FR2965207A1

FR2965207A1 - Robot parallele dote de six degres de liberte

Info

Publication number: FR2965207A1
Application number: FR1003825A
Authority: FR
Inventors: Francois Nicolas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-03-30

Abstract

L'invention concerne un robot parallèle, doté de six degrés de liberté, comprenant au moins quatre sous-ensembles, agissant en parallèle depuis la base (1) sur la plateforme (100), comprenant chacun uniquement deux actionneurs (2.1, 2.2), la partie mobile (3.1, 3.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant articulée à la première extrémité d'une barre (20.1, 20.2) respective au moyen uniquement d'une liaison passive (5.1, 5.2) respective dotée de trois degrés de liberté en rotation, la deuxième extrémité de chacune desdites deux barres (20.1, 20.2), dudit sous-ensemble, étant articulée l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive (10), l'extrémité d'une seule desdites deux barres (20.1, 20.2), dudit sous-ensemble, étant articulée à la plateforme (100) uniquement au moyen d'une articulation passive (4) dotée de trois degrés de liberté en rotation, la partie fixe (2.1, 2.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant solidaire de la base (1). Ce robot ne présente pas de configuration singulière de type parallèle.

Description

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un robot parallèle doté six degrés de liberté. Ce robot permet de déplacer et d'orienter une plateforme, permet d'effectuer des mesures de position dans l'espace ou peut servir de dispositif haptique. La plateforme peut être équipée d'un outil, d'un instrument, d'un dispositif émetteur, d'un dispositif récepteur, d'un dispositif de mesure et/ou d'un dispositif de préhension.

