FR2901596A1 - Mecanisme spherique parallele a deux degres de liberte - Google Patents

Abstract

Mécanisme sphérique parallèle à deux degrés de liberté pour relier un corps (PM) à une base fixe (BF) de manière à pouvoir l'orienter dans l'espace par rotation autour d'un premier (k0) axe, fixe par rapport à ladite base fixe (BF), et d'un second (i1) axe, fixe par rapport audit corps (PM) à orienter, ces deux axes (k0, i1) se croisant en un centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps (PM) à orienter, caractérisé en ce que ledit mécanisme comprend au moins quatre liens (L1, L2, L3, L4), chacun desdits liens étant relié à ladite base fixe (BF) par un premier point de connexion (B1, B2, B3, B4) et audit corps (PM) à orienter par un second point de connexion (P1, P2, P3, P4), et appartenant à un premier ou à un second type, avec au moins un lien par type, dans lequel dans le ou les liens du premier type, le premier point de connexion (B1...) est un point quelconque de ladite base fixe (BF) et le second point de connexion (P1...) coïncide avec ledit centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps (PM) à orienter ; dans le ou les liens du second type, le premier point de connexion (B2...) gît sur ledit premier axe (k0) et le second point de connexion (P2...) gît sur ledit second axe (i1), mais ne coïncide pas avec ledit centre de mouvement sphérique (C) ; chaque point de connexion desdits lien gisant sur ledit premier (k0) et/ou second (i1) axe présentant au moins un degré de liberté de rotation autour dudit axe.

Description

2 Très peu de mécanismes parallèles à deux degrés de liberté ayant un

mouvement sphérique (poignets) sont connus de l'art antérieur. Ces mécanismes appartiennent à deux classes : - les poignets dits à architecture sphérique , ne 5 comprenant que des joints rotoïdes dont les axes se croisent dans le centre du mouvement sphérique ; et - les poignets à architecture non sphérique, qui ne satisfont pas à cette condition. Deux exemples de poignets à architecture sphérique sont 10 fournis par le brevet US 5 966 991 (mécanisme connu comme oeil agile ) et par l'article de J.M. Wiitala et M.M. Stanisic, "Design of an Overconstrained Dextrous Spherical Wrist", Journal of Mechanical Design, vol. 122, pp. 347-353, 2000. Ces mécanismes sont surcontraints et obtiennent le 15 mouvement sphérique de la plateforme en utilisant les contraintes communes des mécanismes sphériques. Les inconvénients principaux de ces architectures sont le fait que les axes du mouvement sphérique ne sont pas prédéterminés, c'est-à-dire qu'ils ne sont fixes ni par rapport à la base, ni par rapport à la plateforme, et que les mouvement de rotation autour desdits axes 20 ne peuvent pas être découplés. En outre, le fait qu'elles soient intrinsèquement surcontraintes induit un niveau de contraintes mécaniques internes élevé et un risque important de blocage. Des poignets à architecture non sphérique sont décrits notamment dans les articles suivants : 25 G.R. Dunlop, T.P. Johnes, "Position Analysis of a two DOF Parallel Mechanism û the Canterbury Tracker", Mechanism and Machine Theory, vol. 34, pp. 599-614, 1999 ; Baumann, R., Maeder, W. Glauser, D. and Clavel, R. The PantoScope: a Spherical Remote-Center-of-Motion Parallel Manipulator for 30 Force Reflexion , Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp. 718-723, 1997 ; 3 M. Carricato, V. Parenti Castelli, "A Novel Fully-Decoupled two Degree-of-Freedom Parallel Wrist", The International Journal of Robotics Research, vol. 23, pp. 661-667, 2004 ; Bauer, J.R., Kinematics and Dynamics of a Double-5 Gimbaled Control Moment Gyroscope , Mechanism and Machine Theory, vol. 37, pp. 1513-1529, 2002 ; et G. Gogu, "Fully-Isotropic Over-Constrained Parallel Wrists with Two Degrees of Freedom", Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp. 4025-4030, 2005. 10 Les deux premiers mécanismes mentionnés ci-dessus présentent des axes du mouvement non prédéterminés et, par conséquent, des mouvements de rotation qui ne sont pas découplés. En outre, ils ont un niveau d'encombrement important. Les trois autres mécanismes présentent des axes 15 prédéterminés et permettent un découplage des rotations, mais ils sont néanmoins pénalisés par leur encombrement. En outre, le mécanisme de M. Carricato et V.Parenti Castelli et celui de G. Gogu contiennent des joints prismatiques qui peuvent affecter négativement leur fonctionnement, en particulier dans des applications spatiales (problème de la lubrification) et 20 micromécaniques (importance des forces de frottement). Un but de l'invention est de réaliser un mécanisme d'orientation sphérique parallèle ( poignet ) à deux degrés de liberté permettant de résoudre, au moins en partie, les inconvénients précités de l'art antérieur. L'architecture d'un mécanisme selon l'invention présente des axes imposés et permet le découplage des mouvements de rotation autour desdits axes. Avantageusement, un tel mécanisme présente une structure simple et peu encombrante, un fonctionnement fiable et une très grande rigidité. L'objet de l'invention est un mécanisme sphérique ( poignet ) parallèle à deux degrés de liberté pour relier un corps (ou plateforme) à une base fixe de manière à pouvoir l'orienter dans l'espace par 25 30

