Brevet FR3141362A1 — publié le 20240503

Articulation parallèle (1) à deux degrés de liberté pour un robot comprenant une base (2) et une tête (3) fixée libre en rotation sur la base (2), la tête (3) comprend par ailleurs une surface active (3a) fixée libre en rotation dans la tête (3), la tête (3) comprenant trois engrenages coniques (6a,6b,6c), un premier engrenage conique (6a) étant porté par un premier axe (7a), un deuxième engrenage conique (6b) étant porté par un deuxième axe (7b), un troisième engrenage conique (6c) étant solidaire de la surface active (3a) et étant disposé de sorte à s’engrener simultanément avec le premier engrenage conique (6a) et le deuxième engrenage (6b), le deuxième axe (7b) traversant le premier engrenage conique (6a) et le premier axe (7a) creux, le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b) étant coaxiaux et mécaniquement reliés à un premier moteur et à un deuxième moteur, respectivement. Figure pour l’abrégé : [Fig 2] Articulation à deux degrés de liberté L’invention a pour domaine technique les articulations de membres robotiques, et plus particulièrement de telles articulations à deux degrés de liberté. Techniques antérieures Les membres robotiques utilisent généralement plusieurs articulations afin de disposer de la meilleure mobilité possible, à l'instar des membres d’un être humain ou d’un animal. Une articulation implique au moins un degré de liberté, généralement deux ou trois degrés de liberté. Par degrés de liberté, on entend la possibilité de réaliser une rotation selon un axe prédéfini. Ainsi, à deux degrés de liberté, une articulation autorise la rotation selon deux axes prédéfinis distincts, en général orthogonaux. A trois degrés de liberté, une articulation autorise la rotation selon trois axes prédéfinis distincts, en général orthogonaux également. Selon leur emplacement dans le membre robotique, l’articulation nécessite un nombre minimal de degrés de liberté pour en permettre le fonctionnement. Il pourrait être plus simple, en apparence, de n’employer que des articulations à trois degrés de liberté pour chacune des articulations d’un membre. Néanmoins, de telles articulations à trois degrés de liberté sont plus lourdes, coûteuses et plus complexes à commander que leurs homologues à deux degrés de liberté. Il est ainsi avantageux de disposer d’articulations à deux degrés de liberté en complément d’articulations à trois degrés de liberté. De telles articulations à deux degrés de liberté sont connues de l’état de la technique. Les documents suivants illustrent différentes variations de ces articulations. Le document Bsili R. et al. « An evolutionary approach for the optimal design of iCub mk. 3 Parallel Wrist » IEEE-RAS 18th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids 2018), 08/11/18, Beijing, China décrit un mécanisme pour un poignet robotique, à deux degrés de liberté ainsi que des paramètres de conception associés permettant de maximiser les angles atteignables selon chaque degré de liberté. Le document Penčić M. et al. « Social Humanoid Robot SARA: Development of the Wrist Mechanism », IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 294(1) :012079-1–012079-10 décrit un autre mécanisme de poignet robotique à deux degrés de liberté permettant une flexion/extension de 115° et une déviation latérale de 45°. Le document Jager, J et al. (2017) « Joint level modelling, characterisation and torque control of the SHERPA robotic arm », MSs report, Robotics and Mechatronics, University of Twente décrit une articulation comprise dans un bras robotique disposé sur un rover. Le bras comprend sept degrés de liberté répartis entre une épaule, un coude et un poignet. L’épaule et le coude se présentent comme des articulations à deux degrés de liberté, tandis que le poignet présente trois degrés de liberté. Le document Olaru I. et al « Novel Mechanical Design of Biped Robot SHERPA Using 2 DOF Cable Differential Modular Joints » IROS: Intelligent Robots and Systems, Oct 2009, St. Louis, MO, USA. pp.4463-4468, (10.1109/IROS.2009.5354425) décrit une articulation à deux degrés de liberté ayant pour particularité de reposer sur l’association de câbles et de poulies. Il ressort de ces différents documents que les articulations à deux degrés de