TECHNIQUE ANTERIEURE Les robots parallèles sont composés d'un groupe de chaînes cinématiques, comportant des actionneurs, agissant en parallèle depuis une base sur une plateforme. Les robots parallèles ont pour avantage une grande rigidité et une grande précision de positionnement et d'orientation, et peuvent atteindre des vitesses de déplacement et des accélérations importantes. Ils présentent un temps de calcul rapide du modèle géométrique inverse. Dans la suite, le qualificatif "passif' appliqué à un élément, une liaison ou une articulation signifie que cet élément, cette liaison ou cette articulation ne comporte pas d'actionneur motorisé. Les liaisons pivot, cardan et sphérique détaillées dans la suite sont toutes des liaisons passives. Le robot hexapode de Gough est constitué d'une plateforme articulée à la base au moyen de six jambes constituées chacune d'un actionneur muni à ses deux extrémités d'une articulation passive. Chaque articulation, fixée sur la plateforme, évolue sur une sphère de rayon égal à la distance entre les centres de rotation des deux articulations d'une même jambe et ayant pour centre le centre de rotation de l'articulation fixée à l'autre extrémité de ladite jambe, une posture de la plateforme étant déterminée par la combinaison des différents rayons. Le calcul géométrique direct nécessite la résolution d'un système d'équations non linéaires, extrêmement coûteux en temps de calcul, et présente plusieurs solutions. Ainsi pour même combinaison de position de la partie mobile des actionneurs, relativement à leur partie fixe respective, la plateforme peut présenter plusieurs postures, il en résulte la présence de configurations singulières de type parallèle lorsque ces postures, solutions du calcul géométrique direct, sont extrêmement proches les unes des autres, ce qui entraîne 1 une faible amplitude d'orientation de la plateforme de l'ordre de +/- 40 degrés autour de chacun des axes X,Y et Z. Dans une variante décrite dans le brevet WO8909120, chaque jambe est remplacée par une barre de longueur fixe articulée à la partie mobile d'un actionneur dont la partie fixe est solidaire de la base. Cette architecture bénéficie ainsi d'une meilleure dynamique que celle de l'hexapode, mais présente les mêmes contraintes à savoir une faible amplitude d'orientation et la présence de singularité de type parallèle. Dans une autre variante décrite dans le brevet US5333514, les actionneurs sont de type rotatif et leur partie mobile prend la forme d'un bras de commande amplifiant le déplacement de l'articulation placée à l'extrémité de ladite partie mobile. Cette architecture destinée à réaliser un robot rapide présente les mêmes contraintes que celle de l'hexapode. Afin de faciliter la résolution du calcul géométrique direct, l'article "Hunt K.H. Structural kinematics of in parallel actuated robot arms. J. of Mechanisms, Transmissions and Automation in Design, 105(4):705-712, Mars 1983" propose un robot dont les articulations de deux jambes consécutives de la plateforme sont constituées d'une double rotule concentrique, dont le centre de rotation évolue sur un cercle correspondant à l'intersection des deux sphères relatives à chacune des jambes liées à ladite double rotule. Cette solution présente l'inconvénient de restreindre l'amplitude angulaire de l'espace de travail à cause du faible débattement angulaire des doubles rotules, qui sont par ailleurs difficiles à réaliser et qui présentent une faible capacité de charge. On connaît une architecture hybride de robot rapide, dotée de six degrés de liberté, constituée d'un poignet sériel monté sur une plateforme intermédiaire déplacée en translation grâce à un robot parallèle doté de trois degrés de liberté décrit dans le brevet WO8703528. Ce robot présente des vitesses de déplacement inférieures à celle obtenues avec le robot, décrit dans le brevet WO8703528, à cause de la masse dudit poignet et de la surcharge opérée par les éléments de transmission actionnant à distance les rotations dudit poignet. Une architecture similaire, employée dans des robots destinés à réaliser de l'usinage, présente une moindre rigidité qu'une architecture de robot dont tous les actionneurs agissent en parallèle depuis la base sur la plateforme, comportant l'outil, du fait de l'aspect sériel de cette architecture.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention a pour objectif de proposer un robot présentant les avantages des robots parallèles connus en éliminant leurs inconvénients. Les principaux avantages du robot de la présente invention résident dans le fait que sa plateforme présente une unique posture pour une combinaison donnée de position de la partie mobile des actionneurs, ne présente pas de configuration singulière de type parallèle à l'intérieur de l'espace de travail, bénéficie d'une amplitude d'orientation supérieure à +/- 90 degrés autour des axes X,Y et Z, et bénéficie d'un calcul simple et rapide des modèles géométriques direct et inverse permettant le pilotage, la vérification de la conformité de la trajectoire et la modification de la trajectoire de la plateforme en temps réel. Ces objectifs sont atteints grâce à l'invention ayant pour objet un robot parallèle, doté de six degrés de liberté, comprenant une base et une plateforme couplée à la base par des moyens de mise en mouvement qui comportent au moins quatre sous-ensembles, agissant en parallèle depuis la base sur la plateforme, comprenant chacun uniquement deux actionneurs, la partie mobile de chacun desdits deux actionneurs étant articulée à la première extrémité d'une barre respective au moyen uniquement d'une liaison passive respective dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives, la deuxième extrémité de chacune desdites deux barres, dudit sous-ensemble, étant articulée l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive, l'extrémité d'une seule desdites deux barres, dudit sous-ensemble, étant articulée à la plateforme uniquement au moyen d'une articulation passive dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives, la partie fixe de chacun desdits deux actionneurs étant solidaire de la base. Dans la suite, l'expression "'seule liaison pivot" désigne uniquement la seule liaison pivot passive liant la barre articulée à la partie mobile du premier actionneur à la barre articulée à la partie mobile du deuxième actionneur d'un sous-ensemble. L'expression "articulation passive" désigne uniquement l'articulation passive liant 30 l'extrémité de la barre d'une seule desdites deux barres d'un sous-ensemble à la plateforme. Par convention, l'articulation passive sera solidaire de la barre articulée au premier actionneur d'un sous-ensemble. 3 L'expression "liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie mobile de chacun desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à sa barre respective. L'expression "première liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie mobile du premier desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à sa barre respective. L'expression "deuxième liaison passive" désigne uniquement la liaison passive liant la partie mobile du deuxième desdits deux actionneurs d'un sous-ensemble à sa barre respective. Ainsi, pour chaque sous-ensemble, la seule liaison pivot évolue sur un cercle qui correspond à l'intersection d'une première sphère ayant pour centre le centre de rotation de la première liaison passive et de rayon d'une longueur égale à la distance entre le centre de rotation de ladite première liaison passive et le centre de rotation de ladite seule liaison pivot, et d'une deuxième sphère ayant pour centre le centre de rotation de la deuxième liaison passive et de rayon d'une longueur égale à la distance entre le centre de rotation de ladite deuxième liaison passive et le centre de rotation de ladite seule liaison pivot. Pour chaque sous-ensemble, le centre de rotation de l'articulation passive évolue sur un cercle homothétique au précédent cercle dans une homothétie ayant pour centre le centre de rotation de la première liaison passive.

