FR2835579A1

FR2835579A1 - Dispositif de deplacement spherique d'element

Info

Publication number: FR2835579A1
Application number: FR0201273A
Authority: FR
Inventors: Jean Pierre Friconneau; Mourad Karouia
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-08
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: EP1476282A1; FR2835579B1; WO2003066288A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de déplacement d'au moins un élément (2) dans l'espace, le dispositif comprenant l'élément à déplacer (2) ainsi qu'un élément fixe (4) relié à l'élément à déplacer (2) par l'intermédiaire de trois bras (6a, 6b, 6c) comportant chacun une pluralité de segments (8, 14, 18, 22) reliés entre eux au moyen de trois liaisons (10, 16, 20) autorisant chacune au moins un degré de liberté de rotation selon un axe, les axes (10a, 16a, 20a) des liaisons (10, 16, 20) de chacun des bras (6a, 6b, 6c) étant concourants en un point fixe (P) autour duquel l'élément à déplacer (2) est apte à décrire un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté. Selon l'invention, pour chaque bras (6a, 6b, 6c) du dispositif (1), la somme des degrés de liberté autorisés par les liaisons (10, 16, 20), est supérieure ou égale à cinq.Application du dispositif au domaine des poignets endoscopiques de robot chirurgical.

Description

DISPOSITIF DE DEPLACEMENT SPHERIQUE D'UN ELEMENT
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des dispositifs de déplacement d'un élément, comprenant l'élément à déplacer ainsi qu'un élément fixe relié à l'élément à déplacer par l'intermédiaire de trois bras, l'élément à déplacer étant apte à décrire un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté autour d'un point fixe.

L'invention concerne en outre l'application de ce type de dispositif, également appelé (c mécanisme parallèle orientable à trois degrés de liberté , au domaine des robots utilisés en endoscopie, destinés à recréer les mouvements de la main d'un chirurgien.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les mécanismes parallèles sont habituellement constitués d'un élément à déplacer et d'un élément fixe, reliés entre eux par autant de bras que de degrés de liberté associés à l'élément à déplacer.

Dans le cas particulier du domaine de l'invention où le dispositif comporte un élément à déplacer apte à décrire un mouvement de rotation

sphérique à trois degrés de liberté autour d'un point fixe, le dispositif comporte généralement trois bras de structure complexe, reliant séparément l'élément à déplacer à l'élément fixe.

Dans ce domaine spécifique, plusieurs réalisations ont déjà été proposées.

On connaît tout d'abord des dispositifs mettant en oeuvre des liaisons rotule entre l'élément à déplacer et l'élément fixe, ce type de liaison permettant en effet d'engendrer un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté.

Cependant, le problème majeur afférant à l'emploi de liaisons rotule dans de tels dispositifs, est caractérisé par l'inexistence de moyens satisfaisants susceptibles de motoriser ce type de liaisons.

De l'art antérieur, on connaît également un mécanisme parallèle orientable à trois degrés de liberté, utilisé pour déplacer et positionner des moyens du type caméra vidéo.

Dans ce mécanisme, une plate-forme mobile et une plate-forme fixe sont reliées entre elles par l'intermédiaire de trois bras identiques. Chacun de ces bras est composé d'une pluralité d'organes de structure reliés entre eux au moyen de trois liaisons similaires du type liaison pivot, également appelée couple cinématique rotoïde)).

Le mécanisme comprend par conséquent neuf liaisons pivot autorisant chacune un degré de liberté, et dont les axes sont concourants en un point fixe

fictif, correspondant au centre de la rotation sphérique de la plate-forme mobile.

Néanmoins, il s'avère que pour assurer le bon fonctionnement d'un tel mécanisme, des contraintes géométriques, concernant notamment le positionnement des liaisons les unes par rapport aux autres, doivent nécessairement être strictement satisfaites. Ainsi, pour éviter un dysfonctionnement du mécanisme, il est impératif de respecter des tolérances très faibles pour l'ensemble des éléments constitutifs du mécanisme, ce qui engendre par conséquent des coûts importants et des difficultés d'assemblage.

