FR2753925A1

FR2753925A1 - Articulation oblique de robot

Info

Publication number: FR2753925A1
Application number: FR9612012A
Authority: FR
Inventors: Alain Riwan
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-03
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: FR2753925B1

Abstract

Une articulation oblique se caractérise en ce que l'axe de rotation (A) du tronçon entraîné (2) fait un angle non nul avec son axe d'extension (B). Ici, l'axe de rotation (A) est désaxé de l'arbre moteur (14) grâce à une transmission (6), ce qui permet d'agencer plus commodément les éléments de l'articulation et notamment de placer des capteurs (23, 25) de position du tronçon entraîné (2) dans un boîtier (3) où ils sont protégés et ne détériorent pas la forme de l'articulation, qui reste effilée; les fils de commande (27) peuvent s'étendre à l'intérieur des tronçons (1) et (2); des moteurs (4) et des réducteurs (8) suffisamment puissants pour permettre de grands angles entre les axes (A) et (B) peuvent être logés dans le boîtier (3).

Description

ARTICUIATION OBLIQUE DE ROBOT
DESCRIPTION
L'invention a trait à une articulation oblique de robot.

Les bras de robot sont composés de segments ou tronçons en prolongement reliés par des articulations. Les mouvements des articulations, commandés par le système de pilotage du robot, donnent au bras le mouvement et la forme souhaités.

Un exemple de construction fréquent concerne ce qu'on appelle les robots à sept axes, dont les bras sont construits de façon à rappeler la morphologie du bras humain et comprennent des tronçons reliés entre eux par des articulations alternativement en ligne (c'est-à-dire avec un axe de rotation aligné avec l'orientation générale des tronçons : ces articulations commandent donc des mouvements de pivotement) et orthogonales (dont l'axe de rotation est orthogonal à l'orientation générale des tronçons elles commandent donc des mouvements circulaires du tronçon suivant) . Les articulations en ligne peuvent être appelées des articulations de rotation, et les articulations orthogonales des articulations d'élévation.

Un exemple est représenté à la figure 1. Si les articulations sont regroupées en trois endroits appelés l'épaule 101, le coude 102 et le poignet 103, on trouve successivement des articulations de rotation d'épaule 104, d'élévation d'épaule 105, de rotation de coude 106, d'élévation de coude 107, de rotation de poignet 108 et d'élévation de poignet 109 ; enfin, une dernière articulation est située sur le poignet 103 il s'agit d'une articulation de rotation de pince 110 qui commande le pivotement d'une pince constituant l'organe de préhension du robot. L'épaule 104 est fixée à une base fixe 111. En pratique, les paires d'articulations d'épaule, de coude et de poignet sont séparées par des tronçons courts, beaucoup plus courts que les tronçons appelés bras supérieur 112 et avantbras 113 qui unissent respectivement l'épaule 101 au coude 102 et le coude 102 au poignet 103. Mais dans d'autres conceptions, les tronçons peuvent avoir des longueurs plus égales.

Il est souvent utile que les bras jouissent d'une grande manoeuvrabilité afin de pouvoir se glisser à travers des environnements encombrés d'obstacles, dans des espaces étroits. Cet avantage est plus facilement atteint si les articulations sont de faible volume et si le bras ne présente pas d'aspérités importantes ou d'équipements extérieurs qui surchargent sa surface. En particulier, les fils de commande du bras et les capteurs de position des articulations sont souvent rejetés à l'extérieur du bras.

Outre qu'elle réduit la facilité de manoeuvre du bras, une telle disposition est désavantageuse pour des robots travaillant en milieu hostile, susceptibles d'être contaminés par des poussières qui se déposent sur eux : ces poussières s'accumulent plus facilement dans les recoins que les équipements externes forment inévitablement tout en rendant plus difficile le nettoyage auquel il faut procéder ensuite, ou meme complètement impossible : on utilise en général un jet d'eau à forte pression qu'il n'est pas question d'employer sur des équipements fragiles et sensibles à l'humidité.

