WO1989009120A1 - Dispositif articule, notamment utilisable dans le domaine de la robotique - Google Patents
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Abstract
Le dispositif articulé comprend deux plateaux (PI, PS) reliés entre eux par six organes de liaison (OLij) conformés selon une structure en treillis fermée ainsi qu'un ensemble de commande de la position relative de ces deux plateaux. Chaque organe de liaison a une longueur sensiblement constante et l'ensemble de commande comprend, en outre, six organes de coulissement (OCij) respectivement liés aux six organes de liaison (OLij) et au plateau inférieur (PI), chaque organe de coulissement étant propre à coulisser relativement au plateau inférieur (PI) selon une direction de coulissement prédéterminée sous l'action des moyens moteurs (MOTij, TFij).
Description
Dispositif articulé, notamment utilisable dans le domaine de la robotique
L'invention concerne un dispositif articulé du type compre- nant deux plateaux reliés entre eux par des segments articulés conformés selon une structure en treillis fermé et un ensemble de commande de la position relative de ces deux plateaux.
Dans l'art antérieur, un tel dispositif, appelé manipulateur parallèle possède généralement six segments de longueur variable articulés sur les plateaux par des joints universels et un ensemble de commande qui permet d'obtenir jusqu'à six degrés de liberté d'un plateau par rapport à l'autre. Il est utilisable notamment dans le domaine de la robotique où il peut constituer par exemple l'extrémité d'un bras de robot d'insertion ou d'assemblage ou encore il peut cons¬ tituer une structure solidaire d'une plateforme fixe pour faire face au bras d'un robot. Dans cette application le dispositif constitue alors une "main gauche" pour le robot qui lui fait face.Dans tous les cas, le dispositif doit permettre la réalisation de tâches complexes d'assemblage fin, d'usinage de précision ou le contrôle de surfaces par contact.
Un dispositif de ce type peut trouver également une applica¬ tion dans le domaine des simulateurs dynamiques de mouvement, tels que les simulateurs de vol ou de conduite d'engins.
On connaît par la Demande de Brevet français n° 83 12263, un dispositif de ce type qui comporte deux plateaux reliés entre eux par six vérins pneumatiques constituant les vérins articulés à la fois sur le plateau supérieur et inférieur, et commandés par des électrovannes. Ce type de manipulateur, doué d'une élasticité naturelle donnée par les vérins pneuma- tiques, présente un grand intérêt pour la robotique en raison de sa grande précision de positionnement et de 1'intégration aisée des mesures de forces. Mais un tel dispositif présente un encombrement relativement important ainsi qu'une masse
et une inertie de l'équipage mobile ce qui limitent sa vitess de déplacement. Cet encombrement important est lié à la présence des vérins pour la motorisation des segments articu¬ lés et ceux-ci limitent en outre l'espace de travail du dispositif en raison de leur diamètre. Enfin, les vérins pneumatiques nécessitent une dépense d'énergie même sans mouvement du plateau supérieur.
On connaît également par le,document de Jean-Pierre MERLET "Parallel Manipulator, Part 1 : Theory, Design, Kinematics and Control", INRIA research Report, nβ 646, Mars 1987, ci-après dénommé document MERLET, un dispositif plus parti¬ culièrement destiné à assurer les fonctions de "main gauche" pour un robot. Ce dispositif est constitué également de deux plateaux reliés par des segments articulés à la fois sur le plateau supérieur et sur le plateau inférieur.Chaque segment de ce dispositif est muni d'un organe élastique qui permet une faible modification de longueur des segments sous l'influence des forces exercées sur le plateau supérieur La géométrie du dispositif peut ainsi être légèrement modifié sous l'influence des forces appliquées et le système est dit à "compliance passive". La mobilité du plateau supérieur est assurée par la possibilité de commander dans une certaine mesure la longueur de chacun des segments. Cette fonction est obtenue par la présence d'un vérin électrique dans chacun des segments. Cependant, ces vérins électriques ont l'inconvé nient de présenter une importante longueur pour de faibles variations possibles de celle-ci. Ainsi, typiquement, pour une variation de longueur des segments d'au plus 5 cm, la longueur des segments est de 50 cm ce qui conduit à une hauteur globale du système d'environ 50 cm. Cette caractéris¬ tique impose alors un encombrement assez important. De plus la masse des vérins électriques actuellement commercialisés conduit à une masse totale du dispositif assez élevée, de l'ordre de 11 kg. Ceci est incompatible avec les capacités de charge des robots les plus couramment répandus et on ne peut donc pas utiliser ce dispositif comme extrémité de bras d'un robot d'insertion ou d'assemblage par exemple.
La présente invention remédie à ces inconvénients en propo¬ sant un dispositif qui permet d'obtenir, outre une haute précision de positionnement et une forte charge nominale, un encombrement total réduit et une masse et une inertie réduites de l'équipage mobile.
Un autre but de l'invention est d'obtenir un encombrement minimal des segments ce qui permet d'obtenir un espace de travail accru pour les degrés de liberté en rotation.
L'invention a encore pour but de permettre un libre choix de la longueur des segments.
Un autre but de l'invention est d'obtenir une compliance passive du dispositif c'est-à-dire qui permette de calculer la position et l'orientation exactes du plateau mobile en dépit des déplacements dus à la compliance passive du disposi¬ tif.