L'articulation passive de chaque sous-ensemble étant contrainte à évoluer sur un cercle et non sur sphère, il en résulte une simplification importante dans la résolution du calcul géométrique direct qui montre que pour chaque combinaison donnée de position de la partie mobile des actionneurs, la posture de la plateforme est unique, étant donné que le nombre de sous-ensembles est au moins égal à quatre. Il en résulte que le robot ne présente pas de singularité de type parallèle au sein de son espace de travail. La partie fixe des actionneurs étant solidaire de la base, le robot bénéficie d'une dynamique importante et d'un coût énergétique réduit pour la mise en mouvement de la plateforme. Le robot bénéficie aussi d'une rigidité importante grâce au fait que les actionneurs agissent tous en parallèle directement sur la plateforme.

Les points correspondant à la projection selon une direction normale au plan de la base sur un même plan parallèle à la base du centre de rotation de toutes lesdites liaisons passives, liant la partie mobile des actionneurs à leur barre respective, de quatre sous-ensembles desdits au moins quatre sous-ensembles sont disposés sur les côtés d'un quadrilatère.

La meilleure disposition du robot est obtenue lorsque ledit quadrilatère est un carré. Il est aussi possible d'avoir une disposition du robot telle que ledit quadrilatère est un parallélogramme, ou un rectangle ou un losange. La partie mobile des actionneurs peut être mise en mouvement au moyen de moteur électrique, pneumatique, hydraulique, linéaire, piézo-électrique, de champs magnétiques variables ou à l'aide de câbles entraînés par des moteurs. Dans le cas d'actionneurs à mouvement rotatif, l'expression "la position de la partie mobile d'un actionneur" désigne l'angle de rotation de la partie mobile d'un actionneur. Le robot est pourvu de moyens de commande destinés à commander les moteurs des actionneurs de façon à commander les mouvements de la plateforme. Les actionneurs peuvent être passifs, dans le cas d'un robot servant de dispositif haptique, et être constitués de capteur de déplacement linéaire et/ou de déplacement rotatif. Le robot peut être muni d'une pince, de caméras et de dispositif de mesure de la position et de l'orientation dans l'espace de la base et/ou de la plateforme.

DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées faisant partie intégrante de ladite description et qui sont toutes des vues en perspective, parmi lesquelles : la figure 1 présente un robot, doté de six degrés de liberté, comportant quatre sous-ensembles, comportant chacun deux actionneurs (2.1, 2.2) à mouvement linéaire dont la partie fixe (2.1, 2.2) est solidaire de la base, la figure 2 présente une variante du précédent robot, dans laquelle les actionneurs (2.1, 2.2) sont à mouvement rotatif, - la figure 3 présente une variante du robot de la figure 2, dont la plateforme (100) est composée de barres (200) articulées.

Dans les figures, seule la partie fixe des liaisons constituant les éléments de liaison est représentée, la partie mobile étant solidaire d'un autre élément et donc confondue avec cet autre élément. Un indice numérique ajouté au nombre désignant un élément identifie l'élément au sein du sous-ensemble. Un actionneur est désigné par le numéro correspondant à sa partie fixe.