Une bonne manoeuvrabilité du bras est facilement obtenue avec des articulations obliques, c'est-à-dire dont l'axe de rotation et l'axe d'extension du tronçon qu'elles commandent font un angle de sorte que le tronçon décrit un cône quand il est mis en rotation. Des notions sur les articulations obliques et les bras de robot qui peuvent être construits avec elles sont données dans un ouvrage de
Hirose intitulé "Biologically Inspired Robots" paru en 1993 chez Oxford University Press, et plus précisément aux pages 137 à 147 de cet ouvrage. L'auteur présente des bras formés d'une dizaine de tronçons ou plus et constate que leur manoeuvrabilité ressemble à celle d'un serpent et que des articulations de faible volume peuvent être suffisantes même pour des bras très longs, ce qui permet d'obtenir un bras fin, se glissant facilement entre les obstacles.

La raison provient des efforts exercés à l'extrémité du bras, qui sont souvent des efforts dirigés dans un plan dans lequel le bras s'étend : il peut s'agir d'efforts verticaux dus à une charge portée par le bras ou à son poids et exercés sur un bras dont les tronçons sont sensiblement orientés dans un même plan vertical. Si ces tronçons sont reliés par des articulations d'axe horizontal qui leur permettent donc de tourner tout en demeurant dans le plan vertical, ces efforts sont intégralement subis par les articulations, dont les moteurs et les freins doivent donc être conçus en conséquence. La figure 2 illustre bien cette situation : le tronçon d'extrémité 71 est chargé par un poids P transmis au tronçon précédent 72 sous forme d'un moment fléchissant M proportionnel à la longueur du tronçon 71. Ce moment M s'exerce, par l'intermédiaire d'une couronne dentée 73 permettant de lever le bras 71, sur le pignon 74 en prise avec la couronne 73 et le moteur 75, fixé au tronçon 72, qui entraîne le pignon 74 par l'intermédiaire d'un réducteur 77. Le moteur 75 est complété par un frein 76 qui retient l'arbre moteur et le pignon 74 quand le moteur 75 est au repos. Le moteur 75 et le frein 76 doivent donc résister à des moments importants, et qui le sont encore plus aux articulations de tronçons plus éloignées de l'extrémité du bras, car le moment fléchissant qui s'exerce sur eux est accru en raison du bras de levier et du poids des tronçons intermédiaires et de leurs équipements. En pratique, on ne peut pas construire de très longs bras avec de telles articulations.

Mais la situation change avec des articulations d'axe oblique, dirigées davantage dans le plan d'extension du bras : l'effort n'est subi que partiellement par les articulations, sous l'aspect d'une composante qui est même nulle si les axes de rotation sont situées dans le plan de l'effort, le reste de l'effort étant absorbé par le reste du bras et notamment par les roulements qui relient les tronçons entre eux. Ce phénomène est expliqué plus facilement à l'aide de la figure 3 : le tronçon d'extrémité, ici désigné par la référence 81, tient au tronçon précédent 82 par une articulation d'axe oblique 83 comprenant encore une couronne dentée 84 fixée au tronçon 81, un moteur 85 fixé au tronçon 82 par l'intermédiaire d'un réducteur 89, un pignon 86 entraîné par le moteur 85 et en prise avec la couronne dentée 84, et un frein 87 associé au moteur 85 pour arrêter le pignon 86 quand le moteur 85 est au repos. De plus, un roulement 88 est disposé entre les tronçons 81 et 82. Mais, alors que le roulement (non représenté) et la couronne dentée 73 de la figure 2 étaient orientés de façon à imposer une rotation d'axe horizontal au tronçon d'extrémité 71, l'axe de rotation correspondant du tronçon d'extrémité 81 est oblique et fait un angle aigu avec ce tronçon.

