destinée à être fixée à l’extrémité libre du bras robotisé ; - une deuxième partie (20) montée en liaison pivot avec la première partie (10) selon un axe général (0) de l’articulation, et apte à pivoter de part et d’autre d’une position médiane illustrée ; - une troisième partie (30) entrainée en translation selon l’axe général (0) par rapport à la deuxième partie (20), et destinée à recevoir à une extrémité libre (33) un outil non représenté. La deuxième partie (20) est mise en mouvement par rapport à la première partie (10) par un système de poulies et de courroies entraîné par un rotor (111) d’un premier moteur (11), dont un stator (110) est fixé à la première partie (10). Selon l’invention, la première partie (10) définit un volume interne fermé recevant intégralement la deuxième partie (20) et les premier et deuxième moteurs (11, 21), et la troisième partie (30) comprend un arbre (32) remarquable en ce que sa portion destinée à rentrer et à sortir de l’articulation (1) a une surface externe lisse. Avantageusement, cela permet de monter des solutions d’étanchéité plus simples que dans l’art antérieur, et en particulier de simples joints. De préférence il s’agit de joints à lèvre, qui ont un bon comportement lorsque les pièces qu’ils relient ont des mouvements combinés de rotation et de translation. Au surplus, la conception de l’articulation (1) présentant désormais une majorité de surfaces lisses, son nettoyage par essuyage, ou par frottis, est possible, ce qui le rend compatible avec les applications dans le domaine du nucléaire. En particulier, le matériau de l’arbre (32) est choisi pour ses propriétés inoxydables ou inertes, et peut être par exemple du titane. La troisième partie (30) est mise en mouvement par rapport à la deuxième partie (20) par une liaison hélicoïdale (40) comprenant une vis (41) et un écrou (42), par exemple une vis (41) et un écrou (42) à billes. Cette troisième partie (30) est également remarquable en ce que, contrairement à ce qui est pratiqué dans l’art antérieur, elle porte l’écrou (42) et non la vis (41). Cette conception permet d’obtenir une troisième partie (30) courte puisque la longueur de la course de la vis (41) chevauche la longueur de la course de l’arbre (32). A cet effet, la vis (41) est fixe en translation et mue en rotation par un deuxième moteur (21), dont un stator (210) est fixé sur la première partie (10) et un rotor (211) entraîne un système de poulies et de courroie relié à la vis (41). La vis (41) quant à elle doit présenter une importante résistance à l’usure, ce que ne permettent généralement pas les matériaux présentant une bonne inoxydabilité. La vis (41) est réalisée par exemple en acier cémenté et trempé, tel que du 100C6. La liaison cinématique entre la première partie (10) et la deuxième partie (20) est réalisée par des moyens de guidage adaptés, tels que des roulements à billes ou aiguilles. La liaison cinématique entre la deuxième partie (20) et la troisième partie (30) est réalisée par un guidage au moyen de bagues (37). Ces bagues (37) sont de tout type adapté, et sont de préférence des bagues autolubrifiantes, telles que réalisées en bronze fritté et chargé en lubrifiant. Avantageusement, une bague (37) supérieure est fixée sur l’arbre (32) et une bague (37) inférieure est fixée sur la deuxième partie (20). En référence à la , afin d’obtenir un guidage suffisamment rigide et précis, la longueur (d) minimale de la portée entre les deux bagues (37), mesurée entre les milieux des bagues (37), est supérieure ou égale au diamètre externe (D) de l’arbre (32). Cette longueur (d) minimale est obtenue lorsque l’arbre (32) est en position basse, et la longueur (d) augmente lorsque l’arbre (32) remonte. Plusieurs solutions techniques sont envisageables pour réaliser le blocage en rotation du guidage obtenu. De préférence, il s’agit de ménager au moins une rainure (22) longitudinale et parallèle à l’axe (0) dans la deuxième partie (20), et dans laquelle est insérée une forme complémentaire (34) de la troisième partie (30). Il peut par exemple s’agir d’une clavette disposée sur l’arbre (32), mais de préférence il s’agit