FR2960468A1 - Structure gonflable articulee et bras robotise comportant une telle structure - Google Patents

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Abstract

Structure articulée comprenant une enveloppe (1) tubulaire gonflable qui contient un fluide sous pression et qui a un axe central (2) le long duquel sont définis au moins un tronçon à géométrie fixe (1.1) et un tronçon à géométrie variable (1.2), le bras comportant des moyens de déformation (7, 8, 9, 10) du tronçon à géométrie variable, l'enveloppe et les moyens de déformation étant agencés pour engendrer une courbure du tronçon à géométrie variable de telle manière que le tronçon à géométrie variable conserve un volume sensiblement constant. Bras robotisé comportant une telle structure.

Description

La présente invention concerne une structure gonflable articulée et un bras robotisé comportant une telle structure. La présente invention concerne ainsi par exemple un bras robotisé à fort élancement destiné notamment à l'inspection des lieux encombrés, difficiles d'accès ou hostiles pour l'homme en particulier en raison de risques chimiques ou radiologiques. L'invention concerne plus particulièrement un bras ayant une structure gonflable.
On connait des structures gonflables rigides qui présentent l'avantage d'être légères, faciles à déployer et à ranger, qui peuvent supporter un fort élancement et sont relativement insensibles aux chocs. Il a été envisagé d'utiliser une telle structure dans un bras robotisé pour faire bénéficier à ce dernier des avantages des structures gonflables. Un tel bras comprend ainsi généralement au moins un tronçon gonflé et rigide qui est relié à une base et/ou à un autre tronçon gonflé et rigide par une articu- lation comportant des pièces mécaniques massives mettant en oeuvre des liaisons pivot, glissière et/ou pivot glissant. Les bras les plus évolués comportent plusieurs tronçons gonflés et rigides qui sont reliés deux à deux par une telle articulation.
Un inconvénient de ces bras réside principalement dans leur masse à laquelle contribuent principalement les articulations. Cette masse relativement importante impose une limitation de l'élancement maximal de tels bras. Un but de l'invention est de remédier à tout ou partie des inconvénients des structures gonflables desti- nées à autoriser des débattements angulaires. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une structure gonflable articulée comportant une enveloppe tubulaire gonflable qui contient un fluide sous pression et qui possède un tronçon à géométrie variable, la struc- ture comportant des moyens de déformation du tronçon à géométrie variable, l'enveloppe et les moyens de déformation étant agencés pour engendrer une courbure du tronçon à géométrie variable de telle manière que le tronçon à géométrie variable conserve un volume sensiblement cons-tant. Ainsi, la structure articulée constitue une articulation qui résulte de la courbure du tronçon à géométrie variable. Cette courbure est réalisée à volume cons- tant, ce qui limite l'énergie nécessaire à la modification de géométrie. Le tronçon à géométrie variable conserve sensiblement une relativement bonne capacité de résistance aux efforts hors du plan de déformation. De préférence, l'enveloppe présente un axe cen- tral le long duquel sont définis au moins un tronçon à géométrie fixe et le tronçon à géométrie variable. Le tronçon à géométrie variable et le tronçon à géométrie fixe possèdent sensiblement la même capacité de résistance aux efforts hors du plan de déformation de sorte que le tronçon à géométrie variable n'altère pas la rigidité globale de la structure articulée. Selon un mode de réalisation particulier, l'enveloppe présente au niveau du tronçon à géométrie variable des plis sensiblement perpendiculaires à l'axe central de l'enveloppe pour autoriser un différentiel de longueur du tronçon à géométrie variable de part et d'autre de l'axe central tout en maintenant constante une section droite du tronçon à géométrie variable. Le tronçon à géométrie variable a ainsi une structure simple. Le maintien de la section droite cons-tante assure la conservation du volume. De préférence alors, les plis sont de forme annulaire et comportent des portions cousues les unes aux autres selon deux lignes de couture s'étendant symétrique- ment de part et d'autre de l'axe central et des portions libres s'étendant symétriquement de part et d'autre de l'axe central. Les coutures, en empêchant le dépliement des plis selon deux lignes symétriquement opposées, permettent de définir avec l'axe central une surface médiane de l'enveloppe le long de laquelle l'enveloppe a une longueur constante quelle que soit la géométrie du tronçon à géométrie variable. Les lignes de coutures laissent entre elles des portions qui sont libres de se déformer pour autoriser un raccourcissement ou un allongement