CA2736660A1 - Manipulateur parallele a 3 pattes et 6 degres de liberte - Google Patents

Abstract

L'invention proposée ici consiste en un manipulateur parallèle à 3 pattes comportant 6 degrés de liberté, soit 3 translations et 3 rotations. L'invention peut être réalisée en utilisant différentes configurations de chaînes cinématiques pour réaliser les 3 pattes, comme par exemple et sans se limiter à: P-U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne cinématique comporte 6 DDL, dont un joint de Cardan passif et deux articulations rotoïde passives situées à la fin de la chaîne. Les axes de rotations des deux dernières articulations doivent tous se rencontrer en un point commun, et ce pour les 3 pattes. Le mécanisme comporte 2 articulations actives par pattes pour un total de 6 articulations actives et donc, 6 moteurs. Ces moteurs permettent de contrôler la position et l'orientation de l'organe terminal grâce à la configuration particulière des articulations.

Description

Mémoire descriptif La présente invention se rapporte à un manipulateur parallèle à 6 degrés de liberté destiné à produire un mouvement de translation et de rotation de l'organe terminal.

Il est courant de voir des robots parallèles ayant souvent 3 et parfois 6 degrés de liberté effectuer toute sortes de tâches industrielles. Les manipulateurs parallèles sont capables de supporter une charge habituellement plus grande que leur contrepartie sérielle (de dimension comparable) étant donné que plusieurs pattes se répartissent la charge. Il y a donc une multitude d'applications pour de tels manipulateurs autant dans le domaine militaire que civil où des charges doivent être déplacées et orientées rapidement et avec précision. Par exemple et sans se limiter à cette liste, les opérations de manipulation d'objets, de palettisation, de soudure, d'usinage, d'inspection, d'assemblage, de positionnement, etc. Voici quelques exemples de robots parallèles qui sont utilisés dans différentes applications.

Le manipulateur parallèle plus populaire est la plateforme de Gough-Stewart à
6 degrés de liberté, qui est entre autre utilisé pour mouvoir la plate forme de plusieurs simulateurs de vol. Ce robot comporte 6 pattes qui travaillent en coopération pour positionner et orienter l'organe terminal. Par contre, ce robot est typiquement lent et possèdes un espace atteignable assez restreint du à sa configuration.

Le robot Delta (brevet américain 4 976 582) est un autre exemple de manipulateur parallèle courant. Il possède 4 degrés de liberté, dont 3 en translation et 1 en rotation, et il est extrêmement rapide et précis.
Il est largement utilisé en industrie pour des opérations de manutention, Par contre, il ne peut effectuer qu'une seule rotation de l'organe terminal, ce qui le limite à certaines tâches où une seule rotation est suffisante.

Un autre exemple est un manipulateur d'orientation sphérique à 3 degrés de liberté tel que décris dans l'article the agile eye : a high performance three gedree of freedom camera-orienting device .
Ce manipulateur est un manipulateur à 3 degrés de liberté qui permet d'effectuer 3 rotations. Ce mécanisme permet d'atteindre des vitesses angulaires et des accélérations très élevées. Par contre, il ne permet pas à l'organe terminal d'effectuer de translations par rapport à sa base, ce qui limite ce robot aux applications d'orientation ou les translations ne sont pas nécessaires.

11 est donc souhaitable d'avoir un manipulateur parallèle permettant à la fois les translations et les rotations, aussi agile et rapide que le robot delta et l'eeil agile et dont la configuration serais en mesure d'offrir un espace atteignable étendu.

Relativement aux dessins qui illustrent la réalisation de l'invention, la figure 1 présente une vue isométrique de l'invention comportant 3 pattes P-U-R-R-R, la figure 2 présente une vue isométrique de l'invention comportant 3 pattes R-U-R-R-R, la figure 3 présente une vue isométrique de l'invention comportant 3 pattes P-R-U-R-R, la figure 4 présente une vue isométrique de l'invention comportant 3 pattes R-R-U-R-R, et la figure 5 présente une vue isométrique agrandie du mécanisme d'orientation sphérique de l'invention.

La réalisation préférée de l'invention proposée ici consiste en un manipulateur parallèle à 3 pattes comportant 6 degrés de libertés, soit 3 translations et 3 rotations, qui permets d'obtenir des vitesses et accélérations élevées de l'organe terminal dû à la configuration cinématique des pattes et possédant un espace atteignable très étendu. L'invention peut utiliser différentes configurations de chaînes cinématiques pour réaliser les 3 pattes, par exemple et sans se limiter à : P-U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne comporte 6 DDL, dont un joint de Cardan passif et dont les 2 dernières articulations sont de type rotoïde passives. Chaque patte autorise donc 4 degrés de liberté à l'organe terminal (4). En effet, le joint de Cardan de la patte est passif et procure 2 DDL à la patte, et les deux articulations rotoïde terminant la chaîne cinématique sont aussi passives et procurent chacune un DDL. Le mécanisme comporte 2 articulations actives par pattes pour un total de 6 moteurs (pour les 3 pattes). Ces articulations actives permettent de contrôler la position et l'orientation de l'organe terminal grâce à l'agencement particulier des articulations.