de proéminences de l’arbre (32). Afin de garantir la longévité de ce guidage, des plaquettes non-représentées sont disposées à l’interface entre la forme complémentaire (34) et la rainure (22). Ces plaquettes sont avantageusement en matériau autolubrifiant, et de préférence réalisées en bronze fritté et chargé en lubrifiant. Le premier et le deuxième moteur (10, 20) étant chacun fixés sur la première partie (10), ils sont de préférence fixés l’un au-dessus de l’autre, ce qui permet d’obtenir une articulation (1) compacte, et ce qui permet également de simplifier le câblage puisqu’un seul faisceau de réseaux (50) arrive dans l’articulation (1) depuis le bras robotisé. Interpolation des mouvements. Les réseaux (50) comprennent l’alimentation électrique des premier et deuxième moteurs (10, 20), les réseaux de commande de ces moteurs (10, 20), et des réseaux d’alimentation et de contrôle de l’outil destiné à être porté par l’extrémité libre (33). Les réseaux (50) comprennent en outre l’alimentation et la connexion de capteurs (36) disposés au niveau de l’extrémité libre (33). Ces capteurs (36) sont de préférence des capteurs d’effort, tels que des jauges de contrainte, qui permettent de détecter si le bras robotisé est entré en collision avec un objet ou avec un opérateur. Ces capteurs (36) sont donc des éléments de sécurité venant compléter les détections d’appel de courant des moteurs généralement utilisées en robotique. Certains des réseaux (50) sont connectés à une ou des cartes électroniques (13) qui sont disposées à l’intérieur de l’articulation (1). De préférence, il y a une carte électronique (13) pour chacun des premier et deuxième moteurs (10, 20). Ces cartes électroniques peuvent servir à redistribuer l’alimentation et à piloter l’outil destiné à être porté par l’articulation (1), et également à recevoir et à interpréter les données issues des capteurs (36). Afin de faire circuler les réseaux de manière pratique jusqu’à l’extrémité libre (33), deux caractéristiques sont remarquables : - une chambre d’expansion (12) est ménagée entre la première partie (10) et la seconde partie (20), de manière à ce qu’une portion spiralée (51) de réseaux (50) soit enroulée autour de la deuxième partie (20). Ainsi, la portion spiralée (51) peut s’expandre et/ou s’étendre librement selon les mouvements combinés des première, deuxième et troisième parties (10, 20, 30). Cette chambre d’expansion (12) peut être contenue dans un manchon (15) évitant que les câbles des réseaux (50) se déplacent de manière désordonnée au sein de l’articulation (1). Il peut par exemple être préférable que les réseaux (50) ne viennent pas en contact avec les cartes électroniques (13) ou les moteurs (10, 20) ; - l’arbre (32) comporte un conduit (35) destiné à recevoir les réseaux (50) et à les maintenir jusqu’au niveau de l’extrémité libre (33). De préférence, le conduit (35) est un forage traversant l’arbre (32) sur sa longueur. Les réseaux (50) peuvent également comprendre un réseau d’air comprimé destiné à alimenter l’outil. Dans ce cas, on peut imaginer qu’un deuxième conduit (35) soit réalisé dans l’arbre (32), et qu’un raccord pneumatique soit disposé à chaque extrémité de ce deuxième conduit (35). Ainsi, les réseaux (50) pneumatique pourrait être connecté en haut de l’arbre (32) pour l’alimenter en air comprimé, et un réseau (50) pneumatique secondaire serait connecté en bas de l’arbre (32), au niveau de son extrémité libre (33), afin d’alimenter l’outil. L’articulation (1) ainsi conçue, et en particulier dans son mode de réalisation préféré, est compacte, étanche, et ne présente pas de zones de rétention dans lesquelles pourraient s’accumuler des saletés ou se développer des germes. En particulier, l’arbre (32) comprend une surface externe lisse et traverse un joint (14) monté dans un alésage de la première partie (10). Afin que le joint (14) puisse jouer pleinement son rôle, la bague de guidage (37) inférieure ainsi qu’une autre bague (38) sont disposées à proximité du joint (14) et alignent parfaitement les alésages des première, deuxième et troisième parties (10, 20, 30). La première partie (10) reçoit