liberté selon l’état de la technique sont encombrantes et couteuses. Le but de la présente demande est de résoudre ces problèmes techniques. L’invention a pour objet une articulation parallèle à deux degrés de liberté pour un robot comprenant une base et une tête fixée libre en rotation sur la base, la tête comprend par ailleurs une surface active fixée libre en rotation dans la tête de sorte que l’axe de rotation de la surface active soit compris dans un plan normal à l’axe de rotation de la tête par rapport à la base, la tête comprenant trois engrenages coniques, un premier engrenage conique étant porté par un premier axe, un deuxième engrenage conique étant porté par un deuxième axe, un troisième engrenage conique étant solidaire de la surface active et étant disposé de sorte à s’engrener simultanément avec le premier engrenage conique et le deuxième engrenage, le premier axe et le deuxième axe étant coaxiaux entre eux et avec l’axe de rotation de la tête par rapport à la base, le premier axe étant creux, le deuxième axe traversant le premier engrenage conique et le premier axe, le premier axe et le deuxième axe étant mécaniquement reliés à un premier moteur et à un deuxième moteur, respectivement. L’articulation peut comprendre un capteur de mesure de la rotation de la sphère par rapport à la base et un capteur de mesure de la rotation de la surface active par rapport à la sphère. Le deuxième axe peut être creux, le câble de communication du capteur de mesure de la rotation de la surface active par rapport à la sphère passant alors à travers le premier axe et le deuxième axe. La tête peut comprendre une surface passive fixée libre en rotation par rapport à la tête, et comprenant une lumière en son centre de sorte qu’un câble puisse traverser la lumière, le premier axe creux et le deuxième axe creux pour ressortir dans la base. Le premier axe et le deuxième axe peuvent être mécaniquement reliés à un premier moteur et un deuxième moteur respectivement, par l’intermédiaire d’une transmission par engrenages, un moteur étant connecté à un premier engrenage s’engrenant dans un deuxième engrenage connecté à l’axe correspondant. Le premier axe et le deuxième axe peuvent être mécaniquement reliés à un premier moteur et un deuxième moteur respectivement, par l’intermédiaire d’une transmission par poulies et courroie, une poulie étant connectée à un moteur, l’autre poulie étant connectée à l’axe correspondant, les deux poulies étant connectées par la courroie. Une transmission par courroie peut être connectée à la surface active, une première poulie étant connectée à la surface active et à un élément de maintien, une deuxième poulie étant fixée de manière solidaire à la surface active et étant fixée libre en rotation sur l’élément de maintien, de sorte que sa position par rapport à la surface active soit maintenue, les deux poulies étant connectées par une courroie. L’invention a également pour objet un procédé de commande d’une articulation à deux degrés de liberté telle que décrit ci-dessus, dans lequel on commande les deux moteurs de sorte qu’ils tournent dans des directions différentes et à la même vitesse pour faire tourner la sphère par rapport à la base et on commande les deux moteurs de sorte qu’ils tournent dans la même direction et à la même vitesse pour faire tourner la surface active par rapport à la sphère. Un autre objet de l’invention est un membre robotique comprenant au moins deux segments reliés ensemble par une articulation à deux degrés de liberté telle que décrite plus haut. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure illustre les principaux éléments de l’articulation à deux degrés de liberté selon l’invention, - la figure illustre une vue en coupe de l’articulation à deux degrés de liberté selon l’invention, - la figure illustre une vue en coupe de l’articulation à deux degrés de liberté selon l’invention montrant la disposition des capteurs de rotation, - la figure illustre un bras robotisé comprenant l’articulation à deux degrés de liberté selon l’invention, - la figure illustre un premier mode de réalisation quant à la motorisation de l’articulation 1 à deux degrés de liberté, - la figure illustre un premier mode de réalisation quant à la motorisation de l’articulation 1 à deux