Le manipulateur comporte une base (1) qui supporte les 3 chaînes cinématiques (ou pattes) (2) ainsi que le moteur de la première articulation motorisée (3) de chacune des pattes.
La connexion entre la base et l'organe terminal est faite par 3 pattes articulées identiques (2).
Chacune des pattes est construite de 6 articulations (le joint de Cardan compte pour 2 articulations), dont 4 passives et 2 actives. La chaîne cinématique de la patte peut être construite de différentes façons. La figure 1 illustre le mécanisme pour une configuration P-U-R-R-R, mais d'autres configurations comme R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R peuvent être tout aussi bien être utilisée pour construire le mécanisme, sans en modifier le principe de fonctionnement du manipulateur. Chaque patte contraint donc 2 mouvements, soit dans le cas de la patte P-U-R-R-R : la translation le long de l'axe du joint prismatique (14) et la rotation autour de l'axe de la tige de la patte (15). La translation le long de l'axe du joint prismatique (14) est contrôlée par le premier moteur (3) et un entrainement de type vis sans fin. La vis entraîne un charriot (17) sur le joint prismatique (5) et la translation se fait le long de l'axe du joint prismatique (14). Le joint de Cardan (8) est fixé de façon rigide sur le charriot (17) dans un angle permettant à la tige de la patte (6) de pivoter dans toutes les directions sans créer d'interférence mécaniques. La translation le long du joint prismatique (5) impose la position du premier joint de Cardan (8) et de son point central (18) qui se situe à l'intersection des 2 axes du joint de Cardan (8). Le positionnement du point central du joint de Cardan (8) des deux autres pattes se fait de façon similaire. Le second moteur (7) est fixé à l'autre extrémité du joint de Cardan (8) et il entraine la rotation de la tige de patte (6) autour de son axe (15). Cette rotation est transférée au mécanisme d'orientation par l'entremise de la tige de patte (6).

Le mécanisme d'orientation, tel qu'illustré à la figure 5, comprend les deux dernières articulations passives (9) et (10) de la patte, les membrures orbitales (11) et (12) et l'organe terminal (4). La configuration mécanique particulière des composantes du mécanisme d'orientation est nécessaire pour éviter toute interférence mécanique entre les composantes. Il est constitué
des deux articulations rotoïdes passives (9) et (10) et de leurs axes de rotation (19) et (20) qui sont montées de façon à ce que les axes de rotation (19) et (20) soient orthogonaux. La membrure orbitale distale (12) supporte les deux articulations (9) et (10) et est construite pour assurer l'orthogonalité
des axes (19) et (20). Une membrure orbitale proximale (11) relie, de façon rigide, la tige de la patte (6) à la première articulation rotoïde (9) dont l'axe (19) est orthogonal à l'axe de tige de la patte (15).
La membrure orbitale distale (12) relie la première articulation rotoïde (9) à la seconde articulation rotoïde (10). L'autre partie de la seconde articulation rotoïde est fixée à l'organe terminal (4). C'est sur l'organe terminal (4) que les trois pattes identiques (2) viennent se rattacher pour fermer la chaîne cinématique. La géométrie des membrures orbitales (11) et (12) est faite de façon à ce que tous les axes (axes de la tige de la patte (15), axe de la première articulation rotoïde (19) et axe de la seconde articulation rotoïde (20)) se croisent en un point commun (13). De plus, l'organe terminal (4) est fait de telle façon que les axes (20) des trois pattes (utilisons la notation (20A), (20B) et (20C) pour identifier l'axe (20) des pattes A, B et C) (20A), (20B) et (20C) sont arrangés de façon orthogonales sur l'organe terminal (4) et que le point (13) des trois pattes soient confondus en un seul point. Ce point commun (13) est appelé l'origine de l'organe terminal. Cet arrangement permet d'obtenir un point qui est à la fois le point d'intersection des axes (15), (19) et (20) commun aux trois pattes, mais aussi le centre de rotation de l'organe terminal. Le mécanisme se met en mouvement lorsque la tige de patte (6) pivote autour de son axe (15), elle entraine la membrure orbitale proximale (11), l'articulation rotoïde passive (9) et son axe de rotation (19). La membrure orbitale distale (12) est entrainée par l'articulation rotoïde (9) et prends une position intermédiaire dictée par la première articulation rotoïde (9) et la seconde articulation rotoïde (10), dont l'orientation est fonction de la position et l'orientation de l'organe terminal (4).
L'orientation de l'organe terminal (4) est donc prescrite par l'action combinée des 3 pattes (2).