Le moment fléchissant M est alors transmis au tronçon précédent 82 en grande partie par le roulement 88, et même en totalité si le tronçon d'extrémité 81 est à ses positions extrêmes dans un plan vertical. Le moteur 85 et le frein 87 sont toujours peu chargés. On remarque enfin que la rotation du tronçon d'extrémité 81 est mesurée par un capteur de position 90 tel qu'un résolveur, fixé à l'extérieur du tronçon précédent 82 et dont l'axe est muni d'un pignon 91 qui engrène avec une couronne dentée 92 établie sur le pourtour du tronçon 81. Cependant, cet avantage de soulagement des articulations à axe oblique est plus prononcé si leur angle, ou le cône que le tronçon entraîné décrit, est petit. Dans l'ouvrage mentionné, un cône de demi-angle au sommet (C sur la figure 3) égal à 30a est seul considéré.

L'auteur explique que cela est bien suffisant pour obtenir une manoeuvrabilité suffisante pourvu que les tronçons soient nombreux. Un objectif poursuivi avec la présente invention est pourtant de restreindre le nombre de tronçons sans perdre de la manoeuvrabilité du bras. Les inventeurs voudraient par exemple employer, pour de nombreuses applications, des bras de robot à sept axes, déjà très appréciés en raison de leur simplicité. Si cependant on veut remplacer les articulations orthogonales (du genre représenté à la figure 2) des dispositifs antérieurs par des articulations obliques, celles qui sont décrites dans l'ouvrage mentionné ci-dessus ne conviennent pas car il faudrait décrire des mouvements plus importants, c'est-à-dire des cônes d'angle au sommet plus grand, de l'ordre de 1200, pour maintenir une souplesse suffisante du brais, ce qui imposerait des moteurs et des réducteurs plus puissants et donc plus volumineux pour être capables de subir de plus grands efforts. La disposition de la figure 3, où le moteur 85, son frein 87 et son réducteur 89 sont empilés à l'intérieur du tronçon creux 82, devient alors problématique sauf à élargir le bras à cet endroit.

L'invention consiste à modifier les articulations obliques connues pour les rendre aptes à faire parcourir des cônes de grande ouverture aux tronçons, sans que leur encombrement devienne excesif.

Le moyen essentiel consiste à disposer une transmission entre le moteur et son réducteur. Une liberté beaucoup plus grande pour aménager l'articulation est alors obtenue, ce qui permet de la faire tenir dans un volume réduit malgré l'addition de la transmission. De plus, la position des capteurs et des fils de commande peut être améliorée.

Pour résumer, l'invention concerne sous sa forme la plus générale une articulation entre deux tronçons de robot, dont un tronçon porteur et un tronçon entraîné, le tronçon entraîné étant mobile en décrivant un cône, comprenant un moteur placé sur le tronçon porteur et faisant tourner un arbre moteur, et un réducteur relié au moteur et au tronçon entraîné par un axe de sortie, caractérisée en ce qu'elle comprend aussi une transmission entre le moteur et le réducteur, l'axe de sortie du réducteur et l'arbre moteur étant mutuellement désaxés.

Avantageusement, le réducteur est placé entre le tronçon entraîné et au moins un capteur chargé de mesurer des rotations autour du cône du tronçon entralné, le tronçon entraîné comprenant un bout d'arbre traversant le réducteur et s'étendant jusqu'au capteur.

Le capteur peut être logé dans un boîtier contenant aussi le moteur de la transmission et comprenant une ouverture occupée par le réducteur l'ensemble est alors protégé contre l'humidité occasionnée par des lavages de décontamination.

La transmission peut consister par exemple en un engrenage conique ou une courroie tendue entre deux poulies.

Ces caractéristiques de l'invention ainsi que d'autres vont maintenant être décrites à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif
- la figure 1 représente un bras de robot à sept
axes conforme à l'art antérieur ;
- les figures 2 et 3 représentent respectivement
une articulation à axe orthogonal et une
articulation oblique
- la figure 4 est une illustration schématique de l'invention
- la figure 5 est une illustration complète de l'invention
- la figure 6 illustre schématiquement une autre
réalisation de l'invention
- et la figure 7 est un bras de robot à sept axes
équipé conformément à l'invention.

