FR3032645A1 - Dispositif de prehension robotise a doigts articules - Google Patents

Abstract

Dispositif de préhension robotisé à doigts articulés où chaque doigt comporte une pluralités de phalanges articulées entre elles et des actionneurs pour commander le pivotement des phalanges entre elles, caractérisé en ce que chaque doigt (1) comporte une première phalange (41) motrice et une suite de phalanges paires et impaires (42 à 49), deux phalanges successives de même parité (41, 43) étant articulées sur une phalange intermédiaire de parité différente (42) selon des axes (A2, A3) parallèles et distants l'un de l'autre, les dites deux phalanges de même parité (41, 43) engrenant entre elles, la première phalange (41) étant montée pivotante sur un support (2) pourvu d'un actionneur (3) pour entrainer la première phalange en rotation, la deuxième phalange (42), articulée sur la première phalange, engrenant avec une denture (212) du dit support, la dernière phalange (49) comporte une seule articulation sur l'avant-dernière phalange, et engrène avec l'anté- pénultiemme phalange.

Description

1 Dispositif de préhension robotisé à doigts articulés. La présente invention concerne un nouveau dispositif de préhension robotisé à doigts articulés. On connaît déjà de nombreux dispositifs de ce type, encore appelés mains robotisées, dans lesquels les doigts sont formés de plusieurs tronçons, ou phalanges, articulés entre eux, et où le mouvement de ces tronçons est commandé par un mécanisme qui agit séparément ou simultanément sur tous les tronçons. US4367891 décrit un système comportant plusieurs phalanges formées de biellettes et des vérins successifs en série, chaque biellette étant reliée à la biellette précédente par un vérin. Un tel système est couteux et complexe à commander du fait de la multiplicité de dû à tous ces vérins, vérins. De plus son encombrement, est important. Des dispositifs tels que décrits dans US4401407, US5108140 ou US6260902 utilisent des systèmes de quadrilatères déformables. Ces systèmes permettent d'utiliser moins de vérins, mais restent très encombrants ou limités dans leur capacité de mobilité des doigts. US8342586 décrit un système dans lequel les phalanges sont entrainées en rotation par un jeu de poulies, courroies et limiteur de couples montés sur les articulations. Outre que la description de ce système paraît erronée, ou au moins incomplète, pour ce qui concerne le pivotement des deuxièmes et troisièmes phalanges, un système de ce type fonctionne uniquement du fait des butées successives de chaque phalange sur l'objet à maintenir, générant donc un effort de pression de chaque phalange sur l'objet, avant que la phalange suivante se déplace. Un tel système est particulièrement incertain quand au bon maintien de l'objet enserré, l'effort de maintien dépendant des limiteurs de couple et ne pouvant être suffisamment important sur la dernière 3032645 2 phalange que si il est encore plus important sur les phalanges précédentes, au risque de détériorer l'objet, et à tout le moins de ne pouvoir le saisir si celui-ci n'est pas préalablement fermement immobilisé.

5 KR20090041474 décrit un dispositif de préhension dans lequel les phalanges sont actionnées par un jeu d'arbres de transmission et de couples d'engrenages coniques. Ce système est particulièrement complexe par la multiplicité d'organes en rotation, arbres, engrenages 10 coniques etc. JP2004130405 montre un autre dispositif dans lequel les phalanges sont actionnées par un jeu de courroies et d'engrenages successifs. Un tel système est également complexe par le nombre de pièces utilisées, et donc 15 coûteux. Les différents systèmes évoqués ci-dessus peuvent répondre à des applications particulières mais, présentent tous, de manière générale, soit un encombrement important dû aux organes de liaison ou de 20 commande entre phalanges, soit des mécanismes complexes, pouvant être fragiles si on cherche à réduire leur encombrement, et dans tous les cas coûteux. La présente invention a pour but de résoudre les en particulier à robotisé à doigts de préhension avec masse des éléments problèmes évoqués ci-dessus, et vise 25 fournir un dispositif de préhension articulés offrant de réelles capacités une force importante par rapport à la mobiles et au poids de vise encore à fournir un l'ensemble du dispositif. Elle tel dispositif qui soit robuste, 30 d'encombrement faible, et de coût de réalisation modique. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif de préhension robotisé à doigts articulés où chaque doigt comporte une pluralité de phalanges articulées entre elles et des moyens actionneurs pour commander le pivotement des phalanges entre elles.

