FR2688437A1 - Manipulateur spatial parallele a six degres de liberte. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté comprenant une plate-forme (1) liée à une base (2) par six membres poly-articulés (11-16), lesquels membres étant liés d'une part à la base (2), d'autre part à la plate-forme (1), par des liaisons passives de type rotule ou cardan et par une liaison active (l'actionneur) à un degré de liberté de type moteur électrique ou vérin. Le manipulateur possède un poignet et une position de référence pour laquelle tous les segments, constituant le manipulateur, sont parallèles aux axes d'un trièdre rectangle (7). Ce manipulateur, isocinématique et à structure homogène, présente une grande rigidité et une capacité de charge importante pour des masses ou des inerties en ment relativement faibles.

Description

invention concerne un robot ou manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté.

L'évolution de la technologie et les besoins du système productique ont conduit à la création de nombreuses machines.

En ce qui concerne les unités de manipulation, on a tout d'abord conçu des mécanismes directement liés aux systèmes de référence cartésiens. Ces mécanismes doivent envelopper le volume de travail de l'organe terminal, ce qui engendre de nombreuses contraintes et les rend peu flexibles.

Une partie de ces limitations ont été dépassées grâce à la mise au point des robots à structure sérielle. Dans ces robots, des liaisons prismatiques ou rotoïdes en série sont reliées par des segments. Chaque liaison possède sa propre motorisation.

Toutefois, ces structures, apparemment assez simples, présentent des difficultés, à la fois dans leur contrôle et dans leur architecture.

En ce qui concerne le contrôle, la relation entre un but exprimé et les moyens devant être mis en oeuvre pour l'atteindre est souvent compliquée ; en ce qui concerne l'architecture, il est souvent difficile de trouver un compromis entre la rigidité, donc la masse des bras, et la complexité de l'informatique.

Le robot à structure parallèle ne présente pas ces inconvénients.

Dans les manipulateurs parallèles, les corps et les liaisons forment deux ou plusieurs chaînes fermées qui lient la base du manipulateur à son organe terminal ou à sa plateforme.

Les manipulateurs pleinement parallèles sont ceux dans lesquels la base et l'organe terminal ou plate-forme sont reliés par six membres poly-articulés ou plus, contrôlés par un actionneur par membre.

Ainsi, de nombreux manipulateurs spatiaux parallèles à six degrés de liberté, proposant des solutions dérivées de la plate-forme de Stewart, ont été proposés.

Dans ces dispositifs, la plate-forme est reliée à la base par trois membres contrôlés par six actionneurs, par exemple trois actionneurs linéaires et trois actionneurs rotatifs, ou encore six actionneurs linéaires.

On connaît également le manipulateur dit "manipulateur
DELTA" dans lequel la plate-forme est reliée à la base par trois membres, chacun formé d'un bras et d'un avant-bras, dont les mouvements sont contrôlés par un actionneur rotatif agissant sur l'orientation du bras par rapport à la base.

Le but de l'invention est une structure parallèle à six degrés de liberté homogène et isocinématique.

Un autre but de l'invention est de proposer un manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté, dont le contrôle soit relativement simple.

C'est encore un but de la présente invention de proposer un manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté, dont l'architecture permet d'obtenir une grande rigidité avec des éléments ou segments relativement légers.

A cet effet, il est proposé un manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté comportant une base et une plate-forme ayant une position de référence, ladite plateforme étant mobile par rapport à la base et reliée à celleci par six membres ayant chacun une liaison avec la base et une liaison avec la plate-forme. La position de la plateforme par rapport à la base est contrôlée par des actionneurs agissant sur les liaisons dites "actives". Les autres liaisons sont passives.

Selon l'invention, chaque membre réalise, entre le bâti et la plate-forme, une liaison contact ponctuel. Les six liaisons des membres avec la plate-forme sont des liaisons de rotation d'axes concourants en un centre à au moins deux degrés de liberté, et lesdits centres sont reliés deux à deux par trois segments perpendiculaires et concourants en leurs milieux. Dans la position de référence, tout segment coïncide avec l'un des axes d'un même trièdre rectangle.