de l'enveloppe dans un plan perpendiculaire à ladite surface médiane. Avantageusement, les moyens de déformation sont agencés pour obtenir un repliement égal de chacun des plis formant ce tronçon. Ceci permet d'obtenir une courbure régulière. Selon un mode de réalisation particulier des moyens de déformation comprennent au moins un actionneur associé à au moins un câble ayant une extrémité reliée à une portion libre d'un pli de telle manière qu'une traction exercée par l'actionneur sur le câble provoque un repliement de la portion du pli auquel le câble est relié. Les moyens de déformation ont alors une structure simple. De préférence, un câble est relié à chaque pli, les câbles ayant des extrémités reliées à des anneaux fixés aux portions libres des plis et au moins un des câbles est engagé dans deux anneaux adjacents pour former un mouflage et, avantageusement, le tronçon à géométrie variable comporte n plis et les moyens de déformation associés à ce tronçon à géométrie variable comporte un uni-que actionneur relié à n câbles reliés chacun à un pli, le pli le plus éloigné de l'actionneur étant relié au câ- ble correspondant par un mouflage à k brins et chacun des autres plis étant relié au câble correspondant via un mouflage comportant un nombre de brins augmentant de 1 depuis le pli voisin d'une première extrémité du tronçon à géométrie variable jusqu'au pli voisin d'une deuxième extrémité du tronçon à géométrie variable pour atteindre n+k brins pour ce pli. Il est ainsi possible de n'utiliser qu'un actionneur pour agir sur tous les câbles nécessaires à la cour-bure d'un tronçon à géométrie variable. Les anneaux for- ment des axes de renvoi des câbles et tout élément sus- ceptible d'assurer cette fonction est utilisable. L'invention a également pour objet un bras robotisé utilisant au moins une telle structure gonflable articulée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita-tifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle, en perspective, d'un bras robotisé conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective et en coupe selon le plan II de la figure 1 d'un tronçon à géométrie variable de ce bras ; - les figures 3 et 4 sont des vues de dessus de ce tronçon respectivement selon une géométrie rectiligne et selon une géométrie courbe ; - la figure 5 est une vue partielle de dessus du bras de la figure 1 montrant le passage des câbles et une des lignes de couture ; - la figure 6 est une schématique partielle de dessus d'un tronçon à géométrie variable de ce bras.
En référence aux figures, le bras robotisé conforme à l'invention comprend une structure gonflable constituée ici d'une enveloppe, généralement désignée en 1, de forme tubulaire ayant un axe central 2. Avantageu- sement l'enveloppe 1 comprend une toile 3 externe recouvrant une chambre 4 interne. La toile 3 est ici en un matériau souple mais néanmoins sensiblement inextensible et la chambre 4 est en un matériau étanche à l'air, ici un élastomère. L'enveloppe 1 possède une extrémité obturée et une extrémité opposée pourvue de moyens d'admission d'un fluide sous pression, ici de l'air. Les moyens d'admission sont connus en eux-mêmes et comprennent ici une valve et une pompe ou une réserve de fluide sous pression ayant un orifice de sortie s'adaptant sur la valve. D'autres moyens de gonflage de l'enveloppe sont bien entendu utilisables. L'enveloppe 1 comporte des tronçons 1.1 à géométrie fixe et des tronçons 1.2 à géométrie variable qui sont définis en alternance le long de l'axe central 2. Au niveau des tronçons 1.1, la toile 3 est tendue alors qu'au niveau des tronçons 1.2, la toile comporte des plis 5. Les plis 5 sont de forme annulaire et comportent des portions 5.1 cousues les unes aux autres selon deux lignes de couture 6 s'étendant symétriquement de part et d'autre de l'axe central 2 et des portions libres 5.2 s'étendant symétriquement de part et d'autre de l'axe central 3. Par cette construction, les lignes de couture 6 assurent une inextensibilité du tronçon 1.2 en deux zones longitudinales de l'enveloppe 1 symétriquement oppo- Sées et les plis 5 autorisent une courbure de chaque tronçon 1.2 en autorisant un différentiel de longueur du tronçon 1.2 de part et d'autre de l'axe central 2 tout en maintenant constante une section droite du tronçon 1.2 de sorte que le tronçon 1.2 conserve un volume constant quelle que soit sa géométrie. Les portions libres sont agencées pour autoriser un angle de courbure maximal du tronçon 1.2 d'au moins 90° environ. L'angle de courbure maximal du tronçon 1.2 dépend notamment de sa longueur et il est très aisé d'atteindre des valeurs maximales diffé- rentes. Des moyens de déformation sont associés à chaque tronçon à géométrie variable. Ils sont conçus pour obtenir un repliement égal de chacun des plis formant ce tronçon lorsque l'on veut obtenir une courbure régulière.