3032645 3 Selon l'invention, le dispositif est caractérisé en ce que chaque doigt comporte une première phalange motrice et une suite de phalanges paires et impaires, deux phalanges successives de même parité étant 5 articulées sur une phalange intermédiaire de parité différente selon des axes parallèles et distants l'un de l'autre, les dites deux phalanges de même parité engrenant entre elles, chaque doigt comporte un seul actionneur, la première phalange étant montée pivotante 10 sur un support pourvu du dit actionneur pour entrainer la première phalange en rotation, la deuxième phalange, articulée sur la première, engrenant avec une denture du dit support, la dernière phalange comporte une seule articulation sur l'avant-dernière phalange, et engrène 15 avec l'anté-pénultiemme phalange. Comme on le comprendra mieux par la suite, cet arrangement permet de mouvoir toutes les phalanges simultanément avec un seul actionneur raccordé sur la première phalange. Plus précisément, le pivotement 20 commandé de la première phalange entraîne un déplacement circulaire de l'axe de pivotement de la deuxième phalange sur ladite première phalange, lequel, du fait de l'engrènement entre la deuxième phalange et le support, provoque un pivotement relatif de la deuxième phalange 25 par rapport à la première, et ainsi de suite. La succession d'engrènements s'apparente à une suite d'engrenages d'un train épicycloïdal. Un avantage important de l'invention par rapport aux système selon l'art antérieur est qu'il n'y a pas 30 d'actionneurs propre à chaque phalange et qu'il n'y a pas non plus de moyens de liaison entre phalanges tels que biellettes ou leviers qui génèrent des poids et des encombrements pouvant être importants, et peuvent de plus créer des fragilités mécaniques. Contrairement à cela, le 35 système selon l'invention permet de réaliser un dispositif préhenseur robuste, peu encombrant, simple à 3032645 4 fabriquer et à assembler, et donc peu coûteux, notamment grâce à la possibilité de réaliser aisément les éléments constitutifs des phalanges à partir de matériaux courants, notamment en métal, aluminium ou acier, sans 5 besoin d'organes de transmission tels que courroies ou autres, comme cela est fait dans les systèmes antérieurs. Selon une disposition particulière, les secteurs dentés des différentes phalanges sont de même rayon primitif, entraînant donc des pivotements relatifs entre 10 phalanges de même valeur. Mais on pourrait aussi utiliser pour certains engrènements des rapports de rayons d'engrènement différents, pour par exemple provoquer un repli de l'extrémité du doigt plus rapide que le pivotement des premières phalanges, ou inversement.

15 Egalement, la longueur des différentes phalanges, autrement dit l'entraxe entre les deux axes d'articulation d'une même phalange, peut être la même pour toutes les phalanges mais peut aussi varier d'une phalange à l'autre, dans la mesure où la relation entre 20 l'entraxe d'une phalange quelconque et les rayons des secteurs dentés des phalanges articulés sur la dite phalange reste respectée pour assurer les engrènements. On pourra aussi modifier au besoin le module et le nombre de dents des secteurs dentés.

25 Selon un mode de réalisation particulier, non limitatif, l'actionneur est un vérin raccordé entre le support et une patte de la première phalange. Selon un mode de réalisation alternatif, l'actionneur peut aussi être un moteur entraînant en rotation un pignon engrenant 30 avec une denture de la première phalange centrée sur l'axe d'articulation de ladite première phalange sur le support. D'autres actionneurs adaptés pour commander le pivotement de la première phalange par rapport au support peuvent aussi être utilisés.

