FR2807959A1 - Actionneur concu pour des structures articulees, telles que des membres de robot marcheur - Google Patents

Abstract

L'actionneur est une combinaison d'un système vis-écrou (3, 4) et d'un système bielle-manivelle (16, 19), complétée par des dispositions pour remédier aux défauts de montage des pièces et empêcher le développement de contraintes internes : un rail (11) sur lequel coulisse un chariot (7) accompagnant l'écrou est mobile latéralement, et le chariot est mobile sur l'écrou dans l'autre direction transversale; et l'axe d'articulation (17) des biellettes (16) à la manivelle (19) peut tourner autour d'un pivot (21).Cet actionneur léger convient particulièrement à des jambes de robot bipède.

Description

ACT,IONNEUR <B>CONÇU POUR DES STRUCTURES ARTICULÉES,</B> TET.LES <B>QUE DES MEMBRES DE ROBOT MARCHEUR</B> Le sujet de cette invention est d'abord système actionneur conçu pour des structures articulées, puis des structures articulées, comme membres de robots marcheurs, équipées de ces actionneurs.

Les robots mobiles peuvent être répartis en familles d'aspect très différent. Parmi celles qui méritent plus particulièrement l'attention, on doit mentionner les robots humanoïdes qui sont conçus pour se déplacer en marchant, car ils conviennent bien pour se déplacer sur le sol naturel ou dans des bâtiments usuels comprenant des obstacles tels que des escaliers, des dénivellations brusques ou des passages étroits et sinueux. développement de ces robots marcheurs se heurte toutefois à des difficultés provenant de la complexité mécanique de la jambe humaine et de la commande de la démarche. Les jambes de l'homme présentent en effet des articulations assez nombreuses pour lui permettre de se déplacer sur des terrains irréguliers ou inégaux sans perdre l'équilibre, ce qui impose une coordination des mouvements, assez longue à acquérir, pour maintenir un équilibre dynamique.

problème du maintien de l'équilibre est encore compliqué ' le robot doit porter une charge lourde a une portion supérieure, située à l'équivalent du tronc ou de cage thoracique de l'homme. Un brevet décrivant un robot bipède typique est le 'brevet américain 5 159 988, où les jambes artificielles sont composés de segments et d'articulations les joignant, et particulièrement d'un pied, d'une cheville à cardan, d'une 'ambe (proprement dite), d'un genou à articulation simple, d'une cuisse et d'une hanche à cardan, est reliée à un tronc, ou corps principal, du robot. Si on examine plus particulièrement le contenu ce document, on voit que les articulations de cheville, de genou et de hanche sont particulièrement volumineuses, notamment aux articulations doubles équipées d'un cardan. La commande de chaque axe des articulations est faite par un moteur équipé réducteur qui fait tourner cet axe. Dans le cas d'un cardan, un des moteurs est situé devant un des axes cardan et l'entraîne directement, alors que l'autre moteur est situé sur le segment adjacent de la jambe et entraîne l'autre axe par l'intermédiaire d'une courroie. Ces systèmes d'entraînement demandent couples importants et des moteurs de puissance conséquente et donc volumineux. Le moteur placé à côte du cardan rend l'articulation particulièrement encombrante. Enfin, la disposition dissymétrique moteurs est peu harmonieuse.

Un objet de l'invention est de proposer un actionneur simple, commode et léger, convenant pour équiper des articulations situées entre deux éléments de structure tels que les segments d'un robot bipède ou d'un engin du même genre, alors même que des efforts importants sont à fournir. - Un autre objet de l'invention - de fournir un actionneur universel, c'est-à-dire qui convienne pour toutes les articulations de jambe d'un robot mobile et qui soit toujours sensiblement placé de la même façon par rapport à l'articulation. Les actionneurs de la jambe sont de préférence identiques par leur constitution, nonobstant des variations éventuelles de dimensions.

