CH699897A2 - Robot parallèle du type SCARA. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un robot parallèle (2) du type SCARA comprenant une base ou un tronc (4) sur lequel sont montés deux membres articulés (12, 14) formés chacun d’un bras (16, 18) et d’un avant-bras (17, 19) reliés par une articulation et montés rotatifs autour d’un même axe géométrique (26). Ce robot est caractérisé par le fait que les deux membres articulés sont montés respectivement sur deux segments annulaires (22, 24) formant respectivement deux parties mobiles d’un moteur circulaire dont le stator (6) forme au moins partiellement ledit tronc, ces deux parties mobiles étant associées à une seule et même voie circulaire (8) du stator. De préférence, les deux parties mobiles sont guidées par un seul et même guidage (42) de manière à assurer que ces deux parties mobiles tournent très précisément autour du même axe géométrique.

Description

  [0001]    L'invention concerne un robot parallèle du type SCARA. Un tel robot est susceptible d'être utilisé dans diverses applications industrielles, notamment dans des chaînes d'assemblage, dans des installations d'emballage ou d'enrobage d'éléments quelconques, dans des installations servant à déplacer des unités ou des composants, également dans des applications où le robot comprend à son extrémité au moins un capteur et dans des applications d'usinage ou de soudage.

  

[0002]    Par robot parallèle du type SCARA, on comprend de manière générale un robot ayant au moins deux membres, formés chacun d'un bras et d'un avant-bras, montés sur deux supports indépendants, mobiles en rotation autour d'un axe de rotation théoriquement confondu, avec les extrémités respectives des deux avant-bras reliées de manière articulée de sorte que ces deux membres forment ainsi une boucle fermée, chaque avant-bras étant mobile en rotation relativement au bras respectif au moins autour d'un axe géométrique. On notera que le bras est fixé à son support, ces deux éléments formant ensemble une même partie mobile en rotation et pouvant dans certains cas être sensiblement confondus.

  

[0003]    En général, les extrémités externes des deux avant-bras portent une partie terminale comprenant un outil ou un capteur quelconque. Cette partie terminale peut se déplacer dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des deux supports. La position angulaire de la partie terminale est modifiée par un mouvement identique des deux supports, et la distance entre la partie terminale et l'axe de rotation est modifiée par un mouvement différentiel des deux supports.

  

[0004]    Dans une variante principale, il est prévu que la partie terminale puisse subir un déplacement selon la direction de l'axe de rotation des deux supports, respectivement des deux bras susmentionnés. Dans une variante plus évoluée, il est prévu que l'outil ou le capteur puisse subir un propre mouvement rotatif à l'aide d'un moteur ou d'un actuateur agencé dans ladite partie terminale.

  

[0005]    Ainsi, dans un mode de réalisation simplifié d'un robot parallèle du type SCARA, ce robot peut comprendre seulement deux membres articulés montés rotatifs autour d'un tronc ou d'une base de ce robot, les articulations entre les bras et les avant-bras ainsi que l'articulation associées à ladite partie terminale étant formées par des pivots d'axes parallèles entre eux et parallèles à l'axe géométrique de rotation des deux supports mobiles portant respectivement les deux membres articulés dans un plan déterminé.

  

[0006]    Le document US 7 331 750 décrit un robot parallèle du type SCARA de conception relativement complexe. Ce robot est conçu avec un troisième membre articulé permettant de mouvoir la partie terminale selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation des deux bras des premier et deuxième membres articulés. Ainsi, ces premier et deuxième membres articulés présentent chacun une articulation entre leur bras et leur avant-bras formée par une rotule.

  

[0007]    Les bras des premier et deuxième membres articulés du robot du document US 7 331 750 sont montés respectivement sur deux supports annulaires qui forment respectivement les deux rotors de deux moteurs circulaires superposés. Chacun de ces deux membres articulés est donc associé à un moteur circulaire individuel, les deux moteurs circulaires étant agencés l'un au-dessus de l'autre. Premièrement, on constate que les premier et deuxième membres articulés n'ont pas une structure symétrique étant donné que les supports annulaires des deux bras respectifs sont situés à des niveaux différents. Ensuite, la fabrication d'un tel robot présente divers problèmes d'assemblage ayant des répercutions sur le fonctionnement de ce robot.