4 rotation autour d'un premier axe, fixe par rapport à ladite base fixe, et d'un second axe, fixe par rapport audit corps à orienter, ces deux axes se croisant en un centre de mouvement sphérique situé dans ledit corps à orienter, caractérisé en ce que : ledit mécanisme comprend au moins quatre liens, chacun desdits liens étant relié à ladite base fixe par un premier point de connexion et audit corps à orienter par un second point de connexion et appartenant à un premier ou à un second type, avec au moins un lien par type, dans lequel : - dans le ou les liens du premier type, le premier point de connexion (BI...) est un point quelconque de ladite base fixe (BF), ne gisant pas sur ledit premier axe (ko), et le second point de connexion (P,...) coïncide avec ledit centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps (Pm) à orienter; - dans le ou les liens du second type, le premier 15 point de connexion (B2...) gît sur ledit premier axe (ko) et le second point de connexion (P2...) gît sur ledit second axe (il), chaque point de connexion desdits lien gisant sur ledit premier et/ou second axe présentant au moins un degré de liberté de rotation autour dudit axe. 20 Dans un mode de réalisation préféré lesdits premier et second points de connexion sont réalisés à l'aide de deux joints sphériques, ou d'un joint sphérique et d'un joint universel. Alternativement, au moins un des points de connexion qui ne gisent sur aucun des deux axes de rotation peut constituer une connexion 25 rigide ou élastique. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le mécanisme comprend exactement quatre liens et les premiers points de connexion desdits liens du premier type sont alignés le long d'une droite qui ne coïncide pas avec ledit premier axe de rotation tandis que les axes des 30 liens du second type gisent dans le plan défini par lesdits premier et second axe de rotation. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, le mécanisme comprend exactement quatre liens, les axes des liens du premier type sont coplanaires et aucun d'entre eux n'est aligné avec ledit premier axe de rotation, tandis que les axes des liens du second type appartiennent à un 5 faisceau plan de droites gisant dans le plan défini par lesdits premier et second axe de rotation. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention, le mécanisme comprend exactement quatre liens, les axes des liens du premier type appartiennent à un faisceau de droites centré dans le centre de mouvement sphérique, tandis que les axes des liens du second type sont colinéaires et ne passent pas par ledit centre du mouvement sphérique. Un quatrième mode de réalisation de l'invention est obtenu en ajoutant au moins un lien supplémentaire du premier ou second type à un mécanisme selon le premier, deuxième ou troisième mode de réalisation.

Dans un tel mécanisme, lesdits liens peuvent être constitués par des poutres de compression ou des câbles, au moins un lien étant nécessairement constitué par une poutre de compression. Indépendamment du mode de réalisation considéré, au moins un desdits liens peut présenter une longueur variable, de manière à permettre une modification de la distance entre ladite base fixe et ledit centre de mouvement sphérique situé dans ledit corps à orienter. Le mécanisme peut ainsi être replié et déplié. En particulier, ledit ou lesdits liens de longueur variable peuvent être des liens télescopiques bistables. Avantageusement au moins un desdits liens comprend un actionneur linéaire pour varier sa longueur de manière active. Avantageusement, au moins un desdits liens peut comporter un actionneur et un capteur intégrés pour amortir des vibrations ou compenser des fléchissements dudit mécanisme. Un mécanisme selon l'invention peut comprendre au moins 30 deux actionneurs pour orienter dans l'espace ledit corps par rotation autour dudit premier et second axe de rotation.