Toutes les liaisons passives sont des liaisons de rotation d'axes concourants à au moins deux degrés de liberté.

Dans un premier mode de réalisation préféré, chaque membre comporte un bras et un avant-bras. Chaque segment est, dans la position de référence, parallèle à l'un des axes d'un trièdre trirectangle. Les avant-bras des membres associés sont parallèles à un deuxième axe du même trièdre, et les bras des membres associés sont parallèles au troisième axe de ce même trièdre. L'actionneur de chaque membre est porté par la base, agit sur le bras et est rotatif. La rotation de chaque avant-bras sur lui-même est au moins partiellement libre.

Dans un deuxième mode de réalisation, chaque membre est formé d'un bras lié à la base par une liaison à glissière active, et d'un avant-bras lié par une liaison-rotule, respectivement au bras du même segment et à la plate-forme.

Dans la position de référence, le bras et l'avant-bras de chaque membre sont parallèles entre eux, et les trois ensembles bras-avant-bras sont chacun parallèles à l'un des axes d'un trièdre rectangle.

Dans un troisième mode de réalisation, les liaisons de chaque membre, respectivement avec la base et avec la plateforme, sont des rotules, et les liaisons actives (actionneurs) sont des liaisons à glissières internes aux membres.

Dans ces trois modes de réalisation, les liaisonsrotules peuvent être remplacées avantageusement par des cardans pour, d'une part diminuer le frottement, et d'autre part augmenter les débattements angulaires, à condition que la liaison équivalente, formée par chacun des membres entre la plate-forme et la base, soit une liaison libre lorsque l'actionneur est mobile, et une liaison ponctuelle lorsque l'actionneur est arrêté.

Dans un quatrième mode de réalisation, chaque membre est lié à la plate-forme par un cardan. Chaque liaison active est une vis à bille. Chaque écrou est inséré en liaison complète dans le rotor d'un moteur électrique à arbre creux, et chaque stator de moteur est lié à la base par un cardan.

Ces différents modes de réalisation de l'invention seront décrits plus en détail, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels
- les Figures 1 et 2 sont deux représentations schématiques d'un premier mode de réalisation de l'invention
- les Figures 3 et 4 sont des représentations schématiques d'un deuxième mode de réalisation de l'invention
- les Figures 5 et 6 sont des représentations schématiques d'un troisième mode de réalisation de l'invention.

- les Figures 7 et 8 sont des représentations schématiques d'un quatrième mode de réalisation de l'invention.

Les Figures impaires sont chacune une représentation partielle, en perspective, de la base et de ses liaisons avec les bras. Les Figures paires sont des représentations schématiques d'ensemble.

Le manipulateur spatial à six degrés de liberté permet d'assurer et de contrôler la position et l'orientation d'une plate-forme 1 par rapport à une base 2.

Le manipulateur spatial à six degrés de liberté permet de positionner la plate-forme 1 en n'importe quel point, et dans n'importe quelle orientation, dans un domaine déterminé limité autour d'une position appelée "position de référence".

Le manipulateur spatial parallèle comporte six membres 11 à 16 reliant la base 2 à la plate-forme 1. Chacun de ces membres comporte une liaison avec la base, respectivement 111, 121, 131, 141, 151 et 161, et une liaison avec la plate-forme, respectivement 112, 122, 132, 142, 152 et 162.

Chaque membre comporte deux segments reliés par une liaison dite "liaison interne". Parmi toutes les liaisons propres à chaque membre (avec la plate-forme, avec la base ou interne), l'une est active, les autres sont passives.

Chaque membre 11 à 16 est commandé par un actionneur, respectivement 113, 123, 133, 143, 153 et 163, cet actionneur agissant et contrôlant la liaison associée.

Les six liaisons des membres avec la plate-forme sont des liaisons de rotation d'axes concourants en un centre, à au moins deux degrés de liberté. Ces six centres sont reliés deux à deux par trois segments (3, 4, 5), qui sont deux à deux perpendiculaires et concourants en leurs milieux au point 6.