Les moyens de déformation des tronçons 1.2 comportent, pour chaque tronçon 1.2, un moteur électrique 7, contrôlé en position, ayant un arbre de sortie entrainant une poulie 8 d'enroulement d'une portion centrale d'un câble primaire 9. On note que, du fait de ce montage, lorsque le moteur exerce une traction sur un brin du câble primaire 9 (et donc sur le faisceau de câbles secondaires 10 y attachés), il relâche l'autre brin du câble primaire 9 (et donc sur le faisceau de câbles secondaires 10 y attachés). Le câble 9 court le long de l'enveloppe 1 et est guidé par des moyens de guidage 11 (par exemple des gaines ou ici des anneaux 11) qui sont fixés à intervalles réguliers le long de l'enveloppe 1 et reçoivent le câble primaire 9 à coulissement. Le câble primaire 9 a deux extrémités opposées reliées chacune à un faisceau de câbles secondaires 10 s'étendant de chaque côté de l'enveloppe 1 sensiblement en regard des portions libres 5.2 des plis 5 du tronçon 1.2 concerné. Chaque câble secondaire 10 a une extrémité fixée au câble primaire 9 et une extrémité opposée fixée à un anneau 12 fixé sur la portion libre 5.2 d'un pli 5 de telle manière qu'une traction exercée par l'actionneur sur le câble secondaire 10 provoque un repliement de la portion libre 5.2 du pli 5 auquel le câble secondaire 10 est relié.
Chaque tronçon 1.2 comporte ainsi n plis et les moyens de déformations associés à ce tronçon 1.2 comportent un unique actionneur 7 relié, pour chaque côté du tronçon 1.2 à n câbles secondaires 10 reliés chacun à une portion déformable 5.2 d'un pli 5. La portion déformable 5.2 du pli 5 le plus éloigné de l'actionneur est reliée directement au câble secondaire 10 correspondant et chacune des portions déformables 5.2 des autres plis 5 est reliée au câble secondaire 10 qui leur correspond via un mouflage 13 comportant un nombre de brins augmentant de 1 depuis le pli le plus éloigné de l'actionneur jusqu'au pli le plus proche de l'actionneur pour atteindre n brins pour le pli le plus proche de l'actionneur. A la figure 6 est représenté un tronçon à géométrie variable comportant un nombre n de plis égal à quatre.
On notera que certains des anneaux 12 reçoivent à coulissement un ou plusieurs des câbles secondaires 10. Les moyens d'admission et les moyens de déformation sont regroupés dans une base, non représentée, servant de support au robot, l'extrémité de l'enveloppe 1 associée aux moyens d'admission étant fixée à ladite base. L'enveloppe 1 et les moyens de déformation sont agencés pour engendrer une courbure des tronçons 1.2 à géométrie variable de telle manière que les tronçons 1.2 à géométrie variable conservent un volume constant quelle que soit leur courbure. Les plis 5 sensiblement perpendiculaires à l'axe central de l'enveloppe autorisent un différentiel de longueur du tronçon à géométrie variable de part et d'autre de l'axe central 2 tout en maintenant constante une section droite du tronçon 1.2. La géométrie de chaque tronçon 1.2 est modifiable indépendamment de celle des autres tronçons par un actionneur 7 dédié, sans couplage de ces tronçons entre eux.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.
En particulier, l'enveloppe peut comprendre une ou plusieurs couches liées entre elles sur toute leur surface ou non. L'enveloppe peut par exemple être formée d'une toile enduite. L'enveloppe peut comprendre des matériaux différents selon les tronçons ou selon les par- tions des tronçons à géométrie variable. L'enveloppe peut être en un matériau extensible selon l'axe central du bras de sorte que les tronçons à géométrie variable peu-vent être dépourvus de plis à condition de garantir l'inextensibilité suivant les lignes 6.
Le fluide utilisé pour gonfler l'enveloppe du bras robotisé peut être l'air, un autre gaz tel qu'un gaz inerte ou un liquide. Les moyens de déformations peuvent ne comprendre qu'un seul type de câbles et autant d'actionneurs que de câbles (sans recourir à des mouflages). Les moyens de déformations peuvent être agencés pour autoriser des courbures asymétriques. Les actionneurs peuvent être notamment des actionneurs rotatifs ou à mouvement rectiligne alternatif.
