FR2667532A1

FR2667532A1 - Element for operating operating (controlling) a manipulating arm

Info

Publication number: FR2667532A1
Application number: FR9012183A
Authority: FR
Inventors: Streiff Gerard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-10-03
Filing date: 1990-10-03
Publication date: 1992-04-10
Anticipated expiration: 2010-10-03
Also published as: FR2667532B1

Abstract

Element (4) for operating a manipulating arm which replaces a master arm the movements of which are converted into corresponding movements of the slave arm. The operating element (4) comprises motors (36 and 42) and encoders (36' and 42') driven by a computer so as to entrain shaft portions (23) which clip into the rest of the arm. The system can be used above all for work requiring accurate displacements in terms of position and/or in terms of speed of the slave arm or for carrying out work of a repetitive nature.

Description

ELEMENT DE COMMANDE D'UN BRAS DE MANIPULATION
DESCRIPTION
L'invention concerne un élément de commande d'un bras de manipulation.CONTROL ELEMENT OF A HANDLING ARM
DESCRIPTION
The invention relates to a control element of a manipulation arm.

De tels bras sont utilisés largement pour manipuler certains produits dangereux ou contaminés, notamment dans l'industrie nucléaire. Ils comprennent essentiellement un organe tel qu'une pince à ltextré- mité d'un tronçon appelé bras esclave, un tronçon intermédiaire appelé tube de traversée et traversant une paroi de protection et un tronçon appelé bras maître terminé par une poignée manipulée par un opérateur. Les trois tronçons sont articulés entre eux et contiennent des transmissions conçues de telle sorte que des mouvements imposés à la poignée du bras maître par L'opérateur se transforment en mouvements identiques de la pince et du bras esclave. L'ouverture et la fermeture de la pince sont commandées par une transmission supplémentaire. Such arms are widely used to handle certain dangerous or contaminated products, especially in the nuclear industry. They essentially comprise a member such as a clamp at the end of a section called the slave arm, an intermediate section called a crossing tube and passing through a protective wall and a section called the master arm terminated by a handle manipulated by an operator. The three sections are articulated with each other and contain transmissions designed so that movements imposed on the handle of the master arm by the operator are transformed into identical movements of the clamp and the slave arm. The opening and closing of the clamp are controlled by an additional transmission.

Il est cependant en pratique difficile de manoeuvrer la pince avec une grande précision et/ou en respectant une vitesse de déplacement imposée. However, in practice, it is difficult to maneuver the gripper with great precision and / or while respecting an imposed speed of movement.

C'est pourquoi un perfectionnement a été proposé selon lequel L'action manuelle sur la poignée du bras maître est remplacée par une action mécanique : la poignée du bras maître est alors assujettie à un élément coulissant sur une glissière ou une pièce analogue de guidage. Une bonne précision est alors obtenue mais le mouvement imposé est immuable.This is why an improvement has been proposed according to which manual action on the handle of the master arm is replaced by a mechanical action: the handle of the master arm is then subjected to a sliding element on a slide or a similar guiding part. Good precision is then obtained but the imposed movement is immutable.

L'invention est née de la recherche d'un système d'emploi moins limité qui offrirait également une bonne précision en position et/ou en vitesse. The invention was born from the search for a less limited employment system which would also offer good accuracy in position and / or speed.

Elle n'est applicable qu'aux appareils appelés "manipu
lateur à bras déconnectables" constitués de trois tronçons - le bras maître terminé par une poignée - le tube de traversée ; - le bras esclave terminé par une pince ; déconnectables entre eux. Elle consiste à remplacer le bras maître et sa poignée par un élément de commande d'un genre nouveau qui comprend, pour chaque transmission, un système composé d'un moteur, d'un codeur mesurant les rotations du moteur et d'un potentiomètre pour le recalage (initialisation) entraîné par une chaîne de commande mue par le moteur et terminée par un moyen de mise en prise qui vient engrener avec un moyen de mise en prise disposé sur un bout d'arbre qui termine la transmission en face de l'élément de commande.L'élément de commande comprend également un système de pilotage commandant les rotations du moteur en fonction d'informations de pilotage -fournies par l'opérateur- et des mesures des codeurs.It is only applicable to devices called "manipu
lator with disconnectable arms "made up of three sections - the master arm terminated by a handle - the cross tube; - the slave arm terminated by a clamp; disconnectable between them. It consists in replacing the master arm and its handle by an element of control of a new kind which includes, for each transmission, a system composed of a motor, an encoder measuring the rotations of the motor and a potentiometer for the reset (initialization) driven by a control chain driven by the motor and terminated by an engaging means which engages with an engaging means disposed on a shaft end which terminates the transmission in front of the control element. The control element also includes a piloting controlling the motor rotations according to piloting information -provided by the operator- and encoder measurements.