Selon une première variante, lesdits deux actionneurs peuvent comprendre : un premier actionneur prismatique, relié à ladite base par un premier point de connexion gisant sur ledit premier axe et audit corps à orienter par un second point de connexion ne gisant sur aucun axe de rotation ; -un second actionneur prismatique, relié à ladite base par un premier point de connexion ne gisant sur aucun axe de rotation et audit corps à orienter par un second point de connexion gisant sur ledit second axe. Selon une première variante, lesdits deux actionneurs peuvent être prévus pour actionner en rotation un ou deux desdits points de connexion. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - la figure 1, un schéma de principe d'un mécanisme passif selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2, un schéma de principe d'un mécanisme passif 20 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3, un schéma de principe d'un mécanisme passif selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4, un schéma de principe d'un mécanisme passif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 5, un schéma de principe d'un mécanisme passif selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 6A et 6B, un mécanisme auto-déployable selon une variante dudit deuxième mode de réalisation de l'invention, respectivement en position repliée et dépliée ; 30 - la figure 7, un mécanisme selon une autre variante dudit deuxième mode de réalisation de l'invention, comportant des capteurs et des actionneurs intégrés, destinés à amortir activement les vibrations et/ou compenser les fléchissements dudit mécanisme ; - la figure 8, un mécanisme selon encore une autre variante dudit deuxième mode de réalisation de l'invention, comportant des actionneurs prismatiques pour orienter la plateforme dans l'espace par rotation autour des deux axes imposés ; - la figure 9, une vue de détail d'un mécanisme selon encore une autre variante dudit deuxième mode de réalisation de l'invention, comportant des joints pouvant être actionnés pour orienter la plateforme dans l'espace par rotation autour des deux axes imposés ; et -la figure 10, un exemple d'application d'un mécanisme selon l'invention. Un mécanisme selon l'invention comprend une base fixe BF, une plateforme mobile PM et n éléments de liaison ou liens LI, L2...Ln avec n égal ou supérieur à quatre (dans les figures, un exposant identifie la figure considérée : ainsi L,2 est le premier lien de la figure 2). Chaque lien L; est relié à la base BF par un premier point de connexion B; situé à une de ses extrémités et à la plateforme PM par un second point de connexion P; situé à l'extrémité opposée. Un point de connexion peut être une liaison rigide (zéro degré de liberté), une liaison élastique, ou bien un joint rotoïde (un degré de liberté de rotation), universel (deux degrés de liberté de rotation) ou sphérique (trois degrés de liberté de rotation). Le mécanisme présente deux axes de rotation imposés, autour desquels la plateforme PM peut tourner : un premier axe ko, qui est solidaire de la base BF et un second axe il qui est solidaire de la plateforme PM. Ces deux axes, qui ne sont pas nécessairement perpendiculaires, se croisent en un point C, qui fait partie de la plateforme PM et constitue le centre du mouvement sphérique du mécanisme. Les liens L; peuvent appartenir à un premier ou à un second type, avec au moins un lien par type et un total de quatre liens ou plus : - dans un lien du premier type (Ll1 sur la figure 1, L12 et L22 sur la figure 2, L13, L23 et L23 sur la figure 3) le premier point de connexion est un point quelconque de la base BF, ne gisant pas sur le premier axe ko, tandis que le second point de connexion coïncide avec le centre C du mouvement sphérique ; - dans un lien du second type (L21, L31 et L41 sur la figure 1, L32 et L42 sur la figure 2, L43, L53 et L63 sur la figure 3) le premier point de 5 connexion gît sur le premier axe de rotation ko et le second point de connexion gît sur le second axe de rotation il. Un point de connexion qui gît sur un axe de rotation doit présenter au moins un degré de liberté en rotation autour dudit axe. Ainsi, par exemple, le point de connexion P1' de la figure 1, coïncidant avec le centre C 1 o du mouvement, peut être réalisé à l'aide d'un joint universel, le point B,', qui ne gît sur aucun axe de rotation (on parle de point de connexion ou joint inactif ) peut constituer une liaison rigide, tandis que les points de connexion B21et P21 peuvent être réalisés à l'aide de joints rotoïdes dont l'axe de rotation coïncide avec ko et il respectivement. 15 En fait, il est avantageux que les points de connexion présentent des degrés de libertés supplémentaires, afin d'éviter l'accumulation de contraintes de torsion qui rendraient nécessaire un surdimensionnement des liens. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, tous les points de connexion B; sont réalisés à l'aide de joints 20 sphériques ou universels et les points P; à l'aide de joints sphériques. Il est aussi possible d'utiliser des joints sphériques ou universels seulement pour certains points de connexion. Dans un autre mode de réalisation avantageux, les points de connexion inactifs tels que Bi1 comportent des liaisons élastiques, ce qui 25 permet de limiter les contraintes de fléchissement agissant sur les liens. Un mécanisme selon l'invention peut comprendre également d'autres liens qui n'appartiennent ni au premier ni au second type, à condition qu'ils n'empêchent pas les mouvements de rotation autour des axes imposés ko et i,. Un exemple est constitué par le mécanisme de la figure 8, qui 30 comprend les deux liens additionnels LA1 et LA2. En combinant des liens du premier et du second type on obtient en particulier quatre familles de mécanismes selon l'invention.