degrés de liberté, et - la figure illustre un mode de réalisation de déport de la sortie mécanique de l’articulation 1 à deux degrés de liberté. Description détaillée Afin de résoudre le problème technique et de disposer d’une articulation à deux degrés de liberté, la demanderesse a remarqué que l’utilisation de deux axes moteurs imbriqués permettait de façon fort surprenante, de disposer d’une articulation à deux degrés de liberté dont les moteurs sont disposés d’un même coté, améliorant ainsi la compacité de l’articulation ainsi que la répartition des masses dans un membre robotique. L’articulation 1 à deux degrés de liberté selon l’invention est illustrée par la figure . L’articulation 1 comprend une base 2 et une tête 3 fixée libre en rotation sur la base 2. La tête 3 comprend une partie sphérique jointe avec une partie cylindrique. La partie cylindrique de la tête 3 s’insère dans une ouverture correspondante de la base 2. La tête 3 comprend par ailleurs une surface active 3a et une surface passive 3b directement opposées, fixées libres en rotation dans la tête 3, de sorte que l’axe de rotation de la surface active 3a et de la surface passive 3b passe par le centre de la partie sphérique de la tête 3 et soit compris dans un plan normal à l’axe de la partie cylindrique de la tête 3. Le mouvement de la tête 3 et le mouvement de la surface active 3a reposent sur trois engrenages coniques 6a,6b,6c disposés dans la tête 3. Le premier engrenage conique 6a et le deuxième engrenage conique 6b sont disposés l’un en face de l’autre. Le troisième engrenage conique 6c est mécaniquement solidaire de la surface active 3a de sorte qu’une rotation impartie sur le troisième engrenage conique 6c est également transmise à la surface active 3a. Le troisième engrenage conique 6c s’engraine simultanément avec le premier engrenage conique 6a et le deuxième engrenage conique 6b. L’articulation ainsi formée comprend un premier degré de liberté en rotation autour de la liaison entre la base 2 et la tête 3 selon l’axe de révolution de la partie cylindrique de la tête 3, et un deuxième degré de liberté en rotation autour de la liaison entre la tête 3 et la surface active 3a selon l’axe de révolution la surface active 3a. Une rotation selon le premier degré de liberté est obtenue lorsque le premier engrenage conique 6a et le deuxième engrenage conique 6b tournent en sens opposé. Une rotation selon le deuxième degré de liberté est obtenue lorsque le premier engrenage conique 6a et le deuxième engrenage conique 6b tournent dans le même sens. Le troisième engrenage conique 6c est alors soumis à une vitesse de rotation égale à la vitesse de rotation du premier engrenage conique 6a ou du deuxième engrenage conique 6b. La figure illustre une vue en coupe de l’articulation 1 à deux degrés de liberté selon l’invention. En plus des éléments principaux décrits ci-dessus, la figure illustre la structure interne de la base 2, de la tête 3 et de la surface active 3a. La surface active 3a présente une forme de disque et est mécaniquement connectée au troisième engrenage conique 6c. Elle demeure par contre libre en rotation par rapport à la sphère 3. La surface passive 3b présente, de façon similaire, une forme de disque et est laissée libre en rotation par rapport à la sphère 3. Un ensemble de paliers 5 contribue au maintien de la surface active 3a et de la surface passive 3b dans la tête 3 tout en autorisant la rotation. Un autre ensemble 4 de paliers permet de maintenir en place la partie cylindrique de la tête 3 par rapport à la base 2, tout en permettant la rotation par rapport à l’axe de la partie cylindrique de la tête 3. De manière similaire, un ensemble différent 4a de paliers permet de maintenir en place la partie cylindrique de la tête 3 par rapport au premier axe 7a, tout en permettant la rotation par rapport à l’axe de la partie cylindrique de la tête 3. Le premier engrenage conique 6a est relié à un premier axe 7a connecté à un premier moteur. Le deuxième engrenage conique 6b est relié à un deuxième axe 7b connecté à un deuxième moteur. Le premier axe 7a et le deuxième axe 7b sont alors coaxiaux de manière à permettre cette disposition. Cela est notamment réalisé en réalisant au moins le premier axe 7a sous la forme d’un axe