Les tronçons à géométrie variable peuvent être agencés pour permettre un angle maximal de courbure supérieur ou inférieur à 90°. Dans le cas où ledit tronçon comporte des plis, on peut jouer sur le nombre et la pro-fondeur des plis.
Les anneaux 11, 12 peuvent être en tout matériau, métal, matière plastique, tissus... On préfèrera néanmoins un matériau rigide pour les anneaux 12 sur lesquels un mouflage est réalisé. Tout élément assurant une fonction d'axe de renvoi peut être utilisé en lieu et place des anneaux. Il est ainsi possible d'utiliser des poulies pour minimiser les frottements. La structure articulée peut être dépourvue d'actionneurs. L'invention peut également être obtenue par une 5 inversion cinématique des moyens de déformation décrits.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Structure articulée comprenant une enveloppe (1) tubulaire gonflable qui contient un fluide sous pres- Sion et qui possède un tronçon à géométrie variable (1.2), la structure comportant des moyens de déformation (7, 8, 9, 10) du tronçon à géométrie variable, l'enveloppe et les moyens de déformation étant agencés pour engendrer une courbure du tronçon à géométrie varia- ble de telle manière que le tronçon à géométrie variable conserve un volume sensiblement constant.
  2. 2. Structure selon la revendication 1, dans la-quelle l'enveloppe présente un axe central (2) le long duquel sont définis au moins un tronçon à géométrie fixe (1.1) et le tronçon à géométrie variable (1.2).
  3. 3. Structure selon la revendication 1, dans la-quelle l'enveloppe (1) présente au niveau du tronçon à géométrie variable (1.2) des plis (5) sensiblement perpendiculaires à l'axe central (2) de l'enveloppe pour au- toriser un différentiel de longueur du tronçon à géométrie variable de part et d'autre de l'axe central tout en maintenant constante une section droite du tronçon à géométrie variable.
  4. 4. Structure selon la revendication 3, dans le- quel les plis (5) sont de forme annulaire et comportent des portions (5.1) cousues les unes aux autres selon deux lignes de couture (6) s'étendant symétriquement de part et d'autre de l'axe central (2) et des portions libres (5.2) s'étendant symétriquement de part et d'autre de l'axe central.
  5. 5. Structure selon la revendication 4, dans le-quel les moyens de déformation comprennent au moins un actionneur (7) associé à au moins un câble (9, 10) ayant une extrémité reliée à une portion libre (5.2) d'un pli (5) de telle manière qu'une traction exercée parl'actionneur sur le câble provoque un repliement de la portion du pli auquel le câble est relié.
  6. 6. Structure selon la revendication 5, dans le-quel le câble (9) court le long de l'enveloppe (1) et au moins un élément de guidage (11) du câble est fixé à l'enveloppe.
  7. 7. Structure selon la revendication 5, dans le-quel un câble (10) est relié à chaque pli (5), les câbles ayant des extrémités reliées à des anneaux (12) fixés aux portions libres (5.2) des plis et au moins un des câbles est engagé dans deux anneaux adjacents pour former un mouflage (13).
  8. 8. Structure selon la revendication 7, dans le-quel au moins un des anneaux (12) reçoit à coulissement au moins un autre des câbles (10).
  9. 9. Bras selon la revendication 7, dans lequel le tronçon à géométrie variable (1.2) comporte n plis et les moyens de déformation associés à ce tronçon à géométrie variable comporte un unique actionneur (7) relié à n câ- bles (10) reliés chacun à un pli (5), le pli le plus éloigné de l'actionneur étant relié au câble correspondant par un mouflage à k brins et chacun des autres plis étant relié au câble correspondant via un mouflage (13) comportant un nombre de brins augmentant de 1 depuis le pli voisin d'une première extrémité du tronçon à géométrie variable jusqu'au pli voisin d'une deuxième extrémité du tronçon à géométrie variable pour atteindre n+k brins pour ce pli.
  10. 10. Structure selon la revendication 1, dans le- quel le tronçon à géométrie variable (1.2) est agencé pour posséder un angle de courbure maximal d'au moins 90° environ.
  11. 11. Structure selon la revendication 1, dans le-quel l'enveloppe (1) comprend une chambre interne étanche (4) recouverte par une toile inextensible (3).
  12. 12. Bras robotisé comportant au moins une structure articulée conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
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