9 La figure 1 montre un mécanisme appartenant à la première famille. Un tel mécanisme comporte exactement quatre liens, et : - Les premiers points de connexion (Bi) des liens du premier type (s'il y en a plus qu'un) gisent sur une même droite qui passe par le centre C du mouvement, mais avec une direction différente de celle du premier axe de rotation ko, Dans le cas de la figure 1, L1' est l'unique lien du premier type. - Les axes des liens du second type (L21, L31, L41) gisent dans le plan II défini par les axes de rotation ko et il. La figure 2 montre un mécanisme appartenant à la deuxième famille. Un tel mécanisme comporte exactement quatre liens, et : - Les axes des liens du premier type (L12, L22) gisent dans un même plan, sans qu'aucun d'entre eux ne coïncide avec l'axe ko. Ils appartiennent donc à un faisceau plan de droites de centre C. - Les axes des liens du second type (L32, L42) appartiennent à un faisceau plan de droites gisant dans le plan Il défini par les axes de rotation ko et i,. Les mécanismes de la première famille présentent, par rapport à ceux de la deuxième famille, une plus grande rigidité à l'encontre 20 des efforts dans le plan U, tandis que ceux de la deuxième famille sont plus rigides à l'encontre des efforts perpendiculaires audit plan fI. Un mécanisme de la deuxième famille nécessite d'un double joint sphérique ou universel, ce qui est difficile à construire et permet des mouvements d'amplitude réduite. Par contre, un mécanisme de la première 25 famille présente un plus grand nombre de joints colinéaires (4 alignés le long de il et 4 le long de ko), et cela rend nécessaire une grande précision dans la fabrication. Par conséquent, la difficulté de fabrication est à peu près équivalente pour les deux familles, mais la première famille permet une amplitude de rotation autour de ko qui est environ le double de celle de la 3 0 deuxième famille. 15

10 En outre, un mécanisme de la première famille présente une inertie autour de ko plus grande de celle d'un mécanisme de la deuxième famille. La figure 3 montre un mécanisme appartenant à la troisième famille. Un tel mécanisme comporte exactement quatre liens L13, L23 L33, L43 et les axes des liens du premier type appartiennent à un faisceau de droites centré dans le centre de mouvement sphérique C, tandis que les axes des liens du second type sont colinéaires et ne passent pas par ledit centre du mouvement sphérique C.

Ensemble, les trois familles décrites ci-dessus couvrent tous les cas possibles de mécanismes selon l'invention ayant exactement quatre liens. Un mécanisme de la quatrième famille est obtenu en ajoutant à un mécanisme de la première, deuxième ou troisième famille un ou plusieurs liens du premier ou du second type. Par exemple, la figure 4 montre un mécanisme de la troisième famille obtenu en ajoutant au mécanisme de la figure 2 un lien L54 du premier type et un lien L64 du second type. Les mécanismes de la quatrième famille présentent au moins la même inertie autour de ko que ceux de la première famille et une plage de rotation autour de ce même axe ko du même ordre que celle de la deuxième famille. Un mécanisme selon l'invention comportant exactement quatre liens, chacun connecté à la base et à la plateforme par un joint universel et un joint sphérique (ou par deux joints sphériques) n'est pas surcontraint. Dans tous les autres cas, le mécanisme est surcontraint ; en particulier, les mécanismes de la quatrième famille sont nécessairement surcontraints, car ils comportent cinq liens ou plus. Quel que soit le mode de réalisation choisi, un mécanisme selon l'invention présente une très grande rigidité, comparé aux mécanismes connus de l'art antérieur. Cela est dû au fait que la base et la plateforme sont réunis par un plus grand nombre de chaînes cinématiques en parallèle, et que chaque chaîne est constituée par un seul lien avec des joints à ses

