Brevet FR3145108A1 — publié le 20240726

Titre : Actionneur pour bras robotisé L’invention concerne un actionneur pour bras robotisé (110) comprenant : un carter tubulaire ; un arbre de sortie s’étendant dans le carter tubulaire ; un moteur monté dans le carter tubulaire ; une connectique d’entrée située hors du carter tubulaire, et une connectique de sortie située dans le carter tubulaire et reliée à la connectique d’entrée par des moyens de connexion électrique, caractérisé en ce que les moyens de connexion comprennent un collecteur tournant, et en ce que l’arbre de sortie est creux. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Actionneur pour bras robotisé Le domaine de l’invention est celui de la conception et de la fabrication des systèmes de cobotique. Plus précisément, l’invention concerne en particulier, mais non exclusivement, un actionneur pour bras robotisé. Les bras robotisés peuvent être utilisés pour diverses tâches. L’une de ces tâches est l’assistance aux personnes handicapées. En effet, certains handicaps réduisent la faculté des personnes à pouvoir utiliser leur bras pour saisir des objets et les déplacer. Les cobots, dénomination désignant les membres robotisés destinés à interagir avec un utilisateur, sont alors utilisés pour permettre aux personnes handicapées de retrouver de l’autonomie dans leurs gestes. A titre d’exemple, les bras robotisés peuvent être montés sur des fauteuils roulants pour permettre à leurs utilisateurs de se saisir d’objets et de les manipuler lorsque leurs propres bras ne le permettent pas. Le document de brevet publié sous le numéro EP2355958 décrit un bras robotisé adaptable à un fauteuil roulant. Les bras robotisés connus présentent une pluralité de tronçons articulés les uns par rapport aux autres. Les articulations sont notamment formées par des actionneurs. Classiquement, un actionneur comprend un moteur associé à un réducteur. Le moteur permet de déplacer deux tronçons l’un par rapport à l’autre et le réducteur permet d’augmenter le couple fourni par le moteur pour accroître la force du bras robotisé. Cependant, les actionneurs utilisés présentent de nombreux défauts. Premièrement, ils sont limités dans leurs degrés de liberté. En d’autres termes, lorsque plusieurs actionneurs sont montés dans le bras robotisé, ils sont positionnés en série depuis une première extrémité du bras jusqu’à une deuxième extrémité. Les câbles destinés à alimenter en énergie et consignes les actionneurs doivent donc traverser le bras robotisé. Aussi, pour éviter les risques de torsion et d’emmêlement des câbles la rotation des articulations est limitée. Cela complexifie alors la programmation puisqu’il est nécessaire de veiller à garder une orientation particulière de certains tronçons lors du déplacement du bras robotisé, tout en limitant l’amplitude de mouvement du bras pour ne pas gêner des personnes évoluant autour du bras robotisé. A titre d’exemple, lorsque l’objet saisi en bout de bras robotisé est un verre ou un pot ouvert, il est nécessaire de conserver constante l’orientation du verre ou du pot, ou quasiment, pour permettre son déplacement sans renverser son contenu. Selon la position de départ du bras lorsqu’il saisit le verre ou le pot, le déplacement peut s’avérer compliqué. Deuxièmement, lorsqu’ils sont montés sur des fauteuils roulants, les bras robotisés doivent présenter un esthétisme et un encombrement appropriés. En outre les bras robotisés doivent également être légers et faiblement consommateurs d’énergie électrique pour réduire le dimensionnement de la ou des batteries du fauteuil roulant. Dès lors, la taille des articulations contraint la puissance développée par les actionneurs. En effet, pour augmenter la puissance d’un actionneur, sans augmenter de manière démesurée son coût, une solution répandue est d’augmenter la taille de l’actionneur, notamment du moteur et/ou du réducteur. Or, l’augmentation de la taille des actionneurs impacte directement l’esthétisme et l’usage du bras robotisé. Par ailleurs, la taille des actionneurs impacte également les performances du bras robotisé. Au détriment de l’esthétisme et de l’encombrement, les bras robotisés sont développés pour offrir l’usage souhaité. Troisièmement, les actionneurs nécessitent d’être entretenus tout au long de leur vie. Cet entretien s’avère particulièrement long, coûteux et fastidieux étant donné le nombre élevé de pièces contenues dans les actionneurs. En effet, afin de maximiser le ratio entre la puissance développée et le poids de l’actionneur, de nombreuses pièces d’usure, tels que les roulements, sont utilisés. Or ces pièces d’usure, comme leur nom l’indique, s’usent à mesure de l’utilisation des bras robotisés. L’entretien est donc nécessaire mais problématique car, mis à part le coût de la prestation, il nécessite une immobilisation longue du bras robotisé. L’invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l’art antérieur. Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer un actionneur pour bras robotisé, dont la conception permet de limiter son poids et sa taille tout en augmentant sa puissance développée. L’invention a également pour objectif de fournir un tel actionneur qui permette de réaliser des articulations offrant une plus grande amplitude de mouvements que celles de l’art antérieur. L’invention a en outre pour objectif de fournir un tel actionneur qui soit fiable et dont la maintenance est simplifiée comparativement aux actionneurs de l’art antérieur. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l’invention qui a pour objet un actionneur pour bras robotisé comprenant : un carter tubulaire s’étendant le long d’un axe principal ; un arbre de sortie s’étendant dans le carter tubulaire le long de l’axe principal ; un réducteur couplé à l’arbre de sortie ; un moteur monté dans le carter tubulaire et comprenant un stator solidaire du carter tubulaire et un rotor couplé au réducteur ; une connectique d’entrée située hors du carter tubulaire, et une connectique de sortie située dans le carter tubulaire et reliée à la connectique d’entrée par des moyens de connexion électrique, caractérisé en ce que les moyens de connexion comprennent un collecteur tournant, et en ce que l’arbre de sortie est creux pour permettre le passage de câbles joignant les moyens de connexion à un dispositif externe à l’actionneur. L’utilisation d’un arbre de sortie creux combiné à la présence d’un connecteur tournant permet de rendre l’actionneur plus compact que ceux de l’art antérieur. Cela bénéficie également à l’allègement du poids de l’actionneur, ce qui améliore le rapport poids/puissance comparativement aux actionneurs de l’art antérieur. De plus l’utilisation de l’arbre creux et du collecteur tournant permet de monter plusieurs actionneurs en série dans un bras robotisé tout en rendant possible la rotation sur plusieurs tours de deux parties du bras l’une par rapport à l’autre. En effet, les risques de torsion des câbles sont annulés par le fait qu’ils traversent l’arbre de sortie. En outre, cela réduit la limitation de mouvement d’un bras pourvu d’actionneurs puisque les câbles ne risquent pas de former une gêne à la mobilité dudit bras. Selon un aspect avantageux, l’actionneur comprend des moyens de guidage en rotation de l’arbre de sortie, intercalés entre l’arbre de sortie et le carter tubulaire. Ces moyens de guidage en rotation permettent d’éviter une flexion de l’arbre de sortie, ce qui pourrait conduire à un endommagement de l’actionneur. En outre, les moyens de guidage fiabilisent l’actionneur. Selon un autre aspect avantageux, les moyens de guidage comprennent un premier organe et un deuxième organe, le moteur et le réducteur étant positionnés entre le premier organe et le deuxième organe. L’arbre de sorti est ainsi guidé au voisinage de ses extrémités, ce qui réduit encore les risques de flexion. Selon un autre aspect avantageux, l’actionneur comprend également un capteur de contraintes configuré pour connaître, à tout instant, les efforts appliqués sur l’arbre de sortie. Cela permet notamment de suivre l’activité de l’actionneur et de déterminer la contrainte d’une articulation dans laquelle est monté l’actionneur. Selon un autre aspect avantageux, le capteur de contraintes est monté solidaire du carter tubulaire. Cela permet un accès facile au capteur de contraintes pour sa maintenance si nécessaire. En outre, en étant solidaire du carter tubulaire, il n’est pas soumis à un mouvement qui pourrait lui être néfaste dans l’acquisition de données. Selon un autre aspect avantageux, le corps tubulaire présente un support conique s’étendant vers l’intérieur du corps tubulaire, un épaulement étant pratiqué dans ledit support conique. Le support conique permet de limiter la taille du premier organe de guidage, ce qui limite