Le positionnement et l'orientation de l'organe terminal (4) se fait à l'aide des 6 moteurs. Le calcul mathématique des coordonnées de position des 6 moteurs est simplifié par le fait que l'on peut découpler partiellement en 2 parties distinctes; soit le porteur et le mécanisme d'orientation :

Le porteur consiste à la partie qui effectue le positionnement de l'organe terminal. Le porteur positionne les points (18) à l'aide des trois moteurs (3A), (3B) et (3C).
Comme la distance entre le point central du joint de Cardan (18) et du point d'intersection (13) des axes des deux articulations rotoïdes passives (19) et (20) est fixe, il est possible de déterminer la position de l'origine de l'organe terminal (13) comme étant l'intersection de 3 sphères de rayon R (où R est la distance entre les points (18) et (13)), centrées sur le point central (18) du joint de Cardan de chacune des 3 pattes (18A), (18B) et (l8C).

Le mécanisme d'orientation prescrit l'orientation de l'organe terminal. Dans ce mécanisme, chacune des pattes impose une rotation de l'organe terminal (4) par le biais du moteur (7), de la tige (6), des articulations rotoïdes (9) et (10) et des membrures orbitales (11) et (12).

Les 3 pattes travaillent en coopération pour contraindre parfaitement l'organe terminal et produire le mouvement désiré par le biais des 6 moteurs.

Une autre réalisation préférée consiste toujours en un manipulateur parallèle à 3 pattes comportant 6 degrés de libertés, mais ou les chaînes cinématiques des pattes sont de type R-U-R-R-R, tel qu'illustrée à la figure 2. La différence avec la configuration P-U-R-R-R décrite plus haut se situe au niveau du positionnement du point central du joint de Cardan (18). Dans ce cas, la base comporte 3 axes de rotation (22) disposés de façon axisymétrique par rapport à l'axe vertical au centre de la base. Les axes (22) des trois pattes sont disposés de façon à former un triangle équilatéral disposé dans un plan horizontal. Le moteur (3) fait pivoter un bras rigide (21) autour de son axe de rotation (22). Le joint de Cardan (8) de la chaîne cinématique est fixé de façon rigide sur l'extrémité
distale du bras (21) dans un angle permettant à la tige de la patte (6) de pivoter dans toutes les directions sans créer d'interférence mécaniques. Dans ce cas, la rotation du bras (21) induit au point central du joint de Cardan (18), un déplacement le long d'un arc de cercle dans un plan vertical autour de l'axe de rotation du bras (22).
La position du point central du premier joint de Cardan (8) des deux autres pattes se fait de façon similaire. La position de l'origine de l'organe terminal est pleinement déterminée comme étant l'intersection de 3 sphères de rayon R (où R est la distance entre les points (18) et (13)), centrées sur le point central (18) du joint de Cardan de chacune des 3 pattes (18A), (18B) et (18C). Le reste de la chaîne cinématique est identique à la configuration P-U-R-R-R décrite plus haut.

Une autre réalisation préférée consiste toujours en un manipulateur parallèle à 3 pattes comportant 6 degrés de libertés, mais ou les chaînes cinématiques des pattes sont de type P-R-U-R-R et R-R-U-R-R, tel qu'illustrées dans les figures 3 et figure 4. La seule différence avec respectivement les configurations P-U-R-R-R et R-U-R-R-R vient du fait que le joint de Cardan et l'articulation rotoïde active ont été interverties. Ce changement dans l'ordre des articulations qui composent la chaîne cinématique n'a que très peu d'effet mécaniquement. La différence majeure se retrouvera dans les équations pour l'orientation qui doivent tenir compte de la différence cinématique.

Claims (5)

1- Un manipulateur parallèle comportant 6 degrés de libertés, soit 3 translations et 3 rotations comprenant :

Une base qui supporte les 3 pattes;

3 pattes articulées identiques faisant la connexion entre la base et l'organe terminal. Chacune des pattes est construite de 6 articulations, dont 4 passives et 2 actives. La chaîne cinématique de la patte peut être construite de différentes façons, comme par exemple, et sans se limiter à:
P-U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne cinématique de la patte comporte 6 DDL, dont un joint de Cardan passifs et 2 articulations rotoïde passives où les