Lors d'un mouvement de la plate-forme mobile, on s'est en effet aperçu qu'en cas de nonrespect d'une convergence stricte des axes des liaisons en un point fixe, le mécanisme était susceptible de se bloquer, un tel blocage pouvant provoquer son endommagement, voire sa détérioration totale.

EXPOSÉ DE L'INVENTION
Le but de l'invention est donc de présenter un dispositif de déplacement d'au moins un élément dans l'espace, le dispositif comprenant l'élément à déplacer ainsi qu'un élément fixe relié à l'élément à déplacer par l'intermédiaire de trois bras, l'élément à déplacer étant apte à effectuer un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté autour d'un point fixe, ce dispositif remédiant au moins partiellement aux inconvénients cités ci-dessus relatifs aux réalisations de l'art antérieur.

Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif de déplacement d'au moins un élément dans

l'espace, le dispositif comprenant l'élément à déplacer ainsi qu'un élément fixe relié à l'élément à déplacer par l'intermédiaire de trois bras comportant chacun une pluralité de segments reliés entre eux au moyen de trois liaisons autorisant chacune au moins un degré de liberté de rotation selon un axe, les axes des liaisons de chacun des bras étant concourants en un point fixe autour duquel l'élément à déplacer est apte à décrire un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté. Selon l'invention, pour chaque bras du dispositif, la somme des degrés de liberté autorisés par les liaisons est supérieure ou égale à cinq.

Avantageusement, contrairement au mécanisme de l'art antérieur dans lequel la plate-forme mobile est reliée à la plate-forme fixe au moyen de trois bras comportant chacun trois liaisons pivot, les bras du dispositif selon l'invention comportent chacun trois liaisons dont la somme des degrés de liberté autorisés par ces liaisons est supérieure ou égale à cinq.

Cette caractéristique spécifique de l'invention a pour effet bénéfique de rendre le dispositif isostatique, et non hyperstatique comme cela est le cas pour le mécanisme de l'art antérieur. Ainsi, en raison de l'état mécanique isostatique dans lequel il se trouve, le dispositif selon l'invention n'est plus soumis aux contraintes géométriques strictes, notamment en ce qui concerne le positionnement relatif des axes des liaisons présentes sur chacun des bras du dispositif.

Cette constatation peut être vérifiée à l'aide de la formule de mobilité, dite formule de

Tchebychev ou de Grübler-Kutzbbach, cette formule ayant également été généralisée par Hervé.

(1) : F = d(n-1) - #1 (d-fi) avec :
F : degré de liberté global du dispositif ; d : dimension du sous-groupe du groupe des déplacements associé au dispositif ; n : nombre de corps rigides du dispositif ; fi : degré de liberté d'une liaison i entre deux corps rigides.

Dans le cas général, c'est-à-dire lorsque l'on considère le groupe entier des déplacements, d = 6. De plus, le dispositif selon l'invention ainsi que le mécanisme de l'art antérieur comportant tous deux un élément mobile ainsi qu'un élément fixe, il est également possible de simplifier cette formule en posant n = 2. Enfin, fi correspond dans ce cas au degré de liberté d'un bras i. La formule générale simplifiée peut alors s'écrire de la manière suivante : (2) : F = 6-li (6-f,)
En ce qui concerne le dispositif selon l'invention, lorsque l'on prend le cas dans lequel les trois bras sont identiques et comprennent chacun trois liaisons dont la somme des degrés de liberté autorisés est 5, la formule peut alors s'écrire : (3) : F = 6 - 3. (6-5) = +3
On s'aperçoit donc que le dispositif selon l'invention est bien isostatique, à trois degrés de liberté.

En revanche, en ce qui concerne le mécanisme selon l'art antérieur, les bras étant tous

identiques et autorisant trois degrés de liberté (trois liaisons pivot), la formule peut alors s'écrire : (4) : F = -3. 6- ; =-3
Comme on peut le constater avec le résultat de la formule (4), le mécanisme parallèle de l'art antérieur est bien hyperstatique. C'est en effet en respectant une position géométrique stricte des axes des liaisons pivot, que le mécanisme parallèle de l'art antérieur est capable de fonctionner. Par opposition, en raison de son caractère isostatique, le dispositif selon l'invention est plus tolérant en termes de contraintes géométriques spécifiques, ce qui engendre des simplifications dans la fabrication ainsi que dans le montage des éléments constitutifs d'un tel dispositif.