encore le poids de l’actionneur au bénéfice de son encombrement. Cela bénéficie alors également à l’esthétisme du bras robotisé qui peut être plus compact. Selon un autre aspect avantageux, le deuxième bouchon est solidaire de l’arbre de sortie, le deuxième organe étant intercalé entre deuxième bouchon et la deuxième partie latérale. Cela favorise également l’adaptabilité de l’actionneur au besoin. En effet, pour un besoin spécifique, il peut être nécessaire d’adapter l’actionneur. Le changement du deuxième bouchon permet cela, de manière rapide. Selon un autre aspect avantageux, l’un au moins du premier organe et du deuxième organe est un roulement. L’utilisation de roulement permet un guidage efficace pour un faible encombrement. Selon un autre aspect avantageux, l’un au moins du premier organe et du deuxième organe est un palier lisse. L’utilisation d’un palier lisse réduit encore le poids de l’actionneur. Selon un autre aspect avantageux, le collecteur tournant inclut : une première partie portant au moins trois pistes métalliques, et une deuxième partie portant au moins trois balais destinés à coopérer chacun avec l’une des pistes métalliques. Deux pistes peuvent alors être utilisées pour la transmission d’un courant de puissance entre plusieurs actionneurs montés en série, tandis que la troisième piste peut permettre le passage d’un courant de consigne permettant le pilotage de l’actionneur. L’invention concerne également un bras robotisé comprenant au moins deux tronçons articulés l’un par rapport à l’autre par l’intermédiaire Comparativement aux bras robotisés de l’art antérieur, un bras robotisé selon l’invention offre une meilleure force pour un poids inférieur ou à tout le moins égal. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, donné à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés décrits ci-après. La est une représentation schématique d’un fauteuil roulant portant un bras robotisé ayant au moins une articulation formée par un actionneur selon l’invention. La est une représentation schématique en perspective d’un actionneur selon l’invention. La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’un actionneur selon l’invention. La est une représentation schématique simplifiée en éclaté d’un actionneur selon l’invention. La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’un éclaté d’un carter tubulaire de l’actionneur selon l’invention. La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’un collecteur tournant électrique de l’actionneur selon l’invention, cette vue présentant un médaillon de détail à échelle agrandie. La illustre un fauteuil roulant 100 pourvu d’un bras robotisé 110 comprenant au moins un actionneur 1 selon l’invention (illustré par les figures 2 à 6). Un actionneur 1 selon l’invention est notamment utilisé pour former une articulation 120 du bras robotisé 110. Plus précisément, l’actionneur 1 est utilisé pour former une articulation 120 entre deux tronçons du bras robotisé 110. La illustre un actionneur 1 selon l’invention. L’actionneur 1 comprend : un carter tubulaire 2 ; un arbre de sortie 3 ; un réducteur 4 couplé à l’arbre de sortie 3 ; un moteur 5 ; une connectique d’entrée 6, et une connectique de sortie 7 située dans le carter tubulaire 2 et reliée à la connectique d’entrée par des moyens de connexion électrique. Tel que cela est illustré par la , le carter tubulaire s’étend le long d’un axe principal A. Toujours en référence à la , l’arbre de sortie 3 est creux et s’étend dans le carter tubulaire 2 le long de l’axe principal A. Le fait que l’arbre de sortie 3 soit creux permet le passage de câbles C joignant les moyens de connexion à un dispositif externe à l’actionneur 1, comme expliqué ci-après. Le moteur 5 est monté dans le carter tubulaire 2. Plus précisément, le moteur 5 comprend un stator 501 solidaire du carter tubulaire 2 et un rotor 502 couplé au réducteur 4. Le couplage du rotor 502 avec le réducteur 4 permet de faire varier la vitesse de rotation de l’arbre de sortie 3 par rapport à la vitesse de rotation du moteur 5. Tel que cela est visible sur la , le stator 501 porte une bobine 503 électrique et le rotor 502 porte une pluralité d’aimants 504 destinés à coopérer avec un champ magnétique généré par la bobine 503 du stator 501 afin de faire tourner le rotor 502. En référence à la , la connectique d’entrée 6 est située hors du carter tubulaire 2. En