   En effet, il est difficile d'aligner parfaitement les deux axes de rotation des deux rotors annulaires portant respectivement les premier et deuxième membres articulés. Ce problème d'alignement des axes de rotation engendre de manière générale un manque de précision dans la commande des première et deuxième membres articulés engendrant un déplacement de la partie terminale hors du plan perpendiculaire à l'axe de rotation. De plus, dans le cas particulier de la variante simple décrite précédemment où les articulations sont formées par des pivots, un défaut d'alignement des axes de rotation des deux rotors engendre des contraintes dans ces pivots et une usure importante de ceux-ci. On notera encore que le robot de l'art antérieur décrit ci-avant comprend trois moteurs indépendants pour effectuer des translations de la partie terminale dans un espace cylindrique.

   Finalement, ce robot est de construction complexe et onéreuse.

  

[0008]    Le but de la présente invention est de palier les inconvénients de l'art antérieur susmentionnés.

  

[0009]    A cet effet, la présente invention concerne un robot parallèle du type SCARA comprenant:
un tronc,
deux membres articulés formés chacun d'un bras et d'un avant-bras reliés par une articulation, ces deux membres articulés étant montés rotatif autour d'un même axe géométrique,
une partie terminale à laquelle sont reliées de manière articulée les deux extrémités externes respectives des deux avant-bras, ce robot étant caractérisé en ce que les deux membres articulés sont montés respectivement sur deux segments annulaires formant respectivement deux parties mobiles d'un moteur circulaire dont le stator forme au moins partiellement ledit tronc, ces deux parties mobiles étant associées à une seule et même voie circulaire de ce stator.

  

[0010]    Selon un mode de réalisation préféré, les deux parties mobiles du moteur circulaire sont guidées par un seul et même guidage. Grâce aux caractéristiques du robot de la présente invention, les deux parties mobiles tournent autour d'un seul et même axe de rotation défini par la seule et même voie circulaire et en particulier par le seul et même guidage. Ensuite, ce robot est de dimensions réduites relativement à celui de l'art antérieur mentionné précédemment. Finalement, un tel robot est moins complexe, d'assemblage simplifié et donc moins onéreux.

  

[0011]    D'autres caractéristiques additionnelles et avantages du robot de la présente invention seront exposés dans la description suivante de divers modes de réalisation de l'invention, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples nullement limitatifs, dans lesquels:
<tb>la fig. 1 <sep>est une vue générale en perspective d'un premier mode de réalisation d'un robot selon l'invention;


  <tb>la fig. 2 <sep>est une vue en coupe du premier mode de réalisation selon la ligne de coupe ll-ll de la fig. 1;


  <tb>la fig. 3 <sep>est une vue partielle en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un robot selon l'invention;


  <tb>la fig. 4 <sep>est une vue latérale partielle du deuxième mode de réalisation;


  <tb>la fig. 5 <sep>est une vue partielle en coupe d'un troisième mode de réalisation du robot selon l'invention, et


  <tb>la fig. 6 <sep>est une vue latérale partielle du troisième mode de réalisation.

  

[0012]    Un premier mode de réalisation d'un robot selon l'invention est représenté schématiquement aux fig. 1et 2. Le robot 2 du type SCARA parallèle comprend un tronc 4 formé par un stator 6 d'un moteur électrique circulaire. Ce stator 6 définit une voie circulaire 8 formée d'une culasse magnétique annulaire 9 à la surface latérale externe de laquelle sont agencés une pluralité d'aimants permanents 10 présentant des polarités alternées. Le robot 2 comprend ensuite deux membres articulés 12 et 14 formés chacun d'un bras 16, respectivement 18 et d'un avant-bras 17, respectivement 19. Les deux extrémités externes respectives des deux avant-bras 17 et 19 sont reliées de manière articulée à une partie terminale 20 (représentée de manière schématique à la fig. 1). Cette partie terminale porte généralement soit un outil, soit un capteur.