MEILLEURES MANIERES DE REALISER L'INVENTION

La figure 1 présente un robot, doté de six degrés de liberté, dont les moyens de mise en mouvement comportent au moins quatre sous-ensembles agissant en parallèle depuis la base (1) sur la plateforme (100), comprenant chacun uniquement deux actionneurs (2.1, 2.2), la partie mobile (3.1, 3.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant articulée à la première extrémité d'une barre (20.1, 20.2) respective au moyen uniquement d'une liaison passive (5.1, 5.2) respective dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives.

La deuxième extrémité de chacune desdites deux barres (20.1, 20.2), d'un sous-ensemble, est articulée l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive (10). L'extrémité d'une seule desdites deux barres (20.1, 20.2), d'un sous-ensemble, est articulée à la plateforme (100) uniquement au moyen d'une articulation passive (4) dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives. La partie fixe (2.1, 2.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant solidaire de la base (1). Les liaisons (4, 5.1, 5.2) sont présentées sous la forme d'un assemblage de liai'sons pivot montées en série, dont les axes de rotation sont de préférence tous concourants en un même et unique point, correspondant au centre de rotation de ladite liaison. Ces liaisons (4, 5.1, 5.2) bénéficient d'une amplitude angulaire importante. Des rotules peuvent aussi être utilisées en remplacement de ces assemblages. La plateforme est présentée dans une forme rigide, et peut prendre une forme quelconque ou prendre des formes particulières telles que carré, rectangle, parallélogramme, losange. Les axes longitudinaux de tous les actionneurs (2.1, 2.2) des sous-ensembles sont parallèles entre eux. Dans une variante non représentée, pour chaque sous-ensemble d'au moins quatre sous-ensembles, les axes longitudinaux des deux actionneurs d'un sous-ensemble sont situés dans le plan d'une face respective d'une pyramide à base quadrangulaire. La figure 2 présente une variante du robot de la figure 1, dans laquelle les actionneurs (2.1, 2.2) sont à mouvement rotatif et dont la partie mobile (3.1, 3.2) prend la forme d'un bras de commande. Cette variante est particulièrement adaptée pour réaliser un robot rapide.

La figure 3 présente une variante du robot de la figure 2, dont la plateforme (100) est composée de quatre barres (200) articulées entre elles au moyen d'une liaison pivot respective. Un outil ou une pince peuvent être installés sur l'une des barres (200) constituant la plateforme (100) ou sur un dispositif amplifiant la rotation d'une barre (200) par rapport à une barre (200) adjacente, permettant ainsi d'obtenir une amplitude de rotation importante autour de la normale à la plateforme (100). Cette plateforme (100) articulée peut aussi être mise en oeuvre dans le robot de la figure 1. L'emplacement de l'articulation passive (4) peut être situé à l'extrémité de la barre (20.1) articulée au premier actionneur (2.1) de telle sorte que le centre de rotation de ladite articulation passive (4) coïncide avec le centre de rotation de la seule liaison pivot (10) d'un sous-ensemble. Afin d'améliorer la dextérité de la plateforme (100) dans une portion de l'espace de travail en terme d'amplitude angulaire, il est possible de disposer les actionneurs (2.1, 2.2) 15 de différents sous-ensembles dans des plans différents. Le nombre de sous-ensembles peut être augmenté afin de déplacer des charges importantes ou de grandes envergures, de même il est possible d'ajouter une ou plusieurs jambe(s) constituée(s) d'un actionneur articulé d'une part à la base et d'autre part à la plateforme. 20 POSSIBILITES D'APPLICATION INDUSTRIELLE

Le robot peut être utilisé dans des domaines d'application très variés, notamment celui des machines-outils ou des dispositifs d'assemblage nécessitant des déplacements et 25 des orientations de grande précision de l'outil ou de l'objet à usiner ou à assembler. Le robot est particulièrement intéressant pour l'usinage d'optique grâce à sa très grande précision angulaire. Le robot peut servir à déplacer et/ou orienter un objet de masse importante ou des dispositifs tels que dispositif de mesure médical, outil chirurgical, théodolite, télescope, émetteur / récepteur d'onde de télécommunication, émetteur / 30 récepteur de rayonnement (laser, rayon X). Le robot peut servir à constituer une machine à mesurer tridimensionnelle. Le robot peut servir à réaliser les mouvements d'un simulateur de moyens de locomotion ou d'une machine d'attraction, disposant d'une grande amplitude d'orientation.