revanche, la connectique de sortie 7 est située dans le carter tubulaire 2. Plus précisément, la connectique de sortie 7 est située dans l’arbre de sortie 3. Les moyens de connexion comprennent un collecteur tournant 8. L’utilisation d’un collecteur 8 tournant permet d’annuler, c’est-à-dire d’éviter, la torsion des câbles C traversant l’actionneur 1, notamment pour le montage en série de plusieurs actionneurs 1. En référence à la , le collecteur tournant 8 inclut : une première partie 801 portant au moins trois pistes métalliques 802, et une deuxième partie 803 portant au moins trois balais 804 destinés à coopérer chacun avec l’une des pistes métalliques 802. Deux pistes métalliques 802 peuvent notamment être dédiées au passage d’un courant électrique d’alimentation permettant d’alimenter plusieurs actionneurs 1 montés en série. Une troisième des pistes métalliques 802 peut, quant à elle, être utilisée pour le passage d’un courant de commande pour le pilotage de l’actionneur 1. D’autres pistes métalliques 802 peuvent notamment être prévues pour permettre le passage de courants de commande vers d’autres actionneurs 1. Tel que cela est illustré par les figures 3 et 4, l’actionneur 1 comprend également des moyens de guidage en rotation de l’arbre de sortie 3. Ces moyens de guidage sont intercalés entre l’arbre de sortie 3 et le carter tubulaire 2. Plus précisément, les moyens de guidage en rotation comprennent un premier organe 9 et un deuxième organe 10. Le premier organe 9 et le deuxième organe 10 sont positionnés de telle sorte que le moteur 5 et le réducteur 4 soient positionnés entre le premier organe 9 et le deuxième organe 10. Cela bénéficie à la compacité de l’actionneur 1, et à la qualité de guidage en rotation de l’arbre de sortie 3. Selon un aspect, l’un au moins du premier organe 9 et du deuxième organe 10 est un roulement. Selon le mode de réalisation illustré par la , chacun du premier organe 9 et du deuxième organe 10 est un roulement. Les roulements peuvent être des roulements à billes, des roulements à aiguilles, des roulements coniques, des roulements à billes à contact oblique, ou tout autre type de roulement. En variante non représentée sur les figures, l’un au moins du premier organe 9 et du deuxième organe 10 est un palier lisse. Les moyens de guidage en rotation peuvent comprendre d’autres organes 11, par exemple intercalée entre l’arbre de sortie 3 et le rotor 502. En référence aux figures 4 et 5, le carter tubulaire 2 présente au moins trois parties aboutées long de l’axe principal A. Plus précisément, le carter tubulaire 2 comprend une partie centrale 201, une première partie latérale 202 et une deuxième partie latérale 303. La partie centrale 201 est reçue entre la première partie latérale 202 et la deuxième partie latérale 203. Chaque partie latérale 202, 203 comprend un épaulement 204 de réception des moyens de guidage. Plus spécifiquement, tel qu’illustré par la , la première partie latérale 202 présente un support conique 205 s’étendant vers l’intérieur du corps tubulaire 2, c’est-à-dire s’amincissant en direction de l’axe principal A, l’épaulement 204 étant pratiqué dans ledit support conique 205. Plus précisément, l’épaulement 204 de la première partie latérale 202 est pratiqué à une extrémité distale de plus faible diamètre du support conique 205. En référence à la vue éclatée de la , le carter tubulaire 2 est fermé à une première extrémité 206 par un premier bouchon 207 et, à une deuxième extrémité 208, par un deuxième bouchon 209. Le premier bouchon 207 et le deuxième bouchon 209 permettent de rendre hermétique l’actionneur 1 à d’éventuelles poussières ou saletés qui pourraient nuire à son bon fonctionnement et entraîner une intervention de maintenance, donc une immobilisation du bras robotisé 110 contenant l’actionneur 1 défaillant. Pour faciliter le montage et l’entretien de l’actionneur 1, le deuxième bouchon 209 est solidaire de l’arbre de sortie 3. Le deuxième organe 10 est alors intercalé entre deuxième bouchon 209 et la deuxième partie latérale 203 du carter tubulaire 2, tel que cela est illustré par la . Selon le mode de réalisation illustré par la , l’actionneur 1 comprend également un capteur de contrainte 11. Le capteur de contraintes 11 est monté solidaire du carter tubulaire 2 et est configuré pour connaître, à tout instant, les efforts appliqués sur l’actionneur 1 et notamment les efforts