Les chaînes de commande peuvent comprendre un premier bout d'arbre tournant dans un palier et portant le moyen de mise en prise ainsi qu'un second bout d'arbre entraînant le premier et relié à lui par un cardan homocinétique ; les moteurs sont disposés sur une platine avec des arbres moteurs parallèles aux premières portions d'arbre et reliés aux secondes portions d'arbre par d'autres cardans homocinétiques. The control chains can comprise a first end of shaft rotating in a bearing and carrying the engagement means as well as a second end of shaft driving the first and connected to it by a constant velocity gimbal; the motors are arranged on a plate with motor shafts parallel to the first shaft portions and connected to the second shaft portions by other constant velocity gimbals.

Une telle disposition permet de placer convenablement des moteurs côte à côte bien qu'ils recouvrent une surface plus grande que la surface des transmissions.Such an arrangement allows engines to be placed side by side although they cover a larger area than the area of the transmissions.

On peut munir l'élément de commande d'une patte de fixation à un coulisseau dont le mouvement entraîne le pivotement du bras et plus précisément du tube de traversée autour de son axe. It is possible to provide the control element with a fixing lug to a slide, the movement of which causes the arm, and more precisely the traversing tube, to pivot about its axis.

L'invention va maintenant être décrite plus en détail à L'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif :
- la figure 1 est une vue d'ensemble du bras ;
- les figures 2 à 4 sont des vues supplémentaires représentant l'élément de commande ; et
- la figure 5 représente une application possible de L'invention.The invention will now be described in more detail with the aid of the following figures, which are given by way of illustration and not limitation:
- Figure 1 is an overview of the arm;
- Figures 2 to 4 are additional views showing the control element; and
- Figure 5 shows a possible application of the invention.

Le bras représenté sur La figure 1 comprend, d'une extrémité à L'autre, une pince 1, un bras esclave 2, un tube de traversée 3, et l'élément de commande 4. La pince 1 et le bras esclave 2 sont reliés par une articulation 5 appelée genouillère, et le bras esclave 2 et le tube de traversée 3 sont reliés par une autre articulation 6 appelée épaule. Des transmissions 7 s'étendent dans le tube de traversée 3 et sont connues d'après des bras de manipulation commercialisés. Elles ne seront donc pas décrites en détail. The arm shown in FIG. 1 comprises, from one end to the other, a clamp 1, a slave arm 2, a feed-through tube 3, and the control element 4. The clamp 1 and the slave arm 2 are connected by a joint 5 called a knee lever, and the slave arm 2 and the cross tube 3 are connected by another joint 6 called a shoulder. Transmissions 7 extend into the through tube 3 and are known from commercially available manipulation arms. They will therefore not be described in detail.

A titre d'illustration, on précise cependant qu'elles sont dans cette réalisation au nombre de sept : deux d'entre elles commandent l'articulation 5 : mouvement d'élévation et de rotation de la pince, deux autres permettent d'allonger Le bras esclave 2 (double tube télescopique) : mouvement Z, une autre commande l'ar- ticulation 6 : mouvement Y, une autre produit le pivotement du bras esclave 2 : mouvement d'azimut, et la septième provoque l'ouverture et la fermeture de la pince 1. On remarque par ailleurs qu'un degré de liberté supplémentaire existe (mouvement X) car le tube de traversée 3 pivote dans un fourreau 8 qui constitue un palier établi dans une paroi de protection 9.By way of illustration, it is however specified that there are seven in this embodiment: two of them control the articulation 5: elevation and rotation movement of the clamp, two others allow the lengthening of the slave arm 2 (double telescopic tube): movement Z, another control the articulation 6: movement Y, another produces the pivoting of the slave arm 2: azimuth movement, and the seventh causes opening and closing of the clamp 1. We also note that an additional degree of freedom exists (movement X) because the crossing tube 3 pivots in a sleeve 8 which constitutes a bearing established in a protective wall 9.