  

[0013]    Selon l'invention, les deux membres articulés sont montés respectivement sur deux segments annulaires 22 et 24 qui forment respectivement deux parties mobiles d'un moteur circulaire formé par ces deux segments annulaires et le stator 6. Selon l'invention, les deux parties mobiles 22 et 24 sont associées à une seule et même voie circulaire 8 de ce stator 6.

  

[0014]    Ainsi, les deux segments annulaires 22 et 24 sont mobiles en rotation autour d'un seul et même axe de rotation 26. Cet axe 26 est défini par la voie circulaire 8 qui est dans le présent exemple une voie magnétique étant donné qu'elle porte les aimants permanents du moteur circulaire. L'axe de rotation 26 correspond à l'axe d'usinage des surfaces latérales externes de la culasse magnétique 9 du stator, en particulier les surfaces cylindriques 43 et 44 qui serviront de surface de guidage pour les segments annulaires. Comme les deux segments annulaires sont mobiles le long de la même voie magnétique circulaire 8, en prenant appui sur la même surface de guidage, on assure que ces deux segments tournent autour d'un seul et même axe géométrique 26.

   Les deux membres articulés 12 et 14 peuvent ainsi être situés dans un seul et même plan perpendiculaire à l'axe de rotation 26. Le bras et l'avant-bras de chaque membre articulé sont reliés par une articulation 28, respectivement 29. Dans les modes de réalisation de l'invention décrits ici, ces articulations 28 et 29 sont formées par des pivots ayant des axes de rotation respectifs 30 et 31 parallèles entre eux et également à l'axe de rotation 26 et parallèles à la direction du ou des axe(s) de rotation des moyens d'articulation associés à la partie terminale 20 qui sont formés ici également d'un ou plusieurs pivots (représenté schématiquement par l'axe 21 à la fig. 1).

  

[0015]    Les deux parties mobiles 22 et 24 comprennent chacune un support 34 dans lequel sont agencées une pluralité de bobines 36 et une pièce ferromagnétique 38 servant à la fermeture du flux magnétique des aimants permanents 10. De plus, selon une caractéristique particulière de l'invention, cette pièce ferromagnétique 38 sert également à engendrer une force d'attraction magnétique entre la partie mobile et la voie circulaire 8 comprenant la pluralité d'aimants permanents. Ainsi, chaque segment annulaire formant une partie mobile est précontraint par ladite force d'attraction magnétique. Ceci présente un avantage pour l'assemblage et le fonctionnement du robot selon la présente invention relativement au robot de l'art antérieur dans lequel les supports rotatifs sur lequel sont montés les membres articulés sont formés par des anneaux rigides.

   Dans un tel anneau formant la partie mobile d'un moteur circulaire, les bobines sont agencées généralement avec une symétrie axiale de même que les noyaux magnétiques éventuels. Ainsi, dans un tel cas, la force d'attraction magnétique résultante sur l'anneau mobile est sensiblement nulle.

  

[0016]    Comme les deux parties mobiles 22 et 24 sont montées rotatives sur une seule et même voie circulaire du stator, il est possible selon l'invention de guider ces deux parties mobiles du moteur circulaire par un seul et même guidage. Ce guidage 42 est formé de préférence par un palier à air défini d'une part par des surfaces cylindriques 43 et 44 du stator 6 auquel font face des surfaces cylindriques correspondantes du support 34 de la partie mobile et, d'autre part, par des surfaces annulaires 45 et 46 du stator auxquelles font face des surfaces annulaires correspondantes du support 34 de cette partie mobile. L'air comprimé remplit de manière classique un interstice entre les surfaces 43, 44, 45, 46 et les surfaces correspondantes de la partie mobile 22, respectivement 24.