On passe donc au commentaire des figures 4 et 5. Le tronçon de l'articulation considérée qui est le plus proche de la base du bras est désigné par la référence 1 et sera appelée tronçon porteur dans la description qui suit. L'autre tronçon de l'articulation, qui décrit le mouvement dans un cône quand l'articulation est mise en route, est appelé tronçon entraîné et porte la référence 2. Le tronçon porteur 1 est terminé par un boîtier 3 qui contient un moteur 4, un frein 5, une transmission 6, et qui se termine par une ouverture 7 qu'occupe un réducteur 8 du commerce composé essentiellement d'une partie amont 9 fixée au boitier 3 et au tronçon porteur 1, d'une partie aval 10 fixée au tronçon entraîné 2 et d'une partie intermédiaire 11 comprenant essentiellement un arbre creux et fixé à une poulie entraînée 12 de la transmission 6. Ces trois parties sont reliées entre elles par des roulements et tournent à des vitesses différentes par l'intermédiaire d'engrenages non représentés pour communiquer la vitesse souhaitée à la partie aval 10 en fonction de la vitesse de la partie intermédiaire 11. L'axe A du réducteur 8 est un axe de rotation commun aux parties aval et intermédiaire 10 et 11. C'est aussi l'axe du cône parcouru par le tronçon entraîné 2 ; l'axe d'extension du tronçon entraîné 2 est désigné par la référence B et fait un angle de 600 avec l'axe A.

Le moteur 4 entraîne un arbre moteur 14 creux qui entraîne lui-meme une poulie motrice 15 située dans le même plan que la poulie entraînée 12 et qui lui est reliée par une courroie 16 de transmission de mouvement. Les deux poulies 12 et 15 et la courroie 16, qui sont toutes trois crantées pour interdire les glissements, composent donc la transmission 6 qui commande la rotation du tronçon entraîné 2 par le moteur 4 autour de l'axe A par l'intermédiaire du réducteur 8. Un résolveur 17 faisant office de capteur de position du moteur 4 est placé à l'intérieur de l'arbre moteur 14 de façon à mesurer la rotation de la poulie motrice 15. Il est fixé à un tube 18 garnissant l'intérieur de l'arbre moteur 14 sans contact avec lui et fixé par contre à une cloison 19 interne au boîtier 3 et qui sert à délimiter une chambre dans laquelle le moteur 4, le frein 5 et l'arbre moteur 14 sont contenus, ce dernier étant en outre soutenu par une paire de roulements 20.

La partie intermédiaire 11 en forme d'arbre creux du réducteur 8 laisse dégagé un espace important au centre de celui-ci, qu'un bout d'arbre creux 21 fixé au tronçon entraîné 2 traverse. L'extrémité du bout d'arbre creux 21 est munie d'une roue dentée 22 qui engrène avec une roue dentée 30 de même diamètre fixée à l'axe d'un résolveur 23 et, par l'intermédiaire d'engrenages 24 multiplicateurs de vitesse, avec l'axe d'un autre résolveur 25. Les résolveurs 23 et 25 font tous deux office de capteurs de position pour mesurer les rotations du bout d'arbre creux 21 et du tronçon entraîné 2, mais, alors que le premier donne exactement la valeur de la rotation, l'autre offre une valeur multipliée, c est-à-dire une plus grande précision.

Le désaxage de l'arbre moteur 14 et de l'axe A du réducteur 8 permet donc de loger facilement les résolveurs 23 et 25 dans le boîtier 3, où ils sont bien protégés. Des joints d'étanchéité 26 situés à la jonction des différentes parties tournantes du réducteur 8 et vendus avec lui contribuent en même temps à garantir l'étanchéité du boîtier 3. Des fils de commande 27 courant le long du bras du robot peuvent s'étendre à l'intérieur des tronçons 1 et 2, qui sont creux, à travers le boîtier 3 et le bout d'arbre creux 21 qui prolonge le creux du tronçon entraîné 2. Tous les équipements sont donc contenus dans les tronçons 1 et 2, dont la forme d'ensemble reste effilée et lisse, même à l'endroit de l'articulation ; le désaxage ne produit qu'un léger allongement du bras.