Sur la figure 2, on a simplement schématisé
L'extrémité des transmissions 7 à proximité de l'élé- ment de commande 4 : elles se composent chacune d'un arbre tournant 13, de longueur voisine de celle du tube de traversée 3 qui débouche des bouchons d'extrémité 14 (servant de paliers) et se termine à chaque extrémité par une douille rainurée 15. In Figure 2, we simply schematized
The end of the transmissions 7 near the control element 4: they each consist of a rotating shaft 13, with a length close to that of the bushing tube 3 which opens out from the end plugs 14 (serving bearings) and ends at each end with a grooved sleeve 15.

L'élément de commande 4 est formé tout d'abord d'une structure comprenant en premier Lieu une bride de fixation 16, une platine avant 17, une platine médiane 18 et une platine arrière 19. Les platines 17, 18 et 19 sont reliées entre elles par des boulons 20 entourés d'espaceurs 21 tubulaires qui les maintiennent écartées et parallèles. La platine avant 17 est reliée à la bride 16 par des boulons 22. L'élément de commande 4 est fixé de manière démontable au bouchon d'extrémité 14 du tube de traversée 3 par la bride de fixation 16 grâce aux boulons 22'. The control element 4 is firstly formed of a structure comprising in the first place a fixing flange 16, a front plate 17, a central plate 18 and a rear plate 19. The plates 17, 18 and 19 are connected between them by bolts 20 surrounded by tubular spacers 21 which keep them apart and parallel. The front plate 17 is connected to the flange 16 by bolts 22. The control element 4 is detachably fixed to the end plug 14 of the crossing tube 3 by the fixing flange 16 by means of the bolts 22 '.

A cet état assemblé, des premières portions d'arbre 23 terminées par des tenons 37 pénètrent dans les douilles rainurées 15. Les tenons 37 sortent des rainures et permettent donc d'entraîner en rotation les transmission 7. Ce système d'engrènement ou d'encliquetage est aisément démontable, si bien que l'élément de commande 4 ici décrit peut n'être posé que temporairement, en remplacement du bras maître usuel.In this assembled state, first portions of the shaft 23 terminated by tenons 37 penetrate into the grooved sockets 15. The tenons 37 come out of the grooves and therefore make it possible to rotate the transmissions 7. This meshing or latching is easily removable, so that the control element 4 described here may only be installed temporarily, replacing the usual master arm.

Les premières portions d'arbre 23 tournent dans des paliers 24 fixés à la platine avant 17. Comme le représente la figure 3, les paliers 24 comprennent une bague 25 fixée à la platine avant 17 et contenant deux roulements à billes 26, 27 qui retiennent axialement la première portion d'arbre 23. The first shaft portions 23 rotate in bearings 24 fixed to the front plate 17. As shown in FIG. 3, the bearings 24 include a ring 25 fixed to the front plate 17 and containing two ball bearings 26, 27 which retain axially the first shaft portion 23.

Les premières portions d'arbre 23 portent une poulie 28 près de la platine médiane 18 sur laquelle sont fixés des potentiomètres 29 qui permettent d'effectuer le recalage (initialisation) des transmissions 7 dont l'élément de mesure est une autre poulie 31 reliée à la précédente par une courroie 30. Les potentiomètres 29 sont en réalité montés sur la platine médiane 18 par l'intermédiaire d'excentriques non représentés dont la rotation permet de tendre la courroie 30. The first shaft portions 23 carry a pulley 28 near the central plate 18 on which potentiometers 29 are fixed which make it possible to reset (initialize) the transmissions 7, the measurement element of which is another pulley 31 connected to the previous one by a belt 30. The potentiometers 29 are actually mounted on the central plate 18 by means of eccentrics not shown, the rotation of which makes it possible to tension the belt 30.

Les premières portions d'arbre 23 se terminent à L'arrière de la platine médiane 18 par un premier cardan homocinétique 32 qui les relie à une seconde portion d'arbre 33 de direction oblique. A
L'autre extrémité de cette seconde portion d'arbre 33 s'étend un second cardan homocinétique 34 qui la relie à un arbre moteur 35 d'un moteur 36 fixé à la platine arrière 19. Les arbres moteurs 35 sont tous parallèles entre eux ainsi qu'aux premières portions d'arbre 23. L'excentrement introduit par Les secondes portions d'arbre 33 permet de disposer tous les moteurs 36 sur la platine arrière 19 quoique leur surface soit trop importante pour permettre de placer directement les arbres moteurs 35 en face des tiges 13. Les moteurs 36 sont équipés de codeurs 36' qui mesurent les rotations des moteurs.The first shaft portions 23 end at the rear of the central plate 18 by a first constant velocity gimbal 32 which connects them to a second shaft portion 33 in an oblique direction. AT
The other end of this second shaft portion 33 extends a second constant velocity gimbal 34 which connects it to a motor shaft 35 of a motor 36 fixed to the rear plate 19. The motor shafts 35 are all parallel to each other as well than to the first shaft portions 23. The eccentricity introduced by the second shaft portions 33 makes it possible to have all the motors 36 on the rear plate 19 although their surface is too large to allow the motor shafts 35 to be placed directly face of the rods 13. The motors 36 are fitted with encoders 36 'which measure the rotations of the motors.