   Ainsi, le palier à air 42 maintient d'une part la partie mobile subissant la force d'attraction magnétique des aimants à une certaine distance de la surface circulaire externe du stator et d'autre part positionne précisément la partie mobile selon la direction de l'axe de rotation 26 qui a servi à l'usinage.

  

[0017]    Finalement, chaque segment annulaire 22, 24 est associé à un dispositif 48 de mesure du déplacement angulaire du segment annulaire, c'est-à-dire du déplacement de ce segment le long de la voie circulaire du stator.

  

[0018]    Un deuxième mode de réalisation d'un robot selon l'invention est représenté aux fig. 3et 4. Les références déjà décrites précédemment ne seront pas décrites à nouveau ici en détail.

  

[0019]    Le deuxième mode de réalisation de l'invention se distingue essentiellement du premier mode de réalisation par le fait que chacun des deux membres articulés du robot 50 a un bras monté sur une partie mobile 52 comprenant un cadre 54 guidé en rotation le long de la voie circulaire 8 ainsi qu'une partie centrale 35 agencée à l'intérieur de ce cadre de manière à pouvoir subir un déplacement vertical. Par déplacement vertical, on comprend ici un déplacement selon l'axe de rotation de la partie mobile 52, cet axe de rotation étant défini par le stator 6. La partie centrale 35 est guidée par deux paliers linéaires 56 et 57. Pour déterminer la position de cette partie centrale selon la direction de l'axe de rotation du moteur circulaire, il est prévu un dispositif de mesure formé d'une règle 59 et d'une tête de lecture 60.

   Le déplacement angulaire du cadre 54 est mesuré par une règle circulaire 48A associée à une tête de lecture 48B.

  

[0020]    Selon une caractéristique particulière de ce mode de réalisation, le déplacement en rotation de la partie mobile 52 et le déplacement de la partie centrale 35 relativement au cadre 54 selon la direction de l'axe de rotation sont tous deux engendrés par la même pluralité de bobines 36. Dans la variante représentée à la fig. 4, la partie centrale 35 comprend une pluralité de bobines (de préférence un multiple de trois) qui sont agencées de manière décentrée relativement aux aimants permanents 10 de la voie magnétique circulaire. Ces bobines sont agencées de manière que leurs segments inférieurs sont globalement orientés perpendiculairement à l'axe de rotation du moteur circulaire et situés en face des aimants permanents 10. Les segments supérieurs des bobines ne doivent pas être en face des aimants permanents 10.

   Grâce à cet agencement, les mêmes bobines 36 permettent d'actionner l'ensemble de la partie mobile 52 en rotation le long de la voie circulaire 8 et également de déplacer la partie centrale selon la direction de l'axe de rotation de cette partie mobile 52. L'homme du métier pourra se référer à l'enseignement du document WO 2007/026 270 pour la commande des bobines 36.

  

[0021]    On notera que dans une variante de réalisation non représentée, les bobines peuvent être agencées de manière décentrée relativement aux aimants permanents 10 avec les segments supérieurs situés en face de ces aimants alors que les segments inférieurs sont situés au moins en majeure partie dans une région non superposée à ces aimants.

  

[0022]    Selon une autre caractéristique additionnelle du deuxième mode de réalisation décrit ici, la pièce ferromagnétique 38, incorporée dans le support 34 formant la partie centrale 35, est agencée de manière décentrée relativement aux aimants 10 lorsque cette partie centrale est par exemple au milieu de la fenêtre définie par le cadre 54. Etant donné l'attraction magnétique des aimants sur la pièce ferromagnétique 38, cette pièce ferromagnétique définit un moyen de compensation de la force gravitationnelle exercée sur la partie centrale mobile 35.