creux, le deuxième axe 7b étant disposé à l’intérieur du premier axe 7a. Le deuxième axe 7b traverse le premier engrenage conique 6a et le deuxième engrenage conique 6b jusqu’à un palier de support 8. Une bride 9 est disposée entre le deuxième engrenage conique 6b et le palier de support 8 afin de réaliser un accouplement rigide entre le deuxième engrenage conique 6b et le deuxième axe 7b. Le premier engrenage conique 6a est quant à lui maintenu en position par un épaulement ménagé dans le premier axe 7a et contre lequel le premier engrenage conique 6a est en contact. Un autre palier 10 permet de maintenir le deuxième axe 7b dans le premier axe 7a tout en autorisant la rotation. La conception en axes concentriques et la disposition traversante du deuxième axe 7b par rapport au premier engrenage conique 6a et au deuxième engrenage conique 6b permet de disposer les deux moteurs du même côté de l’articulation. Cette configuration est très avantageuse pour une utilisation au sein d’un bras robotique puisque les deux moteurs peuvent alors se situer du côté du bâti supportant la base 2. On comprendra que, par conception, les deux axes sont maintenus coaxiaux l’un par rapport à l’autre par les différents paliers ou roulements. De plus, leurs diamètres sont choisis de sorte que les frottements entre les tubes soient absents. L’articulation à deux degrés de liberté 1 ainsi conçue permet de disposer de deux axes de liberté sur chacun desquels on peut réaliser une rotation infinie. La figure illustre les capteurs disposés dans une articulation 1 à deux degrés de liberté selon l’invention. Un premier capteur de rotation 11 est disposé dans la base 2 au niveau de l’interface entre la base 2 et la partie cylindrique de la tête 3. Le premier capteur de rotation 11 comprend une partie fixe liée à la base 2 et une partie mobile liée à la partie cylindrique de la tête 3. La partie fixe est notamment un capteur magnétique configuré pour mesurer les variations de champ magnétique. La partie mobile est notamment un anneau magnétique muni d’au moins un encodeur. Le capteur magnétique détecte une variation de champ magnétique lorsque l’anneau magnétique est mis en rotation lors de la rotation de la tête 3. L’ensemble capteurs magnétiques et élément magnétique est conçu en taille, distance, intensité et sensibilité de sorte que les capteurs magnétiques puissent détecter l’élément magnétique et que la position de l’élément magnétique puisse être déterminée en fonction de l’intensité mesurée par chaque capteur. Le premier capteur de rotation 11 est muni d’un câble de connexion 12. Un deuxième capteur de rotation 13 est disposé dans la surface active 3a de la tête, de sorte à en mesurer la position par rapport à une position de repos ou par rapport à un élément magnétique solidaire du reste de la tête 3. Lorsque l’articulation 1 à deux degrés de rotation est munie de ces capteurs, il est ainsi possible de déterminer la position absolue ou relative de chaque partie de l’articulation 1 de sorte qu’une commande en boucle fermée de chaque degré de liberté est possible. Dans un mode de réalisation particulier, le deuxième axe 7b est creux comme le premier axe 7a, offrant alors un chemin privilégié pour faire circuler différents câbles. Ce chemin est notamment employé pour le passage d’un câble de connexion du deuxième capteur de rotation 13. Ce chemin peut également être employé pour faire circuler un câble 15 connectant des équipements ou actionneurs disposés en aval de l’articulation 1. Le câble 15 débouche alors par une lumière ménagée au centre de la face passive 3b. Un tel câble 15 permet notamment d’alimenter et de commander les équipements ou actionneurs disposés en aval. Cela est particulièrement important lorsque l’articulation 1 à deux degrés de liberté est employée comme épaule ou coude dans un bras robotisé tel qu’illustré par la figure , dans lequel au moins un actionneur 20, en l’occurrence une articulation de poignet, est disposé en aval des articulations 1 à deux degrés de liberté. L’articulation 1 à deux degrés de liberté disposée dans le coude est située également en aval de l’articulation à deux degrés de liberté disposée dans l’épaule et bénéficie d’une circulation de son câble d’alimentation et de commande à l’intérieur