La figure 6 représente schématiquement une conception équivalente où la transmission 6 est remplacée par une transmission 36 dans laquelle la courroie 16 a disparu et les poulies sont remplacées par des pignons coniques 37 et 38 respectivement fixés à l'arbre moteur 14 et à la partie intermédiaire 11 du réducteur 8. Le reste de la structure de l'articulation est inchangé, si ce n'est que le moteur 4 et l'arbre moteur 14 sont couchés parallèlement à la direction d'extension du tronçon porteur 1. Les deux conceptions sont donc peu différentes et l'une ou l'autre pourra être préférée selon l'agencement souhaité pour l'articulation.

Enfin, la figure 7 illustre un bras de robot à sept axes équipé conformément à l'invention on y trouve, à partir d'une base fixe 40, une première articulation en ligne 41 de rotation d'épaule, une première articulation oblique 42 d'élévation d'épaule, une deuxième articulation en ligne 43 de rotation de coude, une deuxième articulation oblique 44 d'élévation de coude, une troisième articulation en ligne 45 de rotation de poignet, une troisième articulation oblique 46 d'élévation de poignet et une quatrième articulation en ligne 47 de rotation de pince. Ces articulations sont reliées entre elles par sept tronçons mobiles 48 à 54 successifs dont le dernier a une extrémité libre occupée par une pince 55. Mais il est clair que l'invention peut servir dans des bras de bien d'autres formes, de même qu'elle peut incorporer d'autres catégories de transmission entre moteur et réducteur.

Le frein 5 est un frein à manque de courant, bloqué quand le moteur 4 n'est pas alimenté et libre dans le cas contraire.

Il est avantageux de mesurer les rotations du tronçon entraîné 2 sur le bout d'arbre creux 21 qui est directement fixé à la partie aval 10 du réducteur 8 : en effet, on peut espérer obtenir un pilotage plus précis qu'en mesurant la rotation d'une partie plus éloignée du tronçon entraîné 2, qui pourrait être déplacée par des jeux ou des déformations. La précision ainsi obtenue est renforcée par les engrenages multiplicateurs 24, qu'il serait malaisé de disposer hors du boîtier 3, comme dans l'articulation de la figure 3.

Claims

REVEND I CAT IONS

1. Articulation entre deux tronçons de robot, dont un tronçon porteur (1) et un tronçon entraîné (2), le tronçon entraîné étant mobile en décrivant un cône, comprenant un moteur (4) placé sur le tronçon porteur et faisant tourner un arbre moteur (14), et un réducteur (8), relié au moteur, et au tronçon entraîné par un axe de sortie (10, A), caractérisée en ce qu'elle comprend une transmission

(6, 36) entre le moteur et le réducteur, l'axe de sortie du réducteur et l'arbre moteur étant mutuellement désaxés.

2. Articulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réducteur (8) est placé entre le tronçon entraîné (2) et au moins un capteur (23, 25) chargé de mesurer des rotations autour du cône du tronçon entraîné, le tronçon entraîné (2) comprenant un bout d'arbre (21) traversant le réducteur et s'étendant jusqu'au capteur.

3. Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le capteur (23, 25) est logé dans un boîtier (3) contenant aussi le moteur (4), la transmission (6), et comprenant une ouverture (7) occupée par le réducteur (8).

4. Articulation selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un engrenage multiplicateur (24) entre le capteur (25) et le bout d'arbre (21).

5. Articulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bout d'arbre (21) est un tube prolongeant une portion creuse du tronçon entraîné (2).

6. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la transmission (36) comprend un engrenage conique.

7. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la transmission comprend une courroie (16) tendue entre deux poulies (12, 15).

8. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (17) chargé de mesurer des rotations de l'arbre moteur (14) et placé dans l'arbre moteur.