11 extrémités. Par comparaison, dans le mécanisme décrit dans le document US 5 966 991 précité, la base et la plateforme ne sont reliées que par deux chaînes cinématiques en parallèle, chacune formée par deux liens en série. Or, il est connu qu'un poignet est d'autant plus rigide que le nombre de chaînes cinématiques en parallèle est élevé et que le nombre de liens en série est faible. Lorsque tous les liens du mécanisme sont reliés à la base et à la plateforme par un joint universel et un joint sphérique ou par deux joints sphérique, les liens sont sollicités uniquement en traction et en compression : cela permet d'obtenir un plus grand rapport rigidité/masse que dans les dispositifs de l'art antérieur, et en particulier que dans le mécanisme du document US 5 966 991. Dans le cas de la quatrième famille, l'utilisation de cinq liens ou plus rend le mécanisme surcontraint, ce qui entraîne de contraintes internes et des risques de blocage, et nécessite une plus grande précision de fabrication (tolérances réduites) justement pour minimiser ces risques. Cependant, ces inconvénients sont atténues dans le cas d'un mécanisme de l'invention, justement grâce à sa grande rigidité, qui limite les déflections mécaniques à l'origine des blocages. Un mécanisme selon l'invention rendu surcontraint par l'utilisation de liens en excès de quatre présente par contre des avantages par rapport à un mécanisme à quatre liens : des meilleurs rapports rigidité/masse, rigidité/encombrement, résistance/masse et résistance/encombrement, une plus grande résilience et un jeu moindre. En outre, un tel mécanisme surcontraint peut être réalisé à l'aide d'éléments structurels plus simples, tels que des câbles et des poutres de compression ; une poutre de compression est un élément structurel destiné à être sollicité essentiellement (idéalement, uniquement) en compression. Par exemple, la figure 5 montre un mécanisme surcontraint appartenant à la quatrième famille, dans lequel le lien L35 est une poutre de compression, tandis que tous les autres liens (L15, L25, L45, L55) sont des câbles.

12 L'utilisation de câbles pour la réalisation de liens qui sont destinés à n'être sollicités qu'en traction présente un avantage supplémentaire : grâce à leur flexibilité, les câbles permettent d'obtenir les degrés de liberté nécessaires sans besoin de prévoir des joints mécaniques au niveau de leur points de connexion à la base et à la plateforme. On peut observer que les mécanismes selon l'invention ne présentent pas de surfaces en contact glissant. Cela permet d'éviter l'utilisation de lubrifiants (ce qui est particulièrement intéressant pour des applications spatiales), d'augmenter la durée de vie utile du mécanisme et garantir une précision élevée tout au long de ladite durée de vie. En outre, l'absence de contacts glissants permet de miniaturiser le mécanisme sans avoir à modifier sa structure. Par conséquence, l'invention convient à la réalisation de dispositifs micromécaniques et microélectromécaniques (MEMS).