L'actionneur est caractérisé d'abord par une combinaison d'un système à vis et écrou et un système à bielle et manivelle ; le moteur fait tourner la vis et la manivelle fait tourner 1 axe d'articulation. Ces deux mécanismes sont connus séparément depuis très longtemps pour effectuer des conversions de mouvements, et le mécanisme à et écrou a déjà retenu l'attention en robotique en raison de sa grande réduction de vitesse, de sa précis' et de sa résistance nominale aux efforts ; et la manivelle forme moyen robuste et commode de convertir les poussées des bielles en rotations de l'articulation. Mais vis comme les bielles sont des pièces peu rigides et aptes à se déformer facilement par flambage ; et les incertitudes de dimensions de position de montage des pièces de ces mécanismes font apparaltre des jeux ou des précontraintes, des excentrements, des porte-à-faux, etc. qui engendrent des contraintes supplémentaires considérables en service. Ces facteurs défavorables conduisent les fabricants de systèmes de transmission à vis et écrou à admettre que leurs produits ne résistent, dans des conditions réelles d'utilisation, qu'à une fraction de leur résistance nominale, obtenue par calcul ou me@rrée dans des bonnes conditions d'essai. Tout cela explique pourquoi de tels mécanismes n'ont pas connu succès auquel on aurait pu s'attendre et que les actionneurs volumineux du brevet 5 159 988 n'ont pas véritablement été supplantés.

La combinaison des mécanismes vis et écrou à bielle et manivelle est faite d'après l'invention, en les montant sur les éléments de structure reliés par l'articulation de façon que les défauts montage se corrigent d'eux-mêmes, ce qui fait disparaître les efforts supplémentaires imprévisibles et surtout les efforts dissymétriques responsables du flambement. Les pièces de l'actionneur ne sont guère soumises qu'aux efforts prévus par calcul pour commander les mouvements d'articulation et peuvent donc être prévues assez fines.

Ces avantages ne dépendent pas des structures articulées reliées par l'actionneur, et c'est pourquoi l'invention est relative d'abord à un actionneur en tant que tel. Toutefois, il est certain que cet actionneur sera particulièrement avantageux sur les membres de robot et particulièrement les jambes de robots marcheurs, qui seront simplifiées, allégées et auront un aspect plus agréable. L'application de l'actionneur à ces robots est donc un autre sujet de l'invention.

De façon plus explicite, l'actionneur, agissant sur une articulation entre un premier élément <B>de</B> structure et un seconà élément de structure, comprend un moteur fixé au premier élément, une vis que le moteur fait tourner, un écrou engagé sur la v@É-r et il original en ce qu'il comprend un chariot assujetti à l'écrou en direction de la vis, une glissiere sensiblement parallèle à la vis, fixée au premier élément et- sur laquelle le chariot est monté, une paire de biellettes parallèles, s'étendant symétriquement à la vis et articulées au chariot par une extrémité et à un axe de basculement de l'articulation assujetti au second élément par l'autre extrémité, l'axe de basculement étant sensiblement perpendiculaire à la vis, le chariot étant assujetti à l'écrou avec une liberté de translation perpendiculairement à la vis et l'axe étant assujetti à l'articulation avec une liberté de rotation.

Sous une forme particulière de l'actionneur, la glissière est fixée au premier élément par liaison permettant un réglage de position de la glissière sur le premier élément ; notamment, il est préconisé que la glissière soit plate et portée sur une surface plate du premier élément, la liaison comprenne une paire de vis de fixation à tête plate engagées dans des trous taraudés du premier élément à travers encoches de la glissière dans lesquelles elles jouent et le chariot soit assujetti à l'écrou avec une liberté de translation perpendiculairement à la surface plate. Par ailleurs, on conseille que l'axe soit assujetti a l'articulation par un pivot autour duquel l'axe est articulé.

Les divers aspects d'une réalisation particulière de l'inventions et de certaines de ses applications préférées seront maintenant décrz-.t-s, au moyen des figures que voici # la figure 1 est une vue genérale d'un actionneur, # les figures 2 et 3 représentent deux détails de l'actionneur, # la figure 4 est une vue d un actionneur double, # la figure 5 illustre un robot équipé des actionneurs précédents, # et les figures 6 et 7 représentent deux portions de ce robot.