L'invention a encore pour but d'effectuer une mesure perma¬ nente des forces exercées sur le plateau mobile.
La présente invention a donc pour objet un dispositif arti¬ culé comprenant un plateau inférieur, un plateau supérieur et un ensemble de commande de la position relative des deux plateaux ledit ensemble de commande comportant :
- trois paires d'emplacements d'articulation rapprochés situées sur le plateau supérieur,
- trois paires d'emplacements de liaison rapprochés situées sur le plateau inférieur,
- six organes de liaison possédant chacun une extrémité supérieure articulée sur l'un respectif des emplacements d'articulation, et une extrémité inférieure reliée par une articulation inférieure à l'un respectifs des emplacements de liaison, de telle sorte que deux emplacements d'articula-
tion d'une même paire sont reliés, par deux organes de liai¬ son, aux deux emplacements de liaison consécutifs, qui sont respectivement les plus proches desdits deux emplacements d'articulation, et qui appartiennent à deux paires d'emplace- ments de liaison différentes,
- des moyens moteurs pour faire varier indépendamment sur commande la position d'un emplacement d'articulation par rapport au plateau inférieur,
caractérisé en ce que chaque organe de liaison a une longueur sensiblement constante et en ce que l'ensemble de commande comprend en outre, six organes de coulissement respectivement reliés, d'une part, aux six emplacements de liaison et, d'autre part, par l'intermédiaire des six articulations inférieures aux extrémités inférieures des six organes de liaison, chaque organe de coulissement étant propre à coulis¬ ser relativement au plateau inférieur selon une direction de coulissement prédéterminée, sous l'action des moyens moteurs.
Dans un mode de réalisation, toutes les directions de coulis¬ sement sont sensiblement parallèles et sensiblement orthogo¬ nales au plan contenant les trois paires d'emplacements de liaison situées sur le plateau inférieur.
Avantageusement, chaque organe de liaison est susceptible, sous l'action des moyens moteurs, d'être positionné dans un cône de révolution ayant pour axe ladite direction de coulissement et pour sommet ladite articulation inférieure.
L'ensemble de commande peut comprendre également des moyens de. blocage pour bloquer chaque organe de coulissement en rotation autour de la direction de coulissement.
Ces moyens de blocage peuvent comprendre des moyens de blocag supérieurs pour bloquer au niveau de l'emplacement d'articula tion correspondant, chaque organe de liaison en rotation
autour d'un axe reliant ses extrémités inférieure et supé¬ rieure; dans ce cas, chaque articulation inférieure est de préférence un joint de cardan constituant des moyens de blocage inférieurs.
Dans un mode de réalisation, chaque organe de coulissement possède des moyens filetés et les moyens moteurs comprennent six vis sans fin associées respectivement aux six organes de coulissement et respectivement mues en rotation autour de leur axe longitudinal par six moteurs; dans ce cas, les moyens filetés d'un organe de coulissement et la vis sans fin associée coopèrent avantageusement pour permettre le coulissement de l'organe de coulissement selon ladite direc¬ tion de coulissement.
Chaque organe de coulissement comprend, de préférence, un tube cylindrique creux, possédant une première extrémité reliée à l'articulation inférieure correspondante, ouvert à son autre extrémité, et les moyens filetés comprennent avantageusement un écrou fileté, solidairement lié en trans¬ lation et en rotation à ladite autre extrémité et coopérant avec la vis sans fin.
Chaque tube cylindrique creux coulisse dans une douille à billes reliée au plateau inférieur.
Dans un mode de réalisation, chaque emplacement d'arti¬ culation est propre à définir une première articulation supérieure possédant un premier axe de rotation sensible- ment perpendiculaire au plan contenant les trois paires d'emplacements d'articulation, une deuxième articulation supérieure possédant un deuxième axe de rotation sensiblement orthogonal audit premier axe de rotation et concourant avec ledit premier axe de rotation et un troisième axe de rotation sensiblement orthogonal au deux premiers axes et concourant avec ceux-ci, ce qui permet d'obtenir trois degrés de liberté en rotation.
Les trois points milieu des trois paires d'emplacements d'articulation sont situés respectivement aux trois sommets d'un premier triangle equilateral et les six emplacements de liaison sont situés sur un cercle.
Dans la position de repos, les trois points situés respective¬ ment au milieu des trois arcs de cercle reliant les deux emplacements de liaison respectifs des trois paires, sont placés respectivement aux trois sommets d'un second triangle equilateral, décalé par rapport au premier triangle equila¬ teral d'un angle de 60° autour de l'axe reliant les isobary- centres respectifs des deux triangles équilatéraux.
Dans un mode de réalisation préféré les deux emplacements d'articulation de chaque paire du plateau supérieur sont confondus.
L'ensemble de commande peut comprendre également des moyens de détection d'au moins une grandeur mécanique représentative de l'état du dispositif.
Ces moyens de détection comprennent avantageusement six premiers capteurs, permettant de déterminer la variation de la position respective de chaque emplacement d'articula- tion par rapport au plateau inférieur.
Les moyens de détection peuvent comprendre également six capteurs d'effort permettant de déterminer l'effort respectif s'exerçant sur chaque organe de liaison.
Avantageusement l'ensemble de commande comprend des moyens de traitement recevant les informations des moyens de détec¬ tion et commandant les moyens moteurs. Afin d'assurer la compliance du dispositif, l'ensemble de commande peut compren- dre six organes élastiques amortisseurs reliés respectivement aux six organes de liaison.