De façon préférentielle, chaque bras comporte successivement, depuis l'élément fixe vers l'élément à déplacer, une liaison pivot, une première liaison pivot glissant, ainsi qu'une seconde liaison pivot glissant. De plus, on peut prévoir que le dispositif comporte trois moyens d'actionnement primaires montés rigidement sur l'élément fixe, les trois moyens d'actionnement primaires étant aptes à piloter respectivement les liaisons pivot de chacun des trois bras du dispositif. De manière avantageuse, dans cette configuration spécifique, l'orientation de l'élément à déplacer est effectuée par pilotage de simples liaisons pivot.

Selon un mode de réalisation préféré, les axes des secondes liaisons pivot glissant de chacun des trois bras du dispositif sont confondus.

Avantageusement, lorsque le dispositif comporte cette caractéristique spécifique, l'élément à déplacer présente un quatrième degré de liberté possible, correspondant à une translation selon l'axe commun des secondes liaisons pivot glissant. Il est alors souhaitable de munir le dispositif d'un moyen d'actionnement secondaire, apte à engendrer un déplacement linéaire de l'élément à déplacer, selon l'axe commun des liaisons pivot glissant.

De façon avantageuse, le dispositif peut être utilisé en tant que poignet endoscopique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée, non limitative, ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un dispositif de déplacement d'au moins un élément dans l'espace, selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 2 représente un dispositif de déplacement d'au moins un élément dans l'espace, selon un second mode de réalisation préféré de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
En référence à la figure 1, il est représenté un dispositif 1 de déplacement d'au moins un élément dans l'espace, selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention.

Le dispositif 1 comprend un élément à déplacer 2, un élément fixe 4, ainsi que trois bras

6a, 6b, 6c reliant l'élément à déplacer 2 à l'élément fixe 4, les éléments 2 et 4 étant de préférence des plates-formes.

Chaque bras 6a, 6b, 6c du dispositif 1 comprend une pluralité de segments, reliés les uns aux autres par l'intermédiaire de liaisons autorisant chacune au moins un degré de liberté de rotation.

Dans cette configuration, les trois bras 6a, 6b, 6c sont identiques et disposés à 120 , mais pourraient également être de conception différente.

Ainsi, seul le bras 6a va être décrit, en détail, cidessous.

Le bras 6a comporte tout d'abord un segment 8 reliant l'élément fixe 4 à une liaison pivot 10, apte à être pilotée par un moyen d'actionnement primaire 12 du type moteur, également solidaire de l'élément fixe 4.

Par l'intermédiaire de la liaison pivot 10 à un degré de liberté, un segment 14 du bras 6a est susceptible d'être mis en rotation par rapport à l'élément fixe 4 autour d'un axe 10a de la liaison pivot 10, ce segment 14 étant également relié à une première liaison pivot glissant 16, à deux degrés de liberté.

Un segment 18 établit la jonction entre la première liaison pivot glissant 16, et une seconde liaison pivot glissant 20, ayant également deux degrés de liberté. Le segment 18 est donc susceptible d'être animé, par rapport au segment 14, d'un mouvement de rotation combiné à un mouvement de translation, selon un axe 16a de la première liaison pivot glissant 16.

De la même manière, un segment 22 établit la jonction entre la seconde liaison pivot glissant 20, et l'élément à déplacer 2. Le segment 22 est donc susceptible d'être animé, par rapport au segment 18, d'un mouvement de rotation combiné à un mouvement de translation, selon un axe 20a de la seconde liaison pivot glissant 20.

Par ailleurs, les axes respectifs 10a, 16a, 20a des liaisons 10,16, 20 du bras 6a, sont concourant en un point fixe P, ce point étant également le point d'intersection de tous les axes des liaisons des deux autres bras 6b, 6c. En conséquence, le point P est le point d'intersection de tous les axes des neuf liaisons présentes dans le dispositif 1.