Un moteur 36 et une chaîne de commande sont associés à chacune des transmissions 7. Il existe une transmission supplémentaire 40 responsable du pivotement du tube de traversée 3 autour de son axe dans le fourreau 8 et qui apparaît sur la figure 4. A motor 36 and a control chain are associated with each of the transmissions 7. There is an additional transmission 40 responsible for the pivoting of the crossing tube 3 around its axis in the sheath 8 and which appears in FIG. 4.

Cette transmission supplémentaire 40 comprend une vis d'Archimède 41 entraînée par un moteur 42 fixé à la paroi de protection 9 par un support 43 permettant une rotation. Le moteur 42 dispose comme les autres moteurs 36 d'un codeur 42' mesurant La rotation du moteur 42. De plus, un capteur de fin de course 47, fixé sur la platine avant 17, permet de connaître
la position de recalage (initialisation) par action d'un doigt 48 fixé à la paroi de protection 9. Un coulisseau à écrou 44 est déplacé le long de la vis d'Archimède 41. Il est muni d'un évidement qui reçoit un tenon 45 situé sur une patte 46 fixée à la platine avant 17.Le tenon 45 s'étend parallèlement aux premières portions d'arbre 23 et perpendiculairement à la paroi de protection 9, alors que la vis d'Archimède 41 et la patte 46 sont parallèles à cette paroi de protection 9 et sensiblement perpendiculaires L'une par rapport à L'autre. Il en résulte que le mouvement du moteur 42 et du coulisseau à écrou 44 entraîne la rotation de la patte 46 et le pivotement du tube de traversée 3. Le support 43 permet de compenser L'hyperstaticité du système en permettant de légers mouvements de rotation de la vis d'Archimède 41 autour du support 43.This additional transmission 40 comprises an Archimedes screw 41 driven by a motor 42 fixed to the protective wall 9 by a support 43 allowing rotation. The motor 42 has, like the other motors 36, an encoder 42 'measuring the rotation of the motor 42. In addition, an end-of-travel sensor 47, fixed on the front plate 17, makes it possible to know
the registration (initialization) position by action of a finger 48 fixed to the protective wall 9. A nut slide 44 is moved along the Archimedes screw 41. It is provided with a recess which receives a tenon 45 located on a lug 46 fixed to the front plate 17. The lug 45 extends parallel to the first shaft portions 23 and perpendicular to the protective wall 9, while the Archimedes screw 41 and the lug 46 are parallel to this protective wall 9 and substantially perpendicular to one another with respect to the other. As a result, the movement of the motor 42 and of the nut slide 44 causes the rotation of the tab 46 and the pivoting of the bushing tube 3. The support 43 makes it possible to compensate for the hyperstaticity of the system by allowing slight rotational movements of the Archimedes screw 41 around the support 43.

La figure 5 représente une installation complète de traitement d'objets soumis à des manipulations dans des cellules successives 50 qui sont reliées par des couloirs de transfert 51. Un bras de manipulation 52 est disposé à chacune des cellules 50. On utilise généralement des bras comprenant un bras maître à mouvement mécanique actionné par un opérateur. FIG. 5 represents a complete installation for processing objects subjected to manipulations in successive cells 50 which are connected by transfer lanes 51. A manipulation arm 52 is arranged at each of the cells 50. Arms are generally used comprising a master arm with mechanical movement actuated by an operator.