Sur les figures 1 à 3 est représenté un actionneur simple conforme à l'invention. I1 est entrainé par un moteur 1 meut en rotation, au-delà d'une transmission 2, une vis sans fin 3 sur laquelle un écrou 4 est engagé. bague 5 est solidaire de l'écrou 4, et ils retiennent entre eux un arceau 6 uni à un chariot 7 ; l'arceau est muni de deux ergots 8 qui pénètrent dans deux rainures 9, opérées à travers deux portions opposées de périphérie de l'écrou 4 en direction de la vis 3. Le chariot 7 porte deux paires de galets 10 qui permettent de le guider sur un rail 11 posé sur une surface plate 12 d'un segment 13 de structure (ici, un membre artificiel de robot) formé pour la plus grande partie d'une plaque plane ; le rail 11 faisant office de glissière est fixé au segment 13 par une paire de vis à tête plate 14 engagées dans des taraudages du segment 13 et jouant dans des encoches 56 du rail 11, à travers lesquelles elles sont engagées.

L'arceau 6 comprepd encore deux manetons 15 latéraux opposés et en prolongement auxquels sont articulées deux biellettes 16 (une seule étant

représentée <SEP> à <SEP> la <SEP> figure <SEP> 1) <SEP> dont <SEP> la <SEP> dirion
<tb> d'extension <SEP> est <SEP> voisine <SEP> de <SEP> celle <SEP> de <SEP> la <SEP> sans <SEP> fin <SEP> 3
<tb> et <SEP> du <SEP> rail <SEP> 11 <SEP> ; <SEP> les <SEP> extrémités <SEP> des <SEP> biellettes <SEP> 16 <SEP> qui
<tb> sont <SEP> opposées <SEP> aux <SEP> manetons <SEP> 15 <SEP> sont <SEP> articulées <SEP> aux <SEP> deux
<tb> bouts <SEP> d'un <SEP> axe <SEP> 17 <SEP> engagé <SEP> à <SEP> travers <SEP> un <SEP> trou <SEP> oblong <SEP> 18
<tb> d'un <SEP> second <SEP> segment <SEP> 19 <SEP> de <SEP> la <SEP> structure, <SEP> retenu <SEP> au
<tb> premier <SEP> segment <SEP> 13 <SEP> par <SEP> une <SEP> articulation <SEP> 20. <SEP> De <SEP> plus, <SEP> un
<tb> pivot <SEP> 21 <SEP> est <SEP> engagé <SEP> dans <SEP> le <SEP> second <SEP> segment <SEP> 19 <SEP> et
<tb> traverse <SEP> le <SEP> trou <SEP> oblong <SEP> 18 <SEP> ainsi <SEP> que <SEP> l' <SEP> 17 <SEP> en <SEP> lui
<tb> permettant <SEP> de <SEP> pivoter <SEP> dans <SEP> le <SEP> trou <SEP> oblong <SEP> 18. <SEP> Le <SEP> second
<tb> segment <SEP> 19 <SEP> est <SEP> de <SEP> forme <SEP> coudée <SEP> entre <SEP> l'axe <SEP> 17 <SEP> et
<tb> l'articulation <SEP> 20 <SEP> et <SEP> constitue <SEP> là <SEP> une <SEP> manivelle.
<tb> Quand <SEP> le <SEP> moteur <SEP> 1 <SEP> tourne, <SEP> la <SEP> rotation <SEP> de <SEP> la
<tb> ' <SEP> 3 <SEP> élève <SEP> ou <SEP> abaisse <SEP> l'écrou <SEP> 4 <SEP> et <SEP> concomitamment <SEP> le
<tb> chariot <SEP> 7, <SEP> ce <SEP> qui <SEP> déplace <SEP> encore <SEP> les <SEP> biellettes <SEP> 16 <SEP> et
<tb> fait <SEP> tourner <SEP> le <SEP> second <SEP> segment <SEP> 19 <SEP> rapport <SEP> au
<tb> premier <SEP> 13. <SEP> Le <SEP> fonctionnement <SEP> convenable <SEP> de