Dans un mode de réalisation préféré, chaque premier capteur
est un capteur de déplacement, notamment un potentiomètre linéaire, relié d'une part à l'articulation inférieure et d'autre part au support inférieur, l'organe élastique corres¬ pondant étant situé sur l'organe de coulissement correspon- dant.
L'ensemble de commande comprend de préférence des moyens de sécurité limitant le déplacement de chaque articulation inférieure par rapport au plateau inférieur.
Avantageusement chaque moyen de sécurité comprend des or¬ ganes de coupure d'alimentation des moyens moteurs assurant également après coupure d'alimentation, le freinage de l'or¬ gane de coulissement correspondant.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa¬ raîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation très schématique d'un mode de réalisation général du dispositif selon l'invention,
- la figure 2 est une représentation schématique en pers¬ pective d'un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention,
- la figure 3 est une vue de dessus schématique des princi¬ paux constituants du dispositif de la figure 2
- la figure 4 est une vue en perspective partielle d'un emplacement de liaison du dispositif de la figure 2,
- la figure 5 est la coupe V-V de la figure 4,
- la figure 6 est une représentation schématique d'un moyen de sécurité du dispositif de la figure 2,
- la figure 7 est une vue en élévation avec parties arrachée^s
d'un emplacement d'articulation du dispositif de la figure 2, et,
- la figure 8 est un synoptique schématique des moyens de traitement du dispositif de la figure 2.
Les dessins comportant pour l'essentiel des éléments de caractère certain font partie intégrante de la description et pourront servir non seulement à mieux faire comprendre la des- cription détaillée ci-après mais aussi contribuer le cas éché¬ ant à la définition de l'invention.
On décrira ci-après un dispositif plus particulièrement destiné à constituer une extrémité de bras de robot, bien que l'invention ne soit pas limitée au domaine de la robo¬ tique, ainsi qu'il a été expliqué ci-avant.
La figure 1 montre de façon générale la structure d'un dis¬ positif selon l'invention. Ce dispositif comprend un plateau supérieur PS et un support inférieur PI reliés par six organes de liaison OL10, 0L11, OL20, 0L21, OL30, 0L31, articulés d'une part sur le plateau supérieur et d'autre part sur le plateau inférieur. Le plateau inférieur PI comprend trois paires d'emplacements de liaison rapprochées PLI, PL2, PL3, et le plateau supérieur PS comprend trois paires d'empla¬ cements d*articulation rapprochés EA1, EA2, EA3. Les six organes de liaison possèdent chacun une extrémité supérieure articulée sur un emplacement d'articulation et une extrémité inférieure reliée, par une articulation inférieure non repré- sentée sur cette figure, à un emplacement de liaison.
D'une façon générale, dans un but de faciliter la compréhen¬ sion des références, l'indice i se rapportera à une paire d'emplacements de liaison ou d'emplacements d'articulation et l'indice j se rapportera à l'un des éléments d'une paire i. Lorsqu'il sera nécessaire de différencier les deux éléments d'une même paire, ceux-ci seront affectés respectivement de l'indice j_ et ^e l'indice J2 et lorsqu'il sera nécessaire
de différencier deux paires, celles-ci seront affectées respectivement des indices i et i2«
La structure du dispositif selon l'invention est telle que deux emplacements d'articulation EAij^ et EAiJ2 appartenant à une paire EAi d'emplacements d'articulation rapprochés, sont reliés respectivement, par deux organes de liaison OLi J2 0Li2Jι, à deux emplacements de liaison consécutifs PLiιJ2 et PLi2J , 1^ sont respectivement les plus proches desdits deux emplacement d'articulation EAiJi et EAiJ2, ces deux emplacements de liaison appartenant respectivement à deux paires PLii et PLi2 d'emplacements de liaison différentes.
Chaque articulation inférieure correspondant à chaque organe de liaison peut coulisser par rapport au plateau inférieur selon une direction de coulissement DC passant par l'empla¬ cement de liaison correspondant. Dans un but de simplicité de réalisation, toutes les directions de coulissement DC sont sensiblement parallèles entre elles et sensiblement orthogonales au plan contenant les trois paires d'emplace¬ ments de liaison PLi. Ce coulissement des articulations inférieures est obtenu à l'aide de moyens moteurs non repré¬ sentés sur cette figure.
On définit maintenant une position de repos du dispositif qu'a celui-ci lorsque les deux plateaux PI et PS sont paral¬ lèles et qu'aucune action n'est ou n'a été effectuée sur les organes de liaison par l'intermédiaire des moyens moteurs. Ainsi dans cette position de repos la structure de liaison entre les deux plateaux est telle que deux organes de liaison issus de deux emplacements d'articulation différents d'une même paire, divergent vers deux emplacements de liaison appartenant à deux paires d'emplacements de liaison diffé¬ rentes PLii et PLi2- Ainsi, par exemple, la droite joignant les deux emplacements d'articulation EA10 et EAU, les deux organes de liaison OL11 et OL20 ainsi que la droite joignant les deux emplacements de liaison PLU et PL20 forment un trapèze dont la grande base se situe au niveau du plateau inférieur et dont la petite base, se situe au niveau du pla-
teau supérieur.
Il est maintenant fait référence plus particulièrement aux figures 2 à 9 sur lesquelles est représenté un mode de réali- sation préféré du dispositif de la figure 1.