Ainsi, quelle que soit la position de la plate-forme, le point d'intersection 6 des trois segments 3, 4 et 5 est le centre de rotation de la plate-forme.

Dans chacun des quatre modes de réalisation qui sont décrits ci-après, les six membres et les six actionneurs sont de même type.

Les liaisons de rotation d'axes concourants, à au moins deux degrés de liberté, les plus courantes sont les cardans ou rotules, auxquels il sera fait référence ci-après.

Les glissières peuvent être des liaisons prismatiques ou des verrous (pivot-glissant).

Dans un premier mode de réalisation, représenté sur les
Figures 1 et 2, chaque membre 11, 12 comporte un bras 114, 124 et un avant-bras 115, 125.

Le segment 3 est, dans la position de référence, parallèle à l'un des axes d'un trièdre rectangle 7. Les avant-bras, respectivement 115 et 125 sont parallèles entre eux, et parallèles à un deuxième axe du trièdre rectangle 7, et les bras, respectivement 114 et 124 sont parallèles au troisième axe de ce même trièdre 7.

Les avant-bras 115, 125 sont liés aux bras 114, 124 par des rotules ou des cardans 116, 126. Ces mêmes avant-bras 115, 125 sont liés à la plate-forme par des rotules ou des cardans 112, 122.

Les actionneurs 113 et 123, non représentés sur la
Figure 1, sont rotatifs et agissent respectivement sur l'un des bras 114 et 124.

Dans le deuxième mode de réalisation, représenté sur les Figures 3 et 4, chaque membre 11, 12 comporte un bras 114, 124 et un avant-bras 115, 125.

Le segment 3 est, dans la position de référence, parallèle à l'un des axes du trièdre rectangle 7. Les avantbras 115, 125 et les bras 114, 124 d'un même membre 11, 12 sont parallèles entre eux, et parallèles à un deuxième axe du trièdre rectangle 7.

Les avant-bras 115, 125 sont liés aux bras 114, 124 par des rotules ou des cardans 116, 126. Ces mêmes avant-bras 115, 125 sont liés à la plate-forme par des rotules ou des cardans 112, 122.

Le bras 114, 124 comporte un actionneur linéaire 113, 123, non représenté sur la Figure 4, commandant la liaison, soit prismatique (glissière), soit verrou (pivot-glissant).

L'ensemble prismatique-actionneur peut être un vérin à vis de type LMS (Système de Mouvement Linéaire). L'ensemble verrou-actionneur peut être un vérin hydraulique.

Dans un troisième mode de réalisation, représenté sur les Figures 5 et 6, les membres 11, 12 sont des bras télescopiques. Les liaisons actives entre les bras 114, 124 et les avant-bras 115, 125 sont des verrous actionneurs (vérins hydrauliques).

Les avant-bras 115, 125 sont liés à la plate-forme par des rotules ou des cardans 112, 122. Les bras 114, 124 sont liés à la base par des rotules ou des cardans 111, 121.

Dans la position de référence, les segments 3, 4 et 5 sont chacun parallèles à l'une des directions du trièdre rectangle 7.

Dans un quatrième mode de réalisation, représenté sur les Figures 7 et 8, les membres 11, 12 sont réalisés par des vis à billes. Les avant-bras 115, 125 sont des vis liées à la plate-forme par des cardans 112, 122. Les bras 114, 124 se réduisent aux écrous liés totalement aux rotors creux des moteurs électriques (actionneurs) 113, 123. Les vis traversent leur moteur de part en part et suivant son axe.

Les stators des moteurs 113, 123 sont liés à la base par des cardans 111, 121, dont les centres de rotation coïncident avec les centres d'inertie minimale de l'ensemble moteur plus écrou.

Dans les différents modes de réalisation, et pour la position de référence, les membres 11, 12 sont parallèles entre eux.

Dans les différents modes de réalisation, les actionneurs 113, 123, 133, 143, 153 et 163 permettent de figer les liaisons actives, immobilisant la plate-forme 1 par rapport à la base 2, en instaurant entre elles six liaisons ponctuelles équivalentes associées en parallèle.