des axes creux de cette articulation d’épaule. De façon générale, un membre robotique peut ainsi comprendre une articulation 1 à deux degrés de liberté disposé entre deux segments du membre. On comprendra également l’importance des paliers 5 entre la sphère 3 et la face passive 3b. En effet, lors de son intégration dans un membre robotique tel que celui illustré par la figure , le segment de membre suivant une articulation 1 à deux degrés de liberté est fixé à la surface active 3a. Ce segment de membre est également fixé à la surface passive 3b afin de partager les efforts de support et d’éviter que la seule surface active 3a ne les supporte. Dès lors que le segment de membre est fixé à la surface passive 3b, celle-ci doit être munie d’une liberté de rotation de sorte à suivre le mouvement de rotation imprimé par la surface active 3a au segment de membre. La présence de paliers 5 permet de réaliser cela. L’interfaçage amont et aval de l’articulation va maintenant être abordé. La figure illustre un premier mode de réalisation quant à la motorisation de l’articulation 1 à deux degrés de liberté. Un premier moteur 21a est mécaniquement connecté au premier axe 7a par l’intermédiaire d’un premier ensemble d’engrenages 22a permettant de réaliser une réduction. De façon similaire, le deuxième moteur 21b est mécaniquement connecté au deuxième axe 7b par l’intermédiaire d’un deuxième ensemble d’engrenages 22b permettant de réaliser une réduction. Les deux moteurs 21a,21b sont ainsi disposés dans le prolongement de l’articulation 1, ce qui est avantageux dans le cas d’une articulation entre deux membres, tels que le coude ou le genou. L’encombrement du système est réduit car les moteurs sont intégrés dans le membre antérieur. Dans un mode de réalisation particulier, le premier moteur 21a et le deuxième moteur 21b présentent les mêmes caractéristiques, les deux ensembles d’engrenages 22a,22b, présentant alors un même ratio de réduction. Dans un deuxième mode de réalisation quant à la motorisation de l’articulation 1 à deux degrés de liberté, illustrée par la figure , le premier axe 7a est connecté au premier moteur 21a par un premier ensemble de poulies et courroie 23a. De façon similaire, le deuxième axe 7b est connecté au deuxième moteur 21b par un deuxième ensemble de poulies et courroie 23b. Un tel agencement permet de déporter les moteurs 21a,21b et de modifier le centre de masse ou l’encombrement du robot au voisinage de l’articulation 1. Cela est notamment avantageux dans le cas d’une articulation 1 employée pour une épaule ou une hanche dans la mesure où les moteurs 21a,21b peuvent alors être disposés dans le châssis (i.e. le buste) du robot. La figure illustre un déport de rotation en sortie de l’articulation. Dans un tel mode de réalisation la sortie de l’articulation, correspondant à surface active 3a comprise dans la tête 3 d’articulation est connectée à une première poulie 25a. Une deuxième poulie 25b est disposée à l’endroit du déport de rotation. Une courroie 25c est disposée de sorte à transmettre la rotation de la première poulie 25a au niveau de la deuxième poulie 25b. La courroie 25c ne peut réaliser son rôle de transmission entre les deux poulies 25a,25b que si une tension minimale lui est appliquée. De plus, la courroie 25c est limitée dans la torsion qu’elle peut accepter, de sorte que les deux poulies 25a,25b doivent rester sensiblement dans le même plan. Afin de satisfaire ces contraintes, un élément 25d de maintien est mécaniquement solidaire de paliers autorisant la rotation des axes des poulies 25a,25b. Un élément 25d de maintien permet de maintenir les poulies 25a,25b dans des positions relatives appropriées pour l’entrainement par la courroie 25c. Un tel élément de maintien 25d est également solidaire de la tête 3 de l’articulation de sorte à maintenir les positions relatives de la deuxième poulie 25b et de la tête 3 de l’articulation tout en autorisant la rotation de la surface active 3a connectée à la poulie 25a. Comme pour le mode de réalisation illustré par la figure , ce mode de réalisation présente l’avantage de déporter le centre de masse du système. Ceci est avantageux pour les articulations entre un membre antérieur et un membre postérieur telles que le genou ou le coude. En