<tb> 'actionneur, <SEP> sans <SEP> hyperstaticité <SEP> donc <SEP> sans
<tb> contraintes <SEP> internes <SEP> superflues, <SEP> est <SEP> toutefois <SEP> garanti
<tb> d'autres <SEP> moyens <SEP> précédemment <SEP> décrits. <SEP> Le <SEP> rail <SEP> 11
<tb> est <SEP> ainsi <SEP> mobile <SEP> en <SEP> direction <SEP> latérale <SEP> si <SEP> les <SEP> vis <SEP> à
<tb> tête <SEP> plate <SEP> 14 <SEP> sont <SEP> desserrées. <SEP> Au <SEP> cours <SEP> un <SEP> réglage
<tb> préliminaire, <SEP> on <SEP> fait <SEP> parcourir <SEP> une <SEP> grande <SEP> partie <SEP> de <SEP> sa
<tb> course <SEP> totale <SEP> au <SEP> chariot <SEP> 7, <SEP> de <SEP> manière <SEP> les <SEP> galets
<tb> 10 <SEP> orientent <SEP> le <SEP> rail <SEP> 11 <SEP> parallèlement <SEP> à <SEP> la <SEP> sans <SEP> fin
<tb> 3, <SEP> après <SEP> quoi <SEP> les <SEP> vis <SEP> à <SEP> tête <SEP> plate <SEP> 14 <SEP> sont <SEP> serrées, <SEP> et
<tb> l'actionneur <SEP> devient <SEP> apte <SEP> à <SEP> assurer <SEP> sa <SEP> fonction <SEP> sans
<tb> qu'on <SEP> craigne <SEP> que <SEP> des <SEP> contraintes <SEP> ne <SEP> soient <SEP> produites
<tb> dans <SEP> l'écrou <SEP> 4 <SEP> ou <SEP> le <SEP> chariot <SEP> 7 <SEP> à <SEP> cause <SEP> d <SEP> un <SEP> décalage
<tb> latéral <SEP> entre <SEP> la <SEP> vis <SEP> sans <SEP> afin <SEP> 3 <SEP> et <SEP> le <SEP> rail <SEP> 11. <SEP> Le
<tb> mouvement <SEP> correcteur <SEP> d'orientation <SEP> du <SEP> rail <SEP> 11 <SEP> est possible puisqu'il est posé sur la surface plate@- -2- du premier segment 13 et que les vis à tête plate 14 n'exercent pas de centrage et peuvent donc être serrées sur tout endroit du rail 11, dont la face apparente est aussi plate.

Un autre mouvement correcteur est offert par la liaison particulière entre l'écrou 4 et l'arceau 6 : les ergots 8, n'entrant pas jusqu'au fond des rainures 9, permettent à l'arceau 6 de se déplacer par rapport à l'écrou 4 si la vis sans fin 3 est orientée obliquement, en s'approchant ou s'éloignant de la surface plate 12 du segment 13. Enfin; le pivotement libre de l'axe 17 autour du pivot 21, oblique à la sans fin 3, permet de corriger une inclinaison éventuelle du chariot 7 et de ses manetons 15, ou fférence de longueur des biellettes 16.

Ces trois raffinements permettent éliminer respectivement les efforts internes latéraux, frontaux et axiaux tout en éliminant fférences de changement des biellettes 16. La précision du guidage est cependant maintenue puisque le jeu dans l'actionneur en direction de la vis 3 est très faible ; en particulier, l'arceau 6 est retenu sans jeu entre la bague 5 et l'écrou 4. L'actionneur est alors parfaitement isostatique, si bien qu'aucun effort interne provenant d'erreurs ou d'imprécisions de montage n'y est développé et qu'il peut être construit plus légèrement pour un effort nominal égal à transmettre.