Le robot peut servir de poignet pour un robot sériel, apportant à celui-ci une très grande précision de mouvement localement, sans mettre en mouvement l'ensemble des éléments du bras du robot, la position de la base et/ou de la plateforme du robot parallèle dans l'espace étant déterminée(s) par un dispositif de mesure. Le robot peut être adjoint au bras d'un engin de chantier, à un engin de manutention ou à une grue articulée. Le robot peut servir dans des opérations de 'pick-and-place', rapide ou de palettisation, notamment de charges importantes, avec un espace de travail important bénéficiant de plages angulaires d'orientation importantes de la plateforme. Le robot peut servir de dispositif haptique permettant de détecter le déplacement et l'orientation de la plateforme effectués par un opérateur par rapport à la base par l'emploi de capteurs de position de la partie mobile des actionneurs, et complété ou non par un dispositif de retour de force. Le robot peut servir de troisième main pour maintenir un objet, lorsque les actionneurs sont passifs et sont dotés d'un dispositif de blocage commandé.

Le robot peut être monté sur un dispositif de déplacement linéaire, rotatif, cartésien ou de type portique. Plusieurs robots peuvent collaborer à la manipulation d'un objet de grande dimension ou de masse importante. Les secteurs d'activités susceptibles d'utiliser de tels robots sont variés : construction automobile, navale et aéronautique, construction de bâtiment, électronique, agro-alimentaire, manufacture, biotechnologies, médical, métrologie, mécanique, logistique, ...

Claims

REVENDICATIONS1. Robot parallèle, doté de six degrés de liberté, comprenant une base (1) et une plateforme (100) couplée à la base (1) par des moyens de mise en mouvement caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en mouvement comportent au moins quatre sous-ensembles, agissant en parallèle depuis la base (1) sur la plateforme (100), comprenant chacun uniquement deux actionneurs (2.1,
2.2), la partie mobile (3.1,
3.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant articulée à la première extrémité d'une barre (20.1, 20.2) respective au moyen uniquement d'une liaison passive (5.1, 5.2) respective dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives, la deuxième extrémité de chacune desdites deux barres (20.1, 20.2), dudit sous-ensemble, étant articulée l'une à l'autre au moyen uniquement d'une seule liaison pivot passive (10), l'extrémité d'une seule desdites deux barres (20.1, 20.2), dudit sous-ensemble, étant articulée à la plateforme (100) uniquement au moyen d'une articulation passive (4) dotée de trois degrés de liberté en rotation et de trois degrés de liaison en translation équivalente à trois liaisons pivot passives, la partie fixe (2.1, 2.2) de chacun desdits deux actionneurs (2.1, 2.2) étant solidaire de la base (1). 2. Robot parallèle selon la revendication 1 caractérisé en ce que les points correspondant à la projection selon une direction normale au plan de la base (1) sur un même plan parallèle à la base du centre de rotation de toutes lesdites liaisons passives (5.1, 5.2), liant la partie mobile (3.1, 3.2) des actionneurs (2.1, 2.2) à leur barre respective (20.1, 20.2), de quatre sous-ensembles desdits au moins quatre sous-ensembles sont disposés sur les côtés d'un quadrilatère. 3. Robot parallèle selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit quadrilatère est un carré.
4. Robot parallèle selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit quadrilatère est un parallélogramme.
5. Robot parallèle selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit quadrilatère est un rectangle
6. Robot parallèle selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit quadrilatère est un losange.
7. Robot parallèle selon l'une quelconque des précédentes revendications caractérisé en ce que pour chaque sous-ensemble d'au moins quatre sous-ensembles, les axes longitudinaux des deux actionneurs (2.1, 2.2) d'un sous-ensemble sont situés dans le plan d'une face respective d'une pyramide à base quadrangulaire.