appliqués sur l’arbre de sortie 3. Le capteur 11 peut également être relié au collecteur tournant 8 pour échanger des données avec une unité de pilotage distante. A titre d’exemple illustratif et non limitatif, le capteur 11 est une jauge de contraintes. En fonctionnement, le moteur 5 entraîne en rotation l’arbre de sortie 3. Le réducteur 4 permet de modifier le couple fourni par l’arbre de sortie 3 en fonction du couple généré par le moteur 5. La transmission des informations et de la puissance peut être assurée entre plusieurs actionneurs 1 montés en série dans un bras robotisé 110, grâce à la présence du collecteur tournant 8. En effet, les câbles conservent une torsion nulle puisqu’ils traversent l’arbre de sortie 3 qui est creux. Dès lors, ils ne sont pas soumis à une éventuelle torsion engendrée par la rotation de l’arbre de sortie 3. Par ailleurs, le rapport poids/puissance offert par l’actionneur 1 qui vient d’être décrit est supérieur à celui des actionneurs de l’art antérieur. Cela s’explique notamment par le fait que l’encombrement est réduit grâce à l’architecture développée et la position des différentes pièces. A titre indicatif, l’architecture de l’actionneur selon l’invention permet un gain d’encombrement de l’ordre de 15 % sur le diamètre, et d’environ 20% sur la longueur, et un gain de poids supérieur à 10%, comparativement aux actionneurs de l’art antérieur. Des tests ont permis également permis de mettre en évidence que, malgré des dimensions inférieures et un poids inférieur aux actionneurs de l’art antérieur, l’actionneur 1 selon l’invention présente : un couple continu supérieur de 50 % ; un couple maximal supérieur de 13% environ, une vitesse de rotation maximale de l’arbre de sortie supérieure de 265 %. Actionneur (1) pour bras robotisé (110) comprenant : un carter tubulaire (2) s’étendant le long d’un axe principal (A) ; un arbre de sortie (3) s’étendant dans le carter tubulaire (2) le long de l’axe principal (A) ; un réducteur (4) couplé à l’arbre de sortie (3) ; un moteur (5) monté dans le carter tubulaire (2) et comprenant un stator (501) solidaire du carter tubulaire (2) et un rotor (502) couplé au réducteur (4) ; une connectique d’entrée (6) située hors du carter tubulaire (2), et une connectique de sortie (7) située dans le carter tubulaire (2) et reliée à la connectique d’entrée (6) par des moyens de connexion électrique, caractérisé en ce que les moyens de connexion comprennent un collecteur (8) tournant, et en ce que l’arbre de sortie (3) est creux pour permettre le passage de câbles (C) joignant les moyens de connexion à un dispositif externe à l’actionneur (1). Actionneur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de guidage en rotation de l’arbre de sortie (3), intercalés entre l’arbre de sortie (3) et le carter tubulaire (2). Actionneur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent un premier organe (9) et un deuxième organe (10), le moteur (5) et le réducteur (4) étant positionnés entre le premier organe (9) et le deuxième organe (10). Actionneur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend également un capteur de contraintes (11) configuré pour connaître, à tout instant, les efforts appliqués sur l’arbre de sortie (3). Actionneur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur de contraintes (11) est monté solidaire du carter tubulaire (2). Actionneur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps tubulaire (2) présente un support conique (205) s’étendant vers l’intérieur du corps tubulaire (2), un épaulement (204) de réception des moyens de guidage étant pratiqué dans ledit support conique (205). Actionneur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’un au moins du premier organe (9) et du deuxième organe (10) est un roulement. Actionneur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’un au moins du premier organe (9) et du deuxième organe (10) est un palier lisse. Actionneur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur (8) tournant inclut : une première partie (801) portant au moins deux pistes métalliques (802), et une deuxième partie (803) portant au moins trois balais (804) destinés à coopérer chacun avec l’une des pistes métalliques (802). Bras robotisé (110) comprenant au moins deux tronçons articulés l’un par rapport à l’autre par l’intermédiaire d’un actionneur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.