Toutefois, si un objet particulier nécessite des manipulations soignées, on démonte le bras maître mécanique 53 du bras de manipulation 52 concerné (ici à la cellule 50 d'extrémité) pour le remplacer par l'élément de commande 4. Comme on peut penser que L'éLément de commande 4 sera superflu dans La plupart des applications, on peut n'en prévoir qu'un pour plusieurs bras manipulateurs 52, qui est monté sur successivement tous les bras manipulateurs 52 en fonction des travaux à effectuer demandant une grande précision en déplacement et/ou en vitesse, ou qui au contraire demeure associé à une cellule 50 particulière ou s'effectuent des opérations plus délicates ou répétitives.However, if a particular object requires careful handling, the mechanical master arm 53 is removed from the handling arm 52 concerned (here at the end cell 50) to replace it with the control element 4. As one might think that The control element 4 will be superfluous in most applications, one can only provide one for several manipulator arms 52, which is successively mounted on all the manipulator arms 52 depending on the work to be performed requiring high precision in displacement and / or speed, or which on the contrary remains associated with a particular cell 50 or more delicate or repetitive operations are carried out.

La référence 54 désigne le système de pilotage de l'élément de commande 4 ; un câble 55 relie le système de pilotage 54 aux moteurs 36 et 42 pour les commander, et aux codeurs 36' et 42' pour vérifier l'amplitude des mouvements imposés. Le système de pilotage 54 n'est pas décrit en détail car sa construction est jugée à la portée de L'homme du métier. Reference 54 designates the control system of the control element 4; a cable 55 connects the control system 54 to the motors 36 and 42 to control them, and to the encoders 36 'and 42' to check the amplitude of the movements imposed. The control system 54 is not described in detail because its construction is judged to be within the reach of those skilled in the art.

Il est programmé à partir d'un terminal à clavier par exemple et il comprend les supports techniques nécessaires pour la mémorisation d'un trajet défini par les coordonnées de points de passage. La conversion des coordonnées composant ce trajet en mouvements des différents moteurs est entreprise de manière à tenir compte des couplages entre les différentes transmissions. Les principales commandes permettent de démarrer un cycle de mouvement et de travail, d'ouvrir et de refermer La pince avec une force réglable, de dégager la pince de sa zone de travail et de replacer le bras dans une position d'initialisation grâce aux potentiomètres 29 et au capteur de fin de course 47.It is programmed from a keyboard terminal for example and it includes the technical supports necessary for memorizing a route defined by the coordinates of waypoints. The conversion of the coordinates making up this path into movements of the different motors is undertaken so as to take account of the couplings between the different transmissions. The main commands are used to start a movement and work cycle, to open and close the clamp with an adjustable force, to disengage the clamp from its working area and to return the arm to an initialization position using the potentiometers. 29 and the limit switch 47.

L'invention peut bien entendu être mise en oeuvre d'autres manières et notamment avec des bras de manipulation à possibilités cinématiques différentes, présentant éventuellement moins de degrés de liberté. The invention can of course be implemented in other ways and in particular with manipulation arms with different kinematic possibilities, possibly having fewer degrees of freedom.

Claims

1. Control element (4) of a handling arm also comprising two sections (2, 3) hinged together, a handling member (1) and transmissions (7) extending in the section (3) and ending in front of the control element (4) in the form of shaft ends (13) provided with engagement means (15), the control element (4) and the handling member (1) being located at two opposite ends of the arm (2) and of the traversing tube (3) and the transmissions (7) being used to move the section (3) and the handling member (1), characterized in that the element of control (4) comprises for each transmission (7) a system composed of a motor (36), an encoder (36 ') measuring the rotations of the motor (36) and a control chain driven by the motor ( 36) and terminated by an engagement means (37) meshing with the engagement means (15) of the transmission (7), the control element (4) also comprising a system of e piloting (54) controlling the rotations of the motors (36) as a function of piloting information and encoder measurements (36 ').

2. Control cement (4) of a handling arm according to claim 1, characterized in that the control chains comprise a first portion of rotating shaft (23) in a bearing (24) and carrying the setting means in engagement (37), and a second (33) shaft portion driving the first shaft portion (23) and connected thereto by a constant velocity gimbal (32).

3. Control element (4) of a handling arm according to claim 2, characterized in that the motors (36) are arranged on a plate (19) with motor shafts (35) parallel to the first shaft portions (23) and connected to the second shaft portions (33) by other constant velocity gimbals (34).

4. Control element (4) of a manipulation arm according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a fixing lug (46) linked to a slide (44) allowing the tube to pivot. bushing (3) ending in front of the control element (4), a motor (42) and an encoder (42 ') measuring the rotations of the motor (42).

5. control element (4) of a manipulation arm according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises potentiometers (29) actuated by control chains (30) driven by the motors (36) and an end-of-travel sensor (47) allowing the adjustment or initialization of the control element (4).