D'autres systèmes existent pour garantir l'isostaticité de la transmission, notamment si l'arceau 6 est mobile par rapport à l'écrou dans,les directions latérale et frontale à la fois.

La figure 4 montre l'emploi combiné une paire de ces actionneurs (31 et 32) entre deux éléments de structure doublement articulés, comme un pied de robot et une plaque 33 de structure de jambe 'un cardan 57 relie entre eux. Les actionneurs sont montés derrière la plaque 33, côte à côte à gauche et à droite de la structure de jambe des deux côtés d'un plan sagittal passant par le cardan 57 ; ils sont paralleles entre eux. Leurs moteurs 1 sont en haut, sous l'articulation de genou, et leurs vis 3 et biellettes 16 s'étendent vers le bas, jusqu'à deux articulations 35 et 36 dans lesquelles les axes 17 des bielettes sont retenus ; les articulations 35 et 36 se composent de chapes 37 fixées au pied 30 et de paliers 38 articulés aux chapes 37 par des pivots 39 dirigés vers l'avant. Les chapes 37 jouent le même rôle que les trous oblongs 18 et les pivots 39 assurant la même fonction que les pivots 21. Cette structure se prête à deux modes de fonctionnement préférés : si les actionneurs 31 32 sont de la même manière, l'avant du pied 30 s'élève ou s'abaisse ; et s'ils sont mus de quantités différentes, notamment opposées, ou si un seul est mû, le pied 30 s'incline sur le côté. L'inclinaison est rendue possible par la rotation des paliers 38 sur les chapes 37. Une commande facile de l'orientation du pied 30 est ainsi accomplie, et on remarque que même la présence d'un deuxième actionneur ne rend pas la structure très volumineuse. - Un robot bipède et anthropomorphe-@est représenté à la figure 5 ; il comprend une charge utile 40, une structure de tronc 41 portant la charge utile 40, une structure de bassin 55 soutenant la structure de tronc 41 par un cardan d'articulation lombaire 42 et deux jambes 43 et 44 soutenant la structure bassin 55 par des articulations de hanche 45 ; les jambes 43 et 44 comprennent encore des plaques 46 de structure de cuisse qui s'étendent des articulations de hanche 45 aux articulations de genou 34, où elles sont unies aux éléments déjà décrits de la figure 4.

Des actionneurs semblables à ceux qui ont ' décrits sont seuls utilisés pour commander les mouvements du robot, ainsi qu'il appert mieux des figures 6 et 7. Comme l'articulation lombaire 42 est double, elle est commandée par deux actionneurs 47 et parallèles et symétriques, à la façon actionneurs 31 et 32 des articulations de cheville. Leurs moteurs 1 sont fixés à la structure de tronc , et leurs vis sans fin 3 et biellettes 16 s'étendent vers le bas, au dos du robot, jusqu'à des extrémites libres de bras 49 d'un levier bifurquant 50 qui est fixé à la structure de bassin 55. Le cardan de l'articulation lombaire 42 s'étend entre le n#ud du levier bifurquant 50 et la structure de tronc 41. Si actionneurs 47 et 48 sont mus de la même façon, les bras 49 resteront à un même niveau et la charge utile basculera entre l'avant et l'arrière ; sinon, elle basculera de côté. Les bras 49 sont articulés aux biellettes 16 et à leurs axés 17 par des dispositif à chapes 37 articulées à des paliers 38 semblables 'à=-e-eux de la figure 4.

La plaque 46 de structure de cuisse porte deux actionneurs 52 et 53 pour commander respectivement les articulations de genou 34 et de hanche 45. Contrairement aux situations précédentes ils sont dissymétriques et à des niveaux différents, ce qui n'est pas gênant puisqu'ils travaillent indépendemment sur des articulations simples respectives. Leur description est strictement conforme à celle des figures 1 à 3.