effet, le centre de masse de l’articulation est alors situé plus près de l’articulation entre le membre antérieur et le buste, réduisant les contraintes sur cette dernière. Les motorisations peuvent alors être utilisées de façon plus efficace pour la même force restituée ou redimensionnées à la baisse pour un gain de masse et de cout. Articulation parallèle (1) à deux degrés de liberté pour un robot comprenant une base (2) et une tête (3) fixée libre en rotation sur la base (2), la tête (3) comprend par ailleurs une surface active (3a) fixée libre en rotation dans la tête (3) de sorte que l’axe de rotation de la surface active (3a) soit compris dans un plan normal à l’axe de rotation de la tête (3) par rapport à la base (2), la tête (3) comprenant trois engrenages coniques (6a,6b,6c), un premier engrenage conique (6a) étant porté par un premier axe (7a), un deuxième engrenage conique (6b) étant porté par un deuxième axe (7b), un troisième engrenage conique (6c) étant solidaire de la surface active (3a) et étant disposé de sorte à s’engrener simultanément avec le premier engrenage conique (6a) et le deuxième engrenage (6b), le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b) étant coaxiaux entre eux et avec l’axe de rotation de la tête (3) par rapport à la base (2), le premier axe (7a) étant creux, le deuxième axe (7b) traversant le premier engrenage conique (6a) et le premier axe (7a), le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b) étant mécaniquement reliés à un premier moteur et à un deuxième moteur, respectivement. Articulation selon la revendication 1, comprenant un capteur de mesure de la rotation de la sphère (3) par rapport à la base (2) et un capteur de mesure de la rotation de la surface active (3a) par rapport à la sphère (3). Articulation selon la revendication 2, dans laquelle le deuxième axe (7b) est creux, le câble de communication du capteur de mesure de la rotation de la surface active par rapport à la sphère passant alors à travers le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b). Articulation selon la revendication 3, dans laquelle la tête (3) comprend une surface passive (3b) fixée libre en rotation par rapport à la tête (3), et comprenant une lumière en son centre de sorte qu’un câble puisse traverser la lumière, le premier axe creux (7a) et le deuxième axe creux (7b) pour ressortir dans la base (2). Articulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b) sont mécaniquement reliés à un premier moteur (5a) et un deuxième moteur (5b) respectivement, par l’intermédiaire d’une transmission par engrenages, un moteur étant connecté à un premier engrenage s’engrenant dans un deuxième engrenage connecté à l’axe correspondant. Articulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le premier axe (7a) et le deuxième axe (7b) sont mécaniquement reliés à un premier moteur (5a) et un deuxième moteur (5b) respectivement, par l’intermédiaire d’une transmission par poulies et courroie, une poulie étant connectée à un moteur, l’autre poulie étant connectée à l’axe correspondant, les deux poulies étant connectées par la courroie. Articulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle une transmission par courroie est connectée à la surface active (3a), une première poulie (25a) étant connectée à la surface active (3a) et à un élément de maintien (25d), une deuxième poulie (25b) étant fixée de manière solidaire à la surface active (3a) et étant fixée libre en rotation sur l’élément de maintien (25d), de sorte que sa position par rapport à la surface active (3a) soit maintenue, les deux poulies étant connectées par une courroie (25c). Procédé de commande d’une articulation (1) à deux degrés de liberté selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel on commande les deux moteurs de sorte qu’ils tournent dans des directions différentes et à la même vitesse pour faire tourner la sphère (3) par rapport à la base (2) et on commande les deux moteurs de sorte qu’ils tournent dans la même direction et à la même vitesse pour faire tourner la surface active (3a) par rapport à la sphère (3). Membre robotique comprenant au moins deux segments reliés ensemble par une articulation (1) à deux degrés de liberté selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.