Notons que dans ce mode de réalisation préféré, chacun des bras 6a, 6b, 6c est mis en mouvement à l'aide d'un moyen d'actionnement primaire 12 apte à piloter l'unique liaison pivot 10 de chacun des bras 6a, 6b, 6c, cette liaison pivot 10 étant située à proximité de l'élément fixe 4 du dispositif 1.

Néanmoins, il est également possible de prévoir que les moyens d'actionnement primaires 12 soient situés sur une autre liaison que la liaison pivot 10, quel que soit le positionnement de cette liaison sur le bras concerné.

Il est cependant précisé que le choix d'avoir les moyens d'actionnement primaires 12 couplés aux liaisons pivot 10 correspondant aux liaisons les plus rapprochées de l'élément fixe 4, a été effectué pour limiter les problèmes d'encombrement du dispositif 1. Les moyens d'actionnement primaires 12 étant de

dimensions relativement importantes par rapport aux dimensions des liaisons 10,16, 20 et des segments 8,14, 18,22, il est donc préférable, pour éviter toute interférence entre les différents éléments, d'éloigner le plus possible ces moyens 12 d'une zone dans laquelle les liaisons 10,16, 20 et les segments 8,14, 18,22 sont amenés à être en mouvement.

Les diverses alternatives décrites cidessus, concernant différentes conceptions possibles pour la réalisation des bras 6a, 6b, 6c, doivent cependant respecter une condition nécessaire. En effet, chaque bras 6a, 6b, 6c doit être tel que la somme des degrés de liberté autorisés par les liaisons du bras est supérieur ou égale à cinq. Comme cela a été mentionné et démontré ci-dessus, le respect de cette condition permet d'obtenir un dispositif 1 isostatique, pour lequel les contraintes géométriques sont moins contraignantes que pour un mécanisme hyperstatique.

Le dispositif 1 est apte à fonctionner de la manière suivante.

Les moyens d'actionnement primaires 12 sont reliés à des moyens informatiques (non représentés), susceptibles de communiquer des informations à chacun des moyens d'actionnement primaires 12. Ces informations sont du type lois de commande, et permettent lorsqu'elles sont appliquées par les moyens d'actionnement primaires 12, de mettre les bras 6a, 6b, 6c en mouvement de façon maîtrisée, afin que l'élément à déplacer 2 s'oriente dans une position déterminée.

Notons que les lois de commande communiquées aux moyens d'actionnement primaires 12 sont prédéterminées, et notamment établies en fonction des problèmes d'encombrement rencontrés au sein du dispositif 1.

De cette manière il est alors possible de mettre l'élément à déplacer 2 en mouvement selon une rotation sphérique à trois degrés de liberté, autour du point fixe P. Précisons que le terme de rotation sphérique peut être assimilé à un mouvement de rotule, de sorte que les points situés sur l'élément à déplacer 2 décrivent des trajectoires localisées sur des sphères concentriques en P.

En référence à la figure 2, il est représenté un dispositif 1 de déplacement d'au moins un élément dans l'espace, selon un second mode de réalisation préféré de l'invention.

Dans ce mode de réalisation préféré, les bras 6a, 6b, 6c du dispositif 100 comportent chacun une seconde liaison pivot glissant 120a, 120b, 120c, dont les axes sont confondus en un axe commun 24.

De même, l'élément à déplacer 102, sous forme de tige apte à se déplacer linéairement par rapport aux liaisons pivot glissant 120a, 120b, 120c, peut ici être assimilé à un support, sur lequel il est par exemple possible de monter un instrument chirurgical 28. L'ensemble des autres constituants du dispositif 100 étant similaires aux constituants du dispositif 1 relatif au premier mode de réalisation préféré de l'invention décrit ci-dessus, il ne seront pas davantage décrits.