Dans des nombreuses applications, en particulier mais pas exclusivement spatiales, il est nécessaire de pouvoir déployer un mécanisme d'orientation, c'est-à-dire de pouvoir modifier la distance entre la base BF et la plateforme PM. C'est par exemple le cas pour une antenne d'un satellite artificiel, qui doit passer d'une position de stockage, dans laquelle elle est maintenue à proximité du corps dudit satellite, à une position d'utilisation, dans laquelle elle doit être suffisamment éloignée pour permettre son orientation dans l'espace. Les figures 6A et 6B montrent qu'un mécanisme selon l'invention peut être rendu auto-déployable par l'utilisation de liens de longueur variable L16, L26, L36, L46, constitué par des bras télescopiques bistables, qui peuvent passer d'une position entièrement repliée (figure 6A) à une position entièrement dépliée (figure 6B) et inversement. II est intéressant d'observer qu'il n'est pas nécessaire que tous les bras télescopiques soient actifs, c'est-à-dire commandés par un actionneur. Par exemple, dans le cas des figures 6A-6B il est suffisant d'actionner le bras L36 pour déployer ou replier le mécanisme. Alternativement, il est possible d'actionner le bras L26, mais cela conduit à un mouvement plus complexe de la plateforme par rapport à la base. On comprend, à l'observation des figures 6A et 6B, que pour que le dépliement/repliement du mécanisme soit possible, il est nécessaire que les points de connexion entre les liens et la base BF ou la plateforme PM présentent au moins certains degrés de liberté additionnels (autres que de rotation autour des axes ko et/ou il). L'architecture du mécanisme de l'invention permet une intégration facile de capteurs et actionneurs dans les liens pour réaliser un mécanisme intelligent présentant un comportement adaptatif pour amortir activement les vibrations et/ou compenser les fléchissements du système. Un exemple d'un tel mécanisme intelligent est représenté sur la figure 7, dans laquelle chaque lien L;' (i=1 ù 4) est équipé d'un capteur CP; et d'un actionneur AC; intégrés. Le niveau d'intégration le plus élevé peut être obtenu en utilisant dans les liens des parties réalisées en céramique piézoélectrique ou en alliages magnétostrictifs et/ou électrostrictifs. Ces parties ont simultanément une fonction structurelle, de capteurs et d'actionneurs. L'actionnement du mécanisme de l'invention pour orienter la plateforme PM dans l'espace peut être réalisé de plusieurs façons différentes.

Une première possibilité, représentée sur la figure 8, consiste à ajouter à un mécanisme passif selon l'invention, une ou plusieurs chaînes cinématiques actives additionnelles. Dans le cas de la figure 8, deux liens additionnels télescopiques LAI et LA2, munis d'actionneurs prismatiques, sont reliés entre la plateforme PM (au moyen d'un joint sphérique PA18, PA28) et la base BM (au moyen d'un joint universel BA18, BA28) d'un mécanisme du type représenté sur la figure 2. Plus précisément, le premier point de connexion BA18 du lien additionnel LAI gît sur l'axe ko, alors que son second point de connexion PA-18 est un point quelconque de la plateforme PM, ne gisant sur aucun axe de rotation. En ce qui concerne le lien additionnel LA2, son premier point de connexion BA28 est un point quelconque de la base BF ne gisant sur aucun axe de rotation, tandis que son second point de connexion PA28 gît sur l'axe il. On comprend que l'actionnement du lien additionnel LAI induit une

14 rotation autour de l'axe i1 seul, alors que l'actionnement du lien additionnel LA2 induit une rotation autour de l'axe ko seul, c'est-à-dire que les mouvements de rotation sont découplés. Une deuxième possibilité consiste à actionner deux joints cinématiques du système, dont la position à été choisie de manière appropriée. Par exemple, la figure 9 montre un détail d'un lien L2 du mécanisme du type de la figure 2, relié à la base BF par un joint sphérique JS et à la plateforme par un joint universel JU. Ces deux joints sont constitués par trois et deux joints rotoïdes, respectivement : R1, R2(a,b) et R3 pour le joint sphérique JS ; R4(a,b) et R5 pour le joint universel JU. L'actionnement du mécanisme peut être réalisé en actionnant deux joints rotoïdes choisis parmi R1, R3, R4(a,b) et R5. En particulier, l'actionnement du joint R1 produit une rotation de la plateforme PM autour de l'axe ko uniquement, tandis que celui du joint R3 la fait tourner autour de l'axe i1 uniquement. Ce découplage des mouvements de rotation est rendu possible par l'orientation particulière des axes des joints : ainsi, si l'axe de R1 n'était pas aligné avec ko, son actionnement affecterait également la rotation de la plateforme autour de i1. L'actionnement du mécanisme peut également être obtenu en utilisant des joints appartenant à deux liens différents.