Les plateaux inférieur et supérieur du dispositif 1 de la figure 2 sont circulaires, le plateau supérieur ayant un diamètre inférieur à celui du plateau inférieur. Le disposi- tif 1 comprend également un plateau de base SB d'un diamètre légèrement supérieur à celui du plateau inférieur PI. Le plateau PI est situé entre le plateau PS et le plateau PB et ce dernier est solidaire du plateau inférieur PI par l'intermédiaire d'un pied central PCB. Les centres respectifs des trois plateaux sont situés sur une même droite.
Si l'on se réfère à la figure 3, on voit que les six empla¬ cements de liaison PLij sont situés sur un cercle C ayant pour centre celui du plateau PI. Les deux emplacements d'ar- ticulation d'une même paire EAi sont en fait confondus. Cette disposition permet un gain de masse et simplifie les calculs pour le contrôle du dispositif qui sera détaillé ci-après. Ainsi, dans la suite du texte un emplacement d'articulation sera désigné par la référence EAi. Sur cette figure donc, les points milieu MIAi de deux emplacements d'articulation EAij d'une paire d'emplacements d'articulation EAi sont confondus et notés également EAi. Ces trois emplacements d'articulation EAi sont disposés respectivement sensiblement au sommet d'un triangle equilateral EQ1 dont l'isobarycentre est situé au centre du plateau supérieur. De même, les points milieu MILi des arcs de cercle reliant deux emplacements de liaison PLij sont situés sensiblement respectivement au sommet d'un second triangle equilateral EQ2 ayant pour isobarycentre le centre du plateau inférieur PI et décalé par rapport au premier triangle equilateral EQ1 d'un angle d'environ 60° autour de l'axe passant par les isobarycentres respectifs des deux triangles équilatéraux.
Bien entendu, le caractère equilateral des triangles EQ1 et EQ2 décrit dans cet exemple n'est pas limitatif.
Si l'on se réfère plus particulièrement à la figure 2 on voit qu'un emplacement de liaison PLij comprend un alésage dans lequel est susceptible de coulisser un organe de cou¬ lissement OCij dont une extrémité est reliée par l'intermé¬ diaire de l'articulation inférieure A ij à l'extrémité infé¬ rieure de l'organe de liaison OLij. Cette extrémité de l'orga- ne de coulissement est toujours située entre le plateau inférieur et le plateau supérieur. L'extrémité supérieure de l'organe de liaison OLij est articulée sur l'emplacement d'articulation EAi. Cet emplacement d'articulation EAi permet également l'articulation d'un organe de liaison reliant l'emplacement de liaison voisin de l'emplacement de liaison PLij et appartenant à une paire d'emplacements de liaison différente.
L'organe de coulissement OCij est également lié, par l'in- termediaire de son extrémité proche de l'articulation infé¬ rieure A ij à un premier capteur PCij dont la nature et la fonction seront explicitées ci-après. Ce capteur PCij est solidairement fixé sur le plateau inférieur dans une zone proche de l'emplacement de liaison PLij.
L'extrémité libre d'une vis sans fin TFij pénètre dans l'or¬ gane de coulissement OCij par son extrémité opposée à celle reliée à l'articulation inférieure Alij. Cette vis sans fin TFij est reliée à son autre extrémité à un moteur d'en- trainement MOTij comme par exemple un moteur couple fixé sur le plateau de base PB. Les fonctions de cette vis sans fin et de ce moteur seront explicitées ci-après. Tous les éléments constitutifs du dispositif 1, à l'exception des plateaux inférieur et supérieur, appartiennent à un ensemble de commande de la position relative des deux plateaux PI et PS, et ne sont pas tous représentés sur la figure 2 afin de ne pas 1'encombrer.
Bien entendu les six sous-ensembles comprenant respectivement un moteur, une vis sans fin, un organe de coulissement, un premier capteur, une articulation inférieure et un organe de liaison sont identiques.
Si l'on se réfère maintenant à la figure 4 on voit que l'or¬ gane de coulissement OCij comprend un tube cylindrique creux 24j surmonté à une de ses extrémités par un organe élastique amortisseur OEAij lui-même surmonté d'une extension cylindri- que 25j dont l'extrémité opposée à celle en contact avec l'organe OEAij supporte l'articulation inférieure Alij.
L'organe de liaison OLij comprend un capteur de force CEij destiné à mesurer la grandeur des forces mises en jeu par cet organe de liaison. Ce capteur de force peut être par exemple une jauge extensométrique.
L'extension cylindrique 25j comprend un bras 22j percé d'un trou cylindrique 26j d'axe parallèle à l'axe de l'organe cte coulissement OCij et donc parallèle à la direction de coulissement DC. Dans ce trou cylindrique 26j vient s'enfi¬ ler la tige 20j du premier capteur PCij qui est en fait un potentiomètre linéaire. Cette tige 20j est solidaire du bras 22j par l'intermédiaire d'un écrou 21j. Le capteur pcij est solidairement fixé dans un autre trou cylindrique 27j du plateau inférieur, proche de l'emplacement de liaison PLij.
L'articulation inférieure Alij est un joint de cardan dont un axe est constamment sensiblement parallèle au plateau inférieur PI, l'autre axe étant bien entendu concourant avec le premier en un point 0. Les axes longitudinaux respec¬ tifs des organes de coulissement OCij et de liaison OLij sont également concourants au point 0.