en son intérieur tous les éléments de l’articulation (1), hormis l’arbre (32) qui coulisse et un éventuel porte-outil qui peut être disposé à son extrémité libre (33). La première partie (10) comprend donc un carter réalisé en plusieurs pièces, éventuellement reliées par des joints. En particulier, le carter de la première partie (10) comprend des capots démontables en regard des cartes électroniques (13) ou des systèmes poulies et courroie des premier et deuxième moteurs (10, 20). Ces capots permettent d’avoir un accès aisé à ces éléments lors du montage et également pour la maintenance de l’articulation (1). L’articulation (1) peut être conformée différemment des figures sans sortir du cadre de l’invention, qui est défini par les revendications. En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, l’articulation (1) peut être adaptée en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. Articulation (1) pour bras robotisé comprenant : - une première partie (10) recevant une deuxième partie (20) du bras robotisé avec capacité de rotation autour d'un axe général (0) de l’articulation en étant entrainée par un premier moteur (11) ; - une troisième partie (30) insérée dans la deuxième partie (20) et entrainée en translation selon l’axe général (0) au moyen d’un deuxième moteur (21) et d’une liaison hélicoïdale (40) ; la troisième partie (30) comprenant un arbre (32) dont une extrémité libre (33) est destinée à recevoir un outil, l’arbre (32) étant destiné à rentrer et à sortir de l’articulation (1) selon la translation entre les deuxième et troisième parties (20, 30) ; caractérisée en ce que la première partie (10) définit un volume interne fermé recevant intégralement la deuxième partie (20) et les premier et deuxième moteurs (11, 21), et en ce qu’une surface externe d’une portion de l’arbre (32) qui sort de la première partie (10) est lisse et traverse un joint d’étanchéité (14) monté sur la première partie (10). Articulation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison hélicoïdale (40) comprend une vis (41) reliée à la deuxième partie (20) et un écrou (42) relié à la troisième partie (30). Articulation (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le deuxième moteur (21) comprend un stator (210) accouplé à la première partie (10), et un rotor (211) relié à la vis (41). Articulation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième partie (20) présente au moins une rainure (22) longitudinale et parallèle à l’axe général (0) de l’articulation, dans laquelle s’insère une forme complémentaire (34) de la troisième partie (30), et en ce que l’arbre (32) et la deuxième partie (20) sont reliés par l’intermédiaire de bagues lisses (37) constituant une portée, dont la longueur (d) est au moins égale au diamètre externe (D) de l’arbre (32). Articulation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie (10) reçoit intérieurement des réseaux (50), tels qu’un réseau d’alimentation, un réseau de commande du moteur, traversant intérieurement l’articulation (1) depuis la première partie (10) du bras robotisé jusqu’à la troisième partie (30). Articulation (1) selon la revendication 5, caractérisée en ce que l’arbre (32) est traversé par un conduit (35) configuré pour recevoir des réseaux (50). Articulation (1) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu’au moins l’un des réseaux (50) comprend une portion spiralée (51) autour de la deuxième partie (20) en passant dans une chambre (12) définie entre la première partie (10) et ladite deuxième partie (20), la chambre (12) permettant l’expansion du réseau (50) lors des mouvements relatifs des première, deuxième et troisième parties (10, 20, 30) les unes par rapport aux autres. Articulation (1) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la première partie (10) comprend intérieurement au moins une carte électronique (13) destinée à piloter le premier moteur (11) et/ou le deuxième moteur (21). Articulation (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’extrémité libre (33) de l’arbre (32) comprend des capteurs (36), tels que des capteurs de forces et/ou des capteurs de présence.