L'orthogonalité du système d'axes, définissant la position de référence, procure à ce manipulateur, un éloignement maximal de toute position singulière, lui assurant ainsi une efficacité maximale.

Les actionneurs, aussi bien rotatifs que linéaires, peuvent également être réalisés avec un moteur pas à pas.

Quel que soit le mode de réalisation, les liaisons passives sont de préférence des liaisons pivots (articulations) associées en série pour générer des cardans ou des rotules.

Ce manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté permet le déplacement de la plate-forme par rapport à la base. La rotation de cette plate-forme se fait comme dans une articulation poignet autour d'un point. I1 est isocinématique et à structure homogène.

Une grande rigidité et une capacité de charge importante peuvent être obtenues avec des masses ou des inerties en mouvement relativement faibles.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté comprenant une base (2) et une plate-forme (1) ayant une position de référence, ladite plate-forme (1) étant mobile par rapport à la base (2) et reliée à celle-ci par six membres (11-16) ayant chacun une liaison (111) avec la base (2) et une liaison (112) avec la plate-forme (1), la position de la plate-forme (1) par rapport à la base (2) étant contrôlée par des actionneurs (113) agissant sur les membres (11), chaque membre comportant deux segments reliés par une liaison, des liaisons passives et une liaison active par membre,

caractérisé en ce que chaque membre réalise, entre le bâti et la plate-forme (1), une liaison contact ponctuel en ce que les six liaisons des membres avec la plate-forme (1) sont des liaisons de rotation d'axes concourants en un centre à au moins deux degrés de liberté ; en ce que lesdits centres sont reliés deux à deux par trois segments (3, 4, 5) perpendiculaires et concourants en leurs milieux ; en ce que, dans la position de référence, tout segment coïncide avec l'un des axes d'un même trièdre rectangle (7) ; et en ce que toutes les liaisons passives sont des liaisons de rotation d'axes concourants à au moins deux degrés de liberté.

2. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque membre (11) comporte un bras (114) et un avant-bras (115) ; en ce que , dans la position de référence, le segment (3) de la plate-forme (1) est parallèle à l'un des axes d'un trièdre rectangle (7), les avant-bras (115) des membres associés étant parallèles à un deuxième axe du même trièdre (7) et les bras (114) des membres associés étant parallèles au troisième axe du même trièdre (7) ; en ce que l'actionneur (113) de chaque membre est porté par la base (2), agit sur le bras et est rotatif ; et en ce que la rotation de chaque avant-bras sur lui-même est au moins partiellement libre.

3. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque membre (11) est formé d'un bras (114) lié à la base (2) par une liaison à glissière (111), liaison active commandée par un actionneur, et d'un avant-bras (115) lié à chacune de ses extrémités d'une part au bras (114), et d'autre part à la plate-forme (1), par des rotules ou des cardans ; en ce que, dans la position de référence, le bras (114) et l'avant-bras (115) de chaque liaison sont parallèles entre eux ; et en ce que les avant-bras sont deux à deux parallèles à l'un des axes d'un trièdre rectangle (7).

4. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 1, caractérisé en ce que les liaisons de chaque membre (11), respectivement (111) avec la base (2) et (112) avec la plate-forme (1), sont des liaisons de rotation d'axes concourants à au moins deux degrés de liberté ; et en ce que chaque liaison active (113) est une liaison à glissière placée entre les deux segments (114, 115) (bras télescopique).

5. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque membre (11) comporte un système vis-écrou à billes, la vis formant l'avant-bras (115) lié à la plate-forme (1) par un cardan (112), l'écrou formant le bras (114) lié totalement au rotor creux d'un moteur électrique (113), dont le stator est lié à la base (2) par un cardan (111) placé au centre d'inertie minimale de l'ensemble moteur plus écrou.

6. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les actionneurs comportent des vérins.

7. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 6, caractérisé en ce que les actionneurs comportent des vérins hydrauliques.

8. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon la revendication 6, caractérisé en ce que les actionneurs comportent des vérins à vis.

9. Manipulateur spatial parallèle à six degrés de liberté selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les actionneurs comportent chacun un moteur pas à pas.