Afin de limiter le frottement de coulissement, le tube creux 24j coulisse à travers le plateau inférieur PI dans une douille à billes DBij.
La liaison entre la vis sans fin TFij et le tube creux 24j de l'organe de coulissement OCij est représentée de façon détaillée sur la figure 5. Sur cette figure, on voit que le tube creux 24j est ouvert à son extrémité opposée à celle qui est en contact avec l'organe élastique amortisseur OEAij et comporte au niveau de cette ouverture un écrou fileté ECij qui lui est solidairement lié en translation et en rotation. Le filetage de la vis sans fin TFij coopère avec celui de l'écrou ECij lequel est muni d'un organe de rattra- page de jeu non représenté. La longueur de la vis sans fin
TFij ainsi que la longueur du tube creux 24j ont été détermi¬ nées pour qu'en fonctionnement, la vis sans fin TFij ne vienne pas en butée contre l'extrémité du tube creux 24j qui est en contact avec l'organe élastique amortisseur OEAij.
La figure 6 montre de façon schématique un moyen de sécuri¬ té MSij associé à un organe de coulissement OCij. Ce moyen de sécurité MSij comprend un support auxiliaire SAij ayant une partie 50j sensiblement orthogonale au plateau infé- rieur PI et prolongée par une extension 51j repliée d'equerre vers l'organe de coulissement OCij de façon à être sensible¬ ment parallèle au plateau inférieur PI. Le support SAij comprend également une extension supplémentaire 52j située sur le plateau inférieur PI et repliée d'equerre par rapport à la partie 50j de façon à se situer en regard de l'exten¬ sion 51j. La face de l'extension 51j située en regard du plateau inférieur PI comprend un premier interrupteur magné¬ tique IMij tandis que la face de l'extension supplémentaire 52j située en regard du premier interrupteur IMij comprend un second interrupteur magnétique IM'ij. L'extrémité de l'organe de coulissement OCij située proche de l'articula¬ tion inférieure Alij, comporte un bras supplémentaire 22' j, opposée au bras 22j, muni de deux lames élastiques COij et CO'ij situées l'une au-dessus de l'autre et espacées l'une de l'autre. Ces deux lames COij et CO'ij sont agencées de façon à venir respectivement en contact avec les extensions 51j et 52j du support SAij. Le fonctionnement détaillé de ce mécanisme de sécurité sera décrit ci-après.
La figure 7 décrit de façon détaillée un emplacement d'arti¬ culation EAi situé sur le plateau supérieur PS . L'emplace¬ ment d'articulation EAi comprend un trou cylindrique 68i sensiblement perpendiculaire au plateau PS et débouchant sur la face supérieure de ce plateau PS définie comme étant celle opposée à celle située en regard du plateau inférieur PI. Ce trou cylindrique 68i a un axe longitudinal ARi, se prolonge par un épaulement annulaire 70i replié d'equerre en s'éloignant de 1'axe ARi et se termine par une jupe cy- lindrique 71i coaxiale avec le trou cylindrique 68i. Cette jupe cylindrique 71i débouche sur la face inférieure du plateau supérieur PS.
La face inférieure du plateau PS comporte une plaque annulai- re 72i percée en son centre d'un alésage 73i ayant également pour axe l'axe ARi, et un diamètre sensiblement égal au diamètre du trou cylindrique 68i. L'épaulement 70i, la jupe 71i ainsi que la plaque annulaire 72i servent de support pour les faces externes de deux roulements à billes 65i.
L'emplacement d'articulation EAi comprend également un corps 69i dont la partie supérieure vient s'appuyer sur les faces internes des deux roulements à billes 65i et dont la partie inférieure c'est-à-dire la partie la plus proche du plateau inférieur PI, comporte un U dont les deux branches sont parallèles à l'axe ARi. Ce-corps 69i possède en son centre, dans sa partie supérieure, un alésage fileté 74i coopérant avec un boulon 64i le rendant solidaire du plateau PS par l'intermédiaire des roulements à billes 65i. La plaque annu- laire 72i est rendue solidaire également du plateau PS par deux boulons 63i. Le corps 69i est ainsi bloqué en transla¬ tion selon l'axe ARi mais est libre en rotation autour de cet axe ARi.
Les deux extrémités libres des deux branches du U du corps 69i sont reliées par une chape 66i percée d'un trou dont l'axe AR'i est sensiblement orthogonal à l'axe ARi et concou¬ rant avec celui-ci. Ce trou reçoit un arbre 80i .sur lequel
viennent s'articuler deux douilles cylindriques 60j et 60J2 comportant respectivement en leur centre des alésages longitudinaux filetés 62jι et 62J2 destinés à recevoir res¬ pectivement les extrémités filetées 61j^ et 6IJ2 des organes de liaison OLi2Jι et OLi J2« La chape 66i est articulée sur les branches du corps 69i selon un axe AR"i: sensiblement orthogonal aux axes ARi et AR'i et concourant avec ceux-ci.