Dans toutes ces réalisations, des transmissions 2 de genres différents peuvent être choisies pour coupler les vis sans fin 3 arbres de sortie des moteurs 1, mais on aura constaté que des systèmes à courroie crantée tendue entre deux poulies en général été adoptés. De telles transmissions. permettent de décaler les axes de l'arbre sortie et la vis sans fin et offrent une grande latitude pour disposer les parties de l'actionneur. Des renvois angle peuvent être introduits, comme on le voit à la figure 6, où les arbres de sortie des moteurs 1 sont orientés vers le haut mais les vis sans fin 3 étendent vers le bas, à côté des moteurs 1. Cette disposition réduit l'encombrement longitudinal de actionneur et convient aux éléments de structure courts et larges, comme la structure de tronc 41 ; mais comme les jambes sont formées d'éléments plutôt longs et fins, il est en général avantageux que les moteurs 1 et les vis sans fin 3 soient en prolongement, comme à la figure 1.

Claims (1)

1. - - REVENDICATIONS <B>1.</B> Actionneur d'une articulation entre un premier élément de structure et un second elément de structure, comprenant un moteur fixé premier élément, une vis (3) que le moteur (1) fait tourner, un écrou (4) engagé sur la vis, caractérisé en ce qu'il comprend un chariot (6, 7) assujetti à 'écrou en direction de la vis, une glissière (11) sensiblement parallèle à la vis, fixée au premier élément et sur laquelle le chariot est monté, une paire de biellettes (16 parallèles, s'étendant symétriquement ' la vis et articulées au chariot par une extrémité et à un axe de basculement (17) de l'articulation assujetti au second élément (19) par l'autre extrémité, 'axe de basculement étant sensiblement perpendiculaire à la vis le chariot étant assujetti à l'écrou avec une liberté de translation perpendiculaire à vis et l' étant assujetti à l'articulation avec liberté de rotation. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la glissière (11) fixée au premier élément par une liaison (14) permettant un réglage de position de la glissière sur le premier élément. 3. Actionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la glissière est plate et portée sur une surface plate (12) du premier élément (13), en ce que la liaison comprend une paire de vis de fixation à tête plate (14) engagées dans des trous taraudés du premier élément à travers 'des encoches (56) de la glissière (11) dans lesquelles elles jouent, et le chariot (6, 7) est assujetti à l'écrou avec une hiberté simple de translation perpendiculairement ' la surface plate. 4. Actionneur selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le chariot est relié à la glissière par deux paires de galets (10) de part et d autre de la glissière. 5. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que l'axe basculement (17) est assujetti au second élément par un pivot (21) autour duquel ledit axe est articulé. 6. Membre de robot, caractérisé en ce qu'il comprend un actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes entre deux segments articulés entre eux dudit membre, lesdits segments correspondant auxdits éléments de structure. 7. Membre de robot, caractérisé en ce qu'il comprend une paire d'actionneurs (31, 32) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 entre deux segments (30, 33) dudit membre reliés par un joint de cardan (57), lesdits segments correspondant auxdits éléments de structure et lesdits actionneurs étant disposés parallèlement et de part et d'autre d'un plan passant par le cardan. 8. Membre de robot comprenant un pied (30), une jambe (33) articulée au pied par un joint de cardan ( ), une cuisse (46) articulée à la jambe et à un bassin (55) par des articulations simples (45), caractérisé en ce qu'il comprend une paire actionneurs selon la revendication 7 entre la jambe et le pied et deux actionneurs selon l'une quelconque des- revendications 1 à 5 entre la cuisse et la jambe et entre la cuisse et le bassin, lesdits deux actionneurs ayant des moteurs (1) montes sur la cuisse. 9. Robot bipède comprenant un tronc, un bassin et deux membres inférieurs, caractérisé en ce que les membres inférieurs sont conformes à la revendication 8 et en qu'une paire d'actionneurs selon la revendication 7 est disposée entre le bassin et un tronc (41), qui sont reliés par un joint de cardan (42).