La figure 10 montre un exemple d'application d'un mécanisme selon l'invention, et plus particulièrement d'un mécanisme appartenant à la première famille. Le dispositif de la figure 10 est un support pour une caméra stéréoscopique CM, adapté pour des applications spatiales (exploration planétaire). La caméra CM, représentée avec une forme essentiellement cylindrique, doit pouvoir être orientée en élévation, en tournant autour de son propre axe i1, et en azimut, en tournant autour de l'axe vertical ko, fixe par rapport à la base BF. En outre, le dispositif dans son ensemble doit pouvoir passer d'une position de stockage, dans lequel il gît sur la surface de la base BF, à une position opérationnelle, représentée sur la figure. Le mécanisme comporte un lien du premier type, L110, et trois liens du second type, L210, L310 et L410 dont un (L310) télescopique. Les connections des liens avec la base BF (B110, B210, B310 et B410) constituent des joints sphériques, alors que les connections avec la caméra CM (P110 P210, P310 et P410) constituent des joints universels ; les joints sphériques et universels sont en fait obtenus en combinant des joints rotoïdes, comme dans le cas de la figure 9 (en variante, des joints élastiques pourraient être utilisés au moins pour les degrés de liberté inactifs). Les trois mouvements souhaités sont complètement découplés et peuvent être commandés par trois actionneurs indépendants : - un premier moteur MA commande le joint sphérique B11 (en fait, l'un des joints rotoïdes constitutifs) en rotation autour de l'axe du lien 10 L110 pour orienter la caméra CM en azimut ; - un deuxième moteur ME commande le joint sphérique B210 (en fait, l'un des joints rotoïdes constitutifs) en rotation autour de l'axe du lien L210 pour orienter la caméra CM en élévation ; et - un actionneur prismatique MD commande le dépliement 15 ou repliement du mécanisme en modifiant la longueur du lien L210: il est possible de se rendre compte du fait qu'un allongement suffisant de ce lien amène la caméra CM en contact avec la base. On observe que les autres liens ont une longueur constante. Le système permet une rotation d'environ 160 -175 en 20 azimut et de 330 - 350 en élévation. Le système a été dimensionné en faisant l'hypothèse d'une caméra d'une masse de 1 kgsoumise au champ de pesanteur terrestre. On a considéré des liens réalisés en alliage d'aluminium Al 7075T6, des joints d'une masse totale de 2 kg et des moteurs MA et ME de 0,6 kg chacun, ce 25 qui est réaliste. Une marge de sécurité d'un facteur 2 a été utilisée pour le dimensionnement. Le dimensionnement a conduit à une masse estimée de 3,8 kg, moteurs exclus ; l'application d'une marge de 1,25 conduit à une estimation de 4,8 kg, moteur de dépliement MD exclu. Cela peut être comparé avec les 8,8 kg (moteur de dépliement également exclu) du mât 30 PMA (Pancam Mast Assembly) du véhicule automatique d'exploration de Mars de la NASA (Mars Exploration Rover) : voir Warden, Cross et Harvison, 16 Pancam Mast Assembly on Mars Rover , Aerospace Mechanisms Symposium, 2004. En plus de la réduction de masse, qui est un paramètre essentiel pour une mission spatiale, l'architecture parallèle du mécanisme de 5 l'invention permet d'obtenir une rigidité particulièrement élevée.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Mécanisme sphérique parallèle à deux degrés de liberté pour relier un corps (PM) à une base fixe (BF) de manière à pouvoir l'orienter dans l'espace par rotation autour d'un premier (ko) axe, fixe par rapport à ladite base fixe (BF), et d'un second (il) axe, fixe par rapport audit corps (PM) à orienter, ces deux axes (ko, il) se croisant en un centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps (PM) à orienter, caractérisé en ce que : ledit mécanisme comprend au moins quatre liens (L,, L2, L3, L4), chacun desdits liens étant relié à ladite base fixe (BF) par un premier point de connexion (BI, B2, B3, B4) et audit corps (PM) à orienter par un second point de connexion (PI, P2, P3, P4), et appartenant à un premier ou à un second type, avec au moins un lien par type, dans lequel : dans le ou les liens du premier type, le premier point de connexion (B,...) est un point quelconque de ladite base fixe (BF), ne gisant pas sur ledit premier axe (ko), et le second point de connexion (PI...) coïncide avec ledit centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps (PM) à orienter; - dans le ou les liens du second type, le premier point de connexion (B2...) gît sur ledit premier axe (ko) et le second point de connexion (P2...) gît sur ledit second axe (il); chaque point de connexion desdits lien gisant sur ledit premier (ko) et/ou second (il) axe présentant au moins un degré de liberté de rotation autour dudit axe.