Le corps 69i est donc propre à définir une première arti- culation supérieure possédant un premier axe de rotation ARi, l'arbre 80i est propre à définir une deuxième articu¬ lation supérieure possédant un second axe de rotation AR'i et l'arbre 81i est propre à définir une troisième articulation supérieure possédant un troisième axe de rotation ce qui permet d'obtenir trois degrés de liberté en rotation. On obtient alors une articulation globale de type rotule. La fixation des deux douilles cylindriques 60j et 6OJ2 sur l'emplacement d'articulation EAi ainsi que l'agencement des trois axes de rotation ARi, AR'i, AR"i interdisent toute possibilité de rotation propre des douilles cylindriques 60jι et 6OJ2 autour de leur axe longitudinal, et la coo¬ pération des filetages 61j et 6IJ2 avec respectivement les alésages filetés 62jχ et 62J2 contribue à bloquer les organes de liaison OLi2Jι et OLi]_J2 en otation autour d'un axe liant leurs extrémités inférieure et supérieure. Cet agencement particulier de 1'emplacement d'articulation ainsi que des différents filetages constituent des moyens de blocage supérieurs.
Puisque l'extrémité inférieure de chaque organe de liaison OLij est reliée à l'organe de coulissement OCij correspon¬ dant par un joint de cardan, et que chaque organe de liai¬ son OLij est bloqué en rotation autour d'un axe reliant ses deux extrémités, le joint de cardan Alij interdit la rotation propre de l'organe de coulissement OCij autour de la direction de coulissement et donc constitue des moyens de blocage inférieurs.
Ainsi, la combinaison des moyens de blocage inférieurs et
supérieurs constitue-t-elle des moyens de blocage de la rotation de l'organe de coulissement autour de la direction de coulissement. Bien entendu, on pourrait envisager d'autres types de moyens de blocage.
L'homme de l'art comprendra que l'agencement du joint de cardan Alij, de l'organe de coulissement correspondant OCij et de l'emplacement d'articulation correspondant EAi permet à l'organe de liaison OLij d'être positionné dans un cône de révolution ayant pour axe ladite direction de coulisse¬ ment DC et pour sommet le joint de cardan Alij.
La figure 8 représente un synoptique schématique des moyens de traitement du dispositif décrit ci-dessus. Ces moyens de traitement comprennent un contrôleur 31 qui reçoit d'une part des informations issues des premiers capteurs PCij et des capteurs de force CEij, et qui dialogue avec un ordi¬ nateur central 30 pour commander les moteurs MOTij.
Le dispositif ainsi décrit a une masse d'environ 2 kg, cha¬ cun des organes de liaison pesant environ 100 g. Leur lon¬ gueur constante est environ de 10 cm et les dimensions du dispositif sont telles que celui-ci est inclus dans un cy¬ lindre de révolution de rayon sensiblement égal à 8 cm et de hauteur sensiblement égale à 20 cm. L'homme de l'art compren¬ dra donc que l'on a réalisé ainsi un dispositif d'un encombre¬ ment réduit et d'une masse faible parfaitement adapté à la micro-mécanique. La précision de positionnement absolue du dispositif est de l'ordre de 10 microns et sa charge nominale est d'environ 25 kg. Le fait d'avoir utilisé des organes de liaison dépourvus de motorisation lui confère un espace de travail délimité, par un déplacement de 4 cm en vertical et de plus ou moins 4 cm en latéral,"par une possibilité de rotation de plus ou moins 61° autour de l'axe joignant les centres respectifs des deux plateaux PI et PS et de plus ou moins 33° autour des axes orthogonaux à ce dernier. Cet espace de travail est nettement plus impor¬ tant que celui notamment décrit dans le document MERLET.
De plus la masse principale du dispositif est constituée par les moteurs MOTij. Cette conception est telle que cette masse se trouve en dessous du plateau inférieur. Le centre de gravité du dispositif est donc placé en dessous du plateau inférieur et non plus comme dans les dispositifs antérieurs, au milieu des segments articulés. Ceci est très favorable pour l'emploi de ce dispositif comme extrémité de bras de robot, car la charge utile du robot porteur n'est pas pénali¬ sée. Enfin, l'absence de moyens moteurs au niveau des organes de liaison, permet de les changer sans difficultés, pour les adapter à tous types d'applications.
Le fonctionnement de ce dispositif va maintenant être expli¬ qué en détail. Comme il a été expliqué ci-avant le but de ce dispositif est d'aider à la réalisation d'assemblages et notamment lorsque les jeux sont incompatibles avec la précision des manipulateurs classiques. Le robot porteur amène le dispositif dans la zone où se situent l'assemblage et le dispositif, qui tient une des pièces à assembler, corrige les erreurs de position en utilisant l'information fournie par les capteurs de force CEij. Le dispositif, ayant 6 degrés de liberté, permet la correction de tous les types d'erreurs de positionnement.
Pour effectuer ces déplacements, les organes de coulisse¬ ment déplacent selon la direction de coulissement verticale DC les articulations inférieures Alij des organes de liai¬ son selon les indications fournies par le contrôleur 31. Pour ce faire, chaque moteur MOTij entraîne en rotation la vis sans fin correspondante TFij. L'écrou ECij monté sur cette vis sans fin, solidaire de l'organe de coulis¬ sement OCij, entraine celui-ci en translation. Ceci est possible car l'organe de coulissement OCij est bloqué en rotation autour de la direction de coulissement DC par les moyens de blocage. Bien entendu les moteurs MOTij sont comman¬ dés indépendamment.
Le déplacement linéaire de l'articulation inférieure Alij
est mesuré par le potentiomètre linéaire PCij grâce à sa liaison par l'intermédiaire de sa tige 20j avec le bras 22j.