   La pièce ferromagnétique 38 est ainsi agencée relativement aux aimants permanents 10 de manière à ce que sa position de repos, correspondant par exemple à une position milieu de la partie centrale 35, soit conservée sans alimentation des bobines 36, permettant une réduction des pertes Joules dans les bobines. La force exercée par les aimants compense précisément dans cette position de repos la force de pesanteur propre à la partie centrale 35, ainsi que celle du bras, de l'avant-bras et de la partie terminale du robot SCARA.

  

[0023]    On remarquera que le bras du membre articulé associé à la partie mobile 52 est fixé évidemment à la partie centrale 35 de manière à ce que ce bras puisse subir un mouvement de rotation ainsi qu'un déplacement linéaire vertical. Le deuxième mode de réalisation permet ainsi de simplifier la structure de la partie terminale 20 qui n'a plus besoin de pouvoir effectuer un mouvement linéaire vertical propre.

  

[0024]    Aux fig. 5 et 6 est représenté un troisième mode de réalisation d'un robot parallèle selon l'invention. Les références déjà décrites précédemment ne seront pas à nouveau décrites ici en détail.

  

[0025]    Dans ce troisième mode de réalisation, chaque partie mobile 64 associée à un membre articulé du robot 62 est capable de subir un déplacement selon deux degrés de liberté sur une surface cylindrique 66 en deux parties situées respectivement en face de parties inférieure et supérieure du support 34 de la partie mobile 64. Entre la surface cylindrique 66 et la surface cylindrique correspondante du support 34 est prévu un palier à air 67. Cet agencement permet ainsi à la partie mobile 64 de se déplacer sur une surface cylindrique, c'est-à-dire de pouvoir subir un mouvement de rotation selon l'axe de rotation du moteur circulaire et également de subir un déplacement linéaire selon la direction de cet axe de rotation.

  

[0026]    Comme dans le deuxième mode de réalisation, la partie mobile 64 comprend des bobines 36A et 36B agencées de manière décentrée relativement aux aimants permanents 10 de la voie magnétique 8. Ces bobines permettent d'entraîner la partie mobile 64 selon ses deux degrés de liberté. De même, la pièce ferromagnétique 38 servant au retour du flux magnétique des aimants est agencée de manière décentrée vers le bas relativement à ces aimants. La pièce ferromagnétique 38 sert ainsi également à compenser la force de pesanteur exercée sur la partie mobile 64, ainsi que celle du bras, de l'avant-bras et de la partie terminale du robot SCARA.

   Dans le deuxième mode de réalisation, seule la partie centrale jouissait de cette compensation de la force de pesanteur alors que dans le troisième mode de réalisation décrit ici, la pièce ferromagnétique 38 est agencée relativement aux aimants 10 de manière que la force d'attraction des aimants sur cette pièce magnétique compense la force de pesanteur de l'ensemble de la partie mobile 64 dans sa position de repos selon la direction de l'axe de rotation du moteur circulaire du robot 62. Ceci permet de réduire les pertes Joules dans les bobines.

  

[0027]    Etant donné que la partie mobile 64 est formée d'un bloc solidaire susceptible de subir des mouvements sur une surface cylindrique, il est nécessaire de prévoir des moyens servant à éviter que cette partie mobile 64 subisse un mouvement de basculement, c'est-à-dire un mouvement de rotation selon un axe radial du stator 6. A cet effet, il est prévu selon l'invention d'agencer deux groupes de bobines 36A et 36B commandés de manière indépendante pour permettre d'engendrer un moment de force selon un axe radial du stator pour permettre de contrôler la position angulaire de la partie mobile relativement à un tel axe radial et ainsi maintenir parallèle l'axe d'usinage de la surface cylindrique 66 avec l'axe d'usinage des surfaces cylindriques correspondantes du support 34 de la partie mobile 62.

   Pour éviter un basculement de la partie mobile 64 et donc pour conserver son orientation spatiale sur la surface cylindrique 66, chaque partie mobile 64 est associée à deux capteurs linéaires de déplacement selon la direction de l'axe de rotation du moteur circulaire. Ces deux capteurs linéaires sont formés par une même règle 68 et respectivement deux têtes de lecture 69 et 70. Les moyens de commande des deux groupes de bobines 36A et 36B coopèrent avec les deux têtes de lecture 69 et 70 des deux capteurs respectifs pour effectuer l'asservissement décrit ci-avant.