Néanmoins, il reste à préciser que le fonctionnement d'un tel dispositif 100 est sensiblement identique au fonctionnement du dispositif 1, à la différence que la caractéristique spécifique d'un axe commun 24 pour les liaisons pivot glissant 120a, 120b et 120c, permet d'obtenir un quatrième degré de liberté pour l'élément à déplacer 102. En effet, outre les trois rotations possibles autour du point P, l'élément à déplacer 102 peut à présent être mis en translation, selon l'axe commun 24 et par rapport aux liaisons pivot glissant 120a, 120b, 120c, à l'aide d'un moyen d'actionnement secondaire (non représenté).

Les dispositifs 1 et 100 qui viennent d'être décrits peuvent avoir diverses applications, comme celle d'un poignet endoscopique d'un robot de chirurgie. En effet, les dispositifs 1 et 100 sont capables de reproduire le mouvement d'un poignet de chirurgien, avec trois degrés de rotation autour d'un point fixe intra-corporel. De plus, la conception des dispositifs 1 et 100 étant celle d'un mécanisme parallèle, les moyens d'actionnement primaires 12 employés peuvent être déportés à l'extérieur du patient, ce qui présente des avantages non-négligeables en termes de stérilisation du matériel utilisé.

D'autres applications sont également envisageables. A titre d'exemples, on peut citer les supports d'orientation pour caméra, pour antenne parabolique, pour tourelle de char, ou encore pour batterie de projectile. En outre, le dispositif trouve aussi une application dans le domaine de la micromanipulation, en tant que poignet

micromanipulateur, ou pour réaliser l'orientation d'un rayon laser avec un système de mémoire.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier aux dispositifs 1 et 100 qui viennent d'être décrits, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1, 100) de déplacement d'au moins un élément (2,102) dans l'espace, le dispositif comprenant l'élément à déplacer (2,102) ainsi qu'un élément fixe (4) relié à l'élément à déplacer (2) par l'intermédiaire de trois bras (6a, 6b, 6c) comportant chacun une pluralité de segments (8,14, 18,22) reliés entre eux au moyen de trois liaisons (10, 16, 20, 120a, 120b, 120c) autorisant chacune au moins

un degré de liberté de rotation selon un axe, les axes (10a, 16a, 20a) des liaisons (10, 16, 20, 120a, 120b, 120c) de chacun des bras (6a, 6b, 6c) étant concourants en un point fixe (P) autour duquel l'élément à déplacer (2) est apte à décrire un mouvement de rotation sphérique à trois degrés de liberté, caractérisé en ce que pour chaque bras (6a, 6b, 6c) du dispositif (1), la somme des degrés de liberté autorisés par les liaisons

(10, 16, 20, 120a, 120b, 120c), est supérieure ou égale à cinq.

2. Dispositif (1, 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bras (6a, 6b, 6c) comporte une liaison pivot (10), une première liaison pivot glissant (16), ainsi qu'une seconde liaison pivot glissant (20,120a, 120b, 120c).

3. Dispositif (1,100) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bras (6a, 6b, 6c) comporte successivement, depuis l'élément fixe (4) vers ledit élément à déplacer (2,102), une liaison pivot (10), une première liaison pivot glissant (16), ainsi qu'une seconde liaison pivot glissant (20, 120a, 120b, 120c).

4. Dispositif (1,100) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois moyens d'actionnement primaires (12) montés rigidement sur l'élément fixe (4), les trois moyens d'actionnement primaires (12) étant aptes à piloter respectivement les liaisons pivot (10) de chacun des trois bras (6a, 6b, 6c) du dispositif (1,100).

5. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément à déplacer (2) ainsi que l'élément fixe (4) sont des plates-formes.

6. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les axes des secondes liaisons pivot glissant (120a, 120b, 120c) de chacun des trois bras (6a, 6b, 6c) du dispositif (100) sont confondus en un axe commun (24).

7. Dispositif (100) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen d'actionnement secondaire apte à déplacer linéairement, selon l'axe commun (24) des secondes liaisons pivot glissant (120a, 120b, 120c), l'élément à déplacer (102) du dispositif (100).

8. Dispositif (100) selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément à déplacer (102) est un support d'instrument chirurgical (28).

8. Dispositif (1,100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est apte à être utilisé en tant que poignet endoscopique.