Cet entraînement direct de l'organe de coulissement OCij permet de réduire au minimum les jeux de transmission. La commande du moteur MOTij est effectuée à partir des indica¬ tions du potentiomètre PCij et le contrôle en couple du moteur permet d'appliquer une force de consigne sur chaque organe de liaison OLij.
Réciproquement, si le plateau supérieur est soumis à une force, celle-ci se distribue sur chaque organe de liaison OLij selon la direction de cet organe. Chaque organe de coulissement OCij est alors soumis à une force radiale,- qui est annulée par la douille à billes DBij, et à une force axiale. Cette force axiale est transmise à l'organe élas¬ tique amortisseur OEAij qui se comprime ou se dilate d'une quantité proportionnelle à cette force. Le plateau supérieur PS se déplace alors légèrement ce qui assure la compliance passive du dispositif. Le déplacement du plateau supérieur est mesuré par les potentiomètres PCij ce qui permet à l'ordi nateur 30 de calculer la position exacte du mobile. L'homme de l'art comprendra alors que la position de l'organe élasti- que amortisseur OEAij sur l'organe de coulissement est parti¬ culièrement avantageuse, comparée à un élément élastique qui serait inséré dans chaque organe de liaison car les déplacements dus à la compliance passive peuvent être mesurés de façon précise par les capteurs de déplacement. D'autre part ces organes élastiques amortisseurs peuvent être rapide¬ ment changés pour modifier la raideur, du dispositif.
Le capteur de force CEij placé sur chaque organe de liaison OLij permet de calculer la force axiale dans chaque organe de liaison et par conséquent de mesurer les forces exercées sur le plateau supérieur lors de l'assemblage effectué par le robot porteur. L'ordinateur 30 dispose alors d'algorithmes qui permettent de calculer les déplacements du support supé-
rieur qui vont permettre la réalisation de l'assemblage. On effectue donc une commande des moteurs MOTij qui sont, dans cet exemple, des moteurs-couples par retour d'effort. Dans cette commande, le vecteur des forces s'exerçant au niveau de chaque emplacement d'articulation est converti dans un trièdre orthonormé en une force cartésienne qui est transmis à l'ordinateur 30 qui calcule à l'aide de l'algo¬ rithme de retour d'effort les corrections cartésiennes X à apporter à la position du plateau supérieur. Un transforma- teur de coordonnées, présent dans l'ordinateur 30, calcule alors les longueurs correspondantes des organes de liaison et transmet cette consigne au contrôleur 31 qui commande les moteurs MOTij.
Chaque moyen de sécurité MSij permet l'arrêt des moteurs lorsque la vis sans fin correspondante TFij atteint sa cour¬ se minimum ou maximum. Ce moyen de sécurité coupe l'alimen¬ tation du moteur correspondant et assure un freinage en douceur de la vis sans fin TFij. Pour ce faire, lorsque l'organe de coulissement OCij s'approche de sa fin de course maximum la présence de la lame OCij est détectée par l'in¬ terrupteur magnétique IMij fixé sur le support auxiliaire qui coupe le courant moteur. De même, lorsque l'organe de coulissement avance vers le plateau de base PB de façon à ramener l'articulation inférieure Alij vers le plateau inférieur PI, la présence de la lame CO'ij est détectée par le second interrupteur magnétique IM'ij qui coupe égale¬ ment le courant moteur. La déformation de ces lames élastiques sur le support auxiliaire SAij assure alors le freinage de l'organe de coulissement OCij et de la vis sans fin TFij. De plus, un interrupteur supplémentaire, au niveau du contrô¬ leur 31, permet de court-circuiter les sécurités pour ramener manuellement le plateau supérieur dans la zone permise.
L'invention peut comporter des variantes, notamment les suivantes :
- les directions de coulissement peuvent être quelconques.
comme par exemple parallèles au plateau inférieur et concou¬ rantes en son centre, et notamment elles peuvent être diffé¬ rentes d'un emplacement de liaison à un autre;
- suivant la direction de coulissement utilisée et/ou les types de moyens moteurs utilisés, l'homme de l'art pourra utiliser différents types d'articulations inférieures et différents types d'agencements pour les emplacements d'arti¬ culation en accord avec.la cinématique du dispositif.
Bien entendu, certains des moyens décrits ci-dessus peuvent être omis dans les variantes où ils ne servent pas.