   Un tel asservissement est par exemple décrit dans le brevet US 6 949 733 qui utilise des codeurs parfois nommés 1D+ dont la règle bénéficie d'un procédé de gravure particulier qui associe une graduation longitudinale et transverse sur le même support, combinant ainsi les règles 48A et 68 en un seul élément.

  

[0028]    Il est clair pour l'homme de métier que les trois modes de réalisation ne sont nullement limitatifs, et qu'en particulier la position des bobines et des aimants peut être inversée afin d'utiliser des bobines fixes et des aimants mobiles pour faciliter le câblage.

Claims (10)

1. Robot parallèle (2; 50; 62) du type SCARA comprenant:

- un tronc (4),

- deux membres articulés (12, 14) formés chacun d'un bras (16, 18) et d'un avant-bras (17, 19) reliés par une articulation (28, 29), ces deux membres articulés étant montés rotatif autour d'un même axe géométrique (26),

- une partie terminale (20) à laquelle sont reliées de manière articulée les deux extrémités externes respectives des deux avant-bras, caractérisé en ce que les deux membres articulés sont montés respectivement sur deux segments annulaires (22, 24; 52; 64) formant respectivement deux parties mobiles d'un moteur circulaire dont le stator (6) forme au moins partiellement ledit tronc, ces deux parties mobiles étant associées à une seule et même voie circulaire (8) de ce stator.

2. Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parties mobiles dudit moteur circulaire sont guidées par un seul et même guidage (42; 67).

3. Robot selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moteur circulaire est un moteur à aimants permanents (10), lesquels forment ladite voie circulaire (8) dudit stator, chacune des deux parties mobiles comprenant une pluralité de bobines (36; 36A et 36B) et une pièce ferromagnétique (38) servant à la fermeture du flux magnétique des aimants permanents et également à engendrer une force d'attraction magnétique entre cette partie mobile et ladite voie circulaire de sorte que ledit segment annulaire formant cette partie mobile est précontraint par ladite force d'attraction magnétique.

4. Robot selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque partie mobile est associées à un palier à air (42; 67).

5. Robot selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chacune des deux parties mobiles (52) comprend un cadre (54), guidé en rotation le long de ladite voie circulaire (8), à l'intérieur duquel est agencée une partie centrale (35) mobile selon ledit axe géométrique (26).

6. Robot selon la revendication 5, caractérisé en ce que le déplacement en rotation et le déplacement selon ledit axe géométrique sont tous deux engendrés par ladite pluralité de bobines (36) qui sont agencées de manière décentrée relativement aux dits aimants permanents (10) et qui présentent des segments inférieurs ou supérieurs globalement orientés perpendiculairement audit axe géométrique et situés en face desdits aimants permanents.

7. Robot selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite pièce ferromagnétique (38) définit un moyen de compensation de la force gravitationnelle exercée sur chaque partie centrale mobile (35).

8. Robot selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit palier à air (67) est agencé pour permettre un déplacement avec deux degrés de liberté de chaque partie mobile (64) sur une surface cylindrique (66).

9. Robot selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite pluralité de bobines comprend deux groupes de bobines (36A et 36B) commandées de manière indépendante et en ce que chaque partie mobile (64) est associée à deux capteurs linéaires (68, 69 et 70) de déplacement selon ledit axe géométrique (26), des moyens de commande des deux groupes de bobines coopérant avec les deux capteurs linéaires pour conserver l'orientation spatiale de cette partie mobile sur ladite voie circulaire (8).

10. Robot selon la revendication 3, 4, 8 ou 9, caractérisé en ce que ladite pièce ferromagnétique (38) définit un moyen de compensation de la force gravitationnelle exercée sur chaque partie mobile (64).