2. Mécanisme selon la revendication 1 dans lequel lesdits premier (B1...) et second (P,...) points de connexion sont réalisés à l'aide de deux joints sphériques, ou d'un joint sphérique et d'un joint universel.

3. Mécanisme selon la revendication 1 dans lequel au moins un des points de connexion qui ne gisent sur aucun des deux axes de rotation (ko, il) constitue une connexion rigide.

4. Mécanisme selon la revendication 1 dans lequel au moins un des points de connexion qui ne gisent sur aucun des deux axes de rotation (ko, i1) constitue une connexion élastique.

5. Mécanisme selon l'une des revendications précédentes comprenant exactement quatre liens (L11, L21, L31, L41) et dans lequel les premiers points de connexion desdits liens du premier type sont alignés le long d'une droite qui ne coïncide pas avec ledit premier axe de rotation (ko), et les axes des liens du second type gisent dans le plan défini par lesdits premier (ko) et second (i,) axe de rotation.

6. Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant exactement quatre liens (L,2, L22, L32, L42) et dans lequel les axes des liens du premier type sont coplanaires, et aucun d'entre eux n'est aligné avec ledit premier (ko) axe de rotation, tandis que les axes des liens du second type appartiennent à un faisceau plan de droites gisant dans le plan défini par lesdits premier (ko) et second (il) axe de rotation.

7. Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant exactement quatre liens (L13, L23, L33, L43) et dans lequel les axes des liens du premier type appartiennent à un faisceau de droites centré dans le centre de mouvement sphérique (C), tandis que les axes des liens du second type sont colinéaires et ne passent pas par ledit centre du mouvement sphérique (C).

8. Mécanisme selon l'une des revendications 1 à 4 obtenu en ajoutant au moins un lien supplémentaire (L53, L54) du premier ou second type à un mécanisme selon la revendication 5, 6 ou 7.

9. Mécanisme selon la revendication 8 dans lequel lesdits liens (L14, L24, L34, L44, L54) sont constitués par des poutres de compression ou des câbles, au moins un lien (L34) étant constitué par une poutre de compression.

10. Mécanisme selon la revendication 2 ou l'une des revendications 3 à 9 lorsqu'elle dépend de la revendication 2, dans lequel au moins un desdits liens (L15, L25, L35, L45) présente une longueur variable, de manière à permettre une modification de la distance entre ladite base fixe(BF) et ledit centre de mouvement sphérique (C) situé dans ledit corps à orienter (PM).

11 Mécanisme selon la revendication 10, dans lequel ledit ou chaque lien de longueur variable (L15, L25, L35, L45) est un lien télescopique bistable.

12. Mécanisme selon la revendication 10 ou 11, dans lequel au moins un desdits liens de longueur variable (L15, L25, L35, L45) comprend un actionneur linéaire pour varier sa longueur de manière active.

13. Mécanisme selon l'une des revendications 10 à 12 dans lequel au moins un desdits liens de longueur variable (L16, L26, L36, L46) comporte un actionneur (AC1, AC2, AC3, AC4) et un capteur (CP1, CP 2, CP 3, CP 4) intégrés pour amortir des vibrations ou compenser des fléchissements dudit mécanisme.

14. Mécanisme selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins deux actionneurs (LA1, LA2) pour orienter dans l'espace ledit corps par rotation autour dudit premier (ko) et second (il) axe de rotation.

15. Mécanisme selon la revendication précédente dans lequel lesdits deux actionneurs comprennent : un premier actionneur prismatique (LAI), relié à ladite base (BF) par un premier point de connexion (BAI') gisant sur ledit premier axe (ko) et audit corps à orienter (PM) par un second point de connexion (PAS') ne gisant sur aucun axe de rotation ; - un second actionneur prismatique (LAI), relié à ladite base (BF) par un premier point de connexion (BA2') ne gisant sur aucun axe de rotation et audit corps à orienter (PM) par un second point de connexion (PA2') gisant sur ledit second axe (il).

16. Mécanisme selon la revendication 14 dans lequel les deux actionneurs sont prévus pour actionner en rotation un ou deux desdits points de connexion (JS).