Claims
1. Dispositif articulé comprenant un plateau inférieur (PI), un plateau supérieur (PS) et un ensemble de commande de la position relative des deux plateaux (PI, PS), ledit ensem¬ ble de commande comportant :
- trois paires (EAi) d'emplacements d'articulation, rappro¬ chés (EAij) situées sur le plateau supérieur (PS),
- trois paires (PLi) d'emplacements de liaison rapprochés (PLij) situées sur le plateau inférieur (PI),
- six organes de liaison (OLij) possédant chacun une extré- mité supérieure articulée sur l'un respectif des emplacements d'articulation (EAij), et une extrémité inférieure reliée par une articulation inférieure (Alij) à l'un respectif des emplacements de liaison (PLij), de telle sorte que deux emplacements d'articulation (EAiJ , EAiJ2) d'une même paire (EAi) sont reliés par deux organes de liaison (OLiιJ2, 0Li2Ji), aux deux emplacements de liaison consécutifs (PLiιJ2» PLi2Jι), qui sont respectivement les plus proches desdits deux empla¬ cements d'articulation (EAiJi, EAiJ2), et qui appartiennent à deux paires d'•emplacements de liaison différentes (PLi , PLi2 ),
- des moyens moteurs (MOTij, TFij) pour faire varier indé¬ pendamment sur commande la position d'un emplacement d'arti¬ culation (EAij) par rapport au plateau inférieur (PI),
caractérisé en ce que chaque organe de liaison (OLij) a une longueur sensiblement constante et en ce que l'ensemble de commande comprend, en outre, six organes de coulissement (OCij) respectivement reliés, d'une part, aux six emplacements de liaison (PLij) et, d'autre part, par l'intermédiaire des six articulations inférieures (Alij), aux extrémités inférieures des six organes de liaison (OLij), chaque organe de coulissement (OCij) étant propre à coulisser relativement au plateau inférieur (PI) selon une direction de coulissement prédéterminée (DC) sous l'action des moyens moteurs (MOTij, TFij).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les directions de coulissement (DC) sont sensi¬ blement parallèles.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que toutes les directions de coulissement (DC) sont, en outre, sensiblement orthogonales au plan contenant les trois paires d'emplacements de liaison (PLi) situées sur le plateau inférieur (PI).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque organe de liaison (OLij) est susceptible, sous l'action des moyens moteurs (MOTij, TFij), d'être position¬ né dans un cône de révolution ayant pour axe ladite direc¬ tion de coulissement (DC) et pour .sommet ladite articula- tion inférieure (A ij).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ensemble de commande comprend des moyens de blocage (EAi, Alij) pour bloquer chaque organe de coulissement (OCij) en rotation autour de la direction de coulissement (DC) .
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de blocage comprennent des moyens de blocage supérieurs (ARi, AR'i, AR"i, 62j, 61j) pour bloquer, au niveau de l'emplacement d'articulation correspondant (EAi), chaque organe de liaison (0Li J2, OLi2Jι) en rotation autour d'un axe reliant ses extrémités inférieure et supérieure et en ce que chaque articulation inférieure (Alij) est un joint de cardan constituant des moyens de blocage inférieurs.
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caracté¬ risé en ce que chaque organe de coulissement (OCij) possède des moyens filetés (ECij), en. ce que les moyens moteurs comprennent six vis sans fin (TFij) associées respective¬ ment aux six organes de coulissement (OCij) et respective¬ ment mues en rotation autour de leur axe longitudinal par six moteurs (MOTij), et en ce que les moyens filetés (ECij) d'un organe de coulissement et la vis sans fin associée
(TFij) coopèrent pour permettre le coulissement de l'organe de coulissement.
8.Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque organe de coulissement (OCij) comprend un tube cylindrique creux (24j), possédant une première extrémité - reliée à l'articulation inférieure (Alij) correspondante, ouvert à son autre extrémité, et en ce que les moyens filetés comprennent un écrou (ECij) fileté, solidairement lié en translation et en rotation à ladite autre extrémité et coopé¬ rant avec la vis sans fin (TFij).
9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, carac¬ térisé en ce que chaque emplacement d'articulation (EAi) est propre à définir une première articulation supérieure
(69i)possédant un premier axe de rotation (ARi) sensiblement perpendiculaire au plaη contenant les trois paires d'emplace¬ ments d'articulation (EAi), et une deuxième articulation supérieure (8Oi)possédant un deuxième axe de rotation (AR'i) sensiblement orthogonal audit premier axe de rotation (ARi) et concourant avec ledit premier axe de rotation (ARi) et un troisième axe de rotation (AR"i) sensiblement orthogonal aux deux premiers axes et concourant avec ceux-ci ce qui permet d'obtenir trois degrés de liberté en rotation.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trois points milieu (MIAi) des trois paires d'emplacements d'articulation (EAi): sont situés respectivement sensiblement aux trois sommets d'un premier triangle (EQl).
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les six emplacements de liaison (PLi)
* sont situés sur un cercle (C) .
12. Dispositif selon les revendications 10 et 11, caracté¬ risé en ce que le premier triangle (EQl) est equilateral, et en ce que dans une position de repos, les trois points (MILi) situés respectivement au milieu des trois arcs de cercle reliant les deux emplacements de liaison respectifs des trois paires (PLi), sont placés respectivement sensible¬ ment aux trois sommets d'un second triangle equilateral (EQ2), décalé par rapport au premier triangle equilateral (EQl) d'un angle d'environ 60° autour de l'axe reliant les isobarycentres respectifs des deux triangles équilatéraux (EQl, EQ2).
13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux emplacements d'articulation (EAij) de chaque paire (EAi) sont confondus.
14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de commande comprend des moyens de détection (PCij, CEij) d'au moins une grandeur mécanique représentative de l'état du dispositif.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'ensemble de commande comprend des moyens de traite¬ ment (MT) recevant les informations des moyens de détection (PCij, CEij) et commandant les moyens moteurs (MOTij, TFij).
16. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de commande comprend six organes élastiques amortisseurs (OEAij) reliés respective¬ ment aux six organes de liaison (OLij).
17. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie des moyens moteurs (MOTij) est fixée sur un plateau de base (PB) solidaire du plateau inférieur (PI) le plateau inférieur (PI) étant situé entre le plateau de base (PB) et le plateau supérieur (PS).
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