2 articulations rotoïde passives sont à la fin de la chaîne. Dans le cas de la chaîne P-U-R-R-R, le rail du joint prismatique est fixé à la base et est orienté de manière à
être orthogonal avec le joint prismatique des deux autres pattes. Un premier moteur est fixé à la base et déplace un charriot le long du joint prismatique par le biais d'un mécanisme de vis sans fin relié au moteur et au charriot. Le charriot supporte le joint de Cardan. L'autre extrémité du joint de Cardan est fixée au second moteur et son axe de rotation. L'arbre du moteur est connecté
à une tige de patte. La tige de patte peut pivoter autour de l'axe de tige de patte par l'action du second moteur. La tige de patte se connecte de façon rigide sur la membrure orbitale proximale, qui pivote en même temps que la tige de patte, autour de l'axe de tige de patte.
La membrure orbitale proximale supporte une première articulation rotoïde passive et son axe de rotation. Cet axe de rotation est orthogonal avec l'axe de tige de patte. Cette première articulation rotoïde joint la membrure orbitale proximale à la membrure orbitale distale. La membrure orbitale distale peut pivoter autour de l'articulation rotoïde. Elle supporte à son autre extrémité une seconde articulation rotoïde passive ainsi que son axe. L'axe de la seconde articulation rotoïde est orthogonal à l'axe de la première articulation rotoïde. La seconde articulation rotoïde joins la membrure orbitale distale à l'organe terminal. La géométrie des membrures orbitales sont arrangées de façon à ce que les axes de tige de pattes, de première articulation rotoïde et de seconde articulation rotoïde pointent tous vers un même point commun.

Un organe terminal. La géométrie de l'organe terminal est réalisée de façon à
ce que les axes de rotation de la dernière articulation rotoïde de chacune des pattes soient orthogonaux entre eux et qu'ils se croisent tous en un point commun. Cet arrangement assure que les points de convergence des axes de chacune des pattes soient coïncidents. Ce point sera déterminé comme l'origine de l'organe terminal.

2- Un mécanisme de rotation sphérique comprenant :

3 pattes identiques dont la chaîne cinématique est R-R. Chacune des pattes est constituée de 2 membrures orbitales et de 2 articulations rotoïdes. La membrure orbitale proximale supporte une première articulation rotoïde passive et son axe de rotation. Cette première articulation rotoïde joint la membrure orbitale proximale à la membrure orbitale distale.
La membrure orbitale distale peut pivoter autour de l'articulation rotoïde. Elle supporte à son autre extrémité
une seconde articulation rotoïde passive ainsi que son axe. L'axe de la seconde articulation rotoïde est orthogonal à l'axe de la première articulation rotoïde. La seconde articulation rotoïde joint la membrure orbitale distale à l'organe terminal. La géométrie des membrures orbitales est arrangée de façon à ce que les axes de première articulation rotoïde et de seconde articulation rotoïde pointent vers un même point commun.

Un organe terminal. La géométrie de l'organe terminal est réalisée de façon à
ce que les axes de rotation de la dernière articulation rotoïde de chacune des pattes soient orthogonaux entre eux et qu'ils se croisent tous en un point commun. Cet arrangement assure que les points de convergence des axes de chacune des pattes soient coïncidents. Ce point sera déterminé comme l'origine de l'organe terminal.

Le mécanisme d'orientation sphérique est destiné à être utilisé sur un porteur à 3 pattes dont les tiges de fixation sont mobiles dans l'espace et peuvent pivoter autour d'un axe de rotation qui est lui aussi mobile en fonction de la position du porteur. Cet axe de rotation de la tige de patte doit pointer vers l'origine de l'organe terminal. La position de l'organe terminal sera donc le point de rencontre des 3 axes de tiges de pattes, et l'orientation sera prescrite grâce au mécanisme d'orientation sphérique qui est actionné par la rotation des tiges de pattes autour de leur axe.

3- Un mécanisme parallèle selon la revendication 1 dans lequel la chaîne cinématique des pattes est remplacée par P-R-U-R-R. Dans ce cas, le joint de Cardan et le second moteur de positionnement sont intervertis. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne de la même manière que décrit en 1-.

4- Un mécanisme parallèle selon la revendication 1 dans lequel la chaîne cinématique des pattes est remplacée par R-U-R-R-R. Dans ce cas, la liaison prismatique est remplacée par une liaison rotoïde motorisée qui entraine un bras, dont le mouvement se fait dans un plan vertical. Ce plan est orienté à 120 degrés du plan formé par les plans similaires pour les 2 autres pattes. Le bras supporte à son extrémité le joint de Cardan, qui lui supporte la prochaîne liaison rotoïde motorisée de la patte. Le point situé au centre du joint de Cardan décris donc un arc de cercle dans le plan vertical plutôt qu'une trajectoire rectiligne dans le cas de la patte avec liaison prismatique. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne de la même manière que décrit en 1-.

5- Un mécanisme parallèle selon la revendication 4 dans lequel la chaîne cinématique des pattes est remplacée par R-R-U-R-R. Dans ce cas, le joint de Cardan et le second moteur de positionnement sont intervertis. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne de la même manière que décrit en 4-.