3032645 5 Le dispositif peut comporte plusieurs doigts tels que définis précédemment, le support d'au moins un doigt étant monté fixe sur une base commune. Le dispositif peut comporter un ou plusieurs doigts 5 supplémentaires, montés sur des supports mobiles articulés sur la base commune. Selon une disposition particulière, le dispositif comporte plusieurs doigts, le support de chaque doigt étant monté, fixe ou pivotant selon un axe transversal 10 aux axes d'articulation des phalanges du dit doigt, sur la base commune. Les caractéristiques des différents doigts, en ce qui concerne les rapports des engrènements et les longueurs des phalanges, peuvent être identiques ou 15 différents, selon les besoins des applications visées. Préférentiellement, chaque phalange comporte deux jeux de plaquettes dentées parallèles portant les dentures d'engrènement avec les phalanges voisines de même parité, les deux jeux de plaquettes d'une même 20 phalanges étant situées de part et d'autres de l'ensemble des jeux de plaquettes de la phalange voisine de parité différente. Les phalanges se succèdent donc de manière similaire aux maillons d'une chaîne à rouleaux, assurant ainsi un éguilibre des forces transmises de part et 25 d'autre du plan médian du doigt orthogonal aux axes d'articulations. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une grande simplicité d'assemblage. Chaque jeu de plaquette peut être formé d'une seule plaquette d'épaisseur adaptée à la résistance souhaitée.

30 Chaque jeu de plaquette peut aussi comporter plusieurs plaquettes accolées. Ce mode de réalisation présente de plus l'avantage d'une grande facilité de fabrication des plaquettes dentées, par exemple par découpage laser, jet d'eau sous pression, estampage, etc dans des feuilles de 35 matériau d'épaisseur relativement réduite, et la résistance des doigts et du dispositif dans son ensemble 3032645 6 peut être adaptée simplement par le choix du nombre de plaquette dans chaque jeu de plaquette. De plus, dans le cas ou les phalanges sont de même longueur et les engrènements de même rapport, toutes les plaquettes sont 5 identiques et interchangeables. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un dispositif conforme à l'invention.

10 On se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un préhenseur conforme à l'invention, sous forme d'une main comportant quatre doigts, ces doigts étant représentés 15 dans des positions différentes, - la figure 2 est une vue de côté de cette main, - la figure 3 est une vue de dessous de cette main, - la figure 4 est une vue frontale d'un doigt, - la figure 5 est une vue du doigt en coupe selon 20 la ligne V-V de la figure 4, - la figure 6 est une vue de gauche du doigt de la figure 4, - la figure 7 est une vue en perspective du doigt avec son support, en position allongée, 25 - la figure 8 est une vue en perspective du doigt avec son support, en position partiellement replié, - les figures 9 et 10 sont des vues respectivement latérale et frontale du doigt dans ladite position partiellement replié, 30 - les figures 11 et 12 sont des vues respectivement latérale et frontale du doigt dans une position totalement replié. Le dispositif préhenseur montré figures 1 à 3 se 35 présente sous forme d'une main avec trois doigts 1 alignés côte à côte plus un pouce 2 articulé pour pouvoir 3032645 7 se placer sensiblement face aux dits trois doigts, en position de préhension. Sur les figures 1 à 3 on a représenté les trois doigts la, lb, lc dans des positions de repli différentes, le doigt la étant étendu au 5 maximum, le doigt lb étant partiellement replié et le doigt lc étant replié au maximum. On peut bien sûr commander le repli ou l'extension des doigts séparément ou simultanément, selon les besoins. Le dispositif comporte une platine 10 sur laquelle 10 sont montés en position fixe trois doigts, désignés la, lb, lc sur les figures 1 à 3, qui s'étendent parallèlement selon la même direction longitudinale Z lorsqu'ils sont tous trois en position d'extension, c'est à dire dans la position du premier doigt la sur la figure 15 1. Les trois doigts la, lb, lc sont identiques, mais fixés sur la platine 10 à des niveaux différents comme on le voit figure 1, dans des positions correspondant aux positions respectives d'un index, majeur et annulaire d'une main humaine. Ils pourraient aussi avoir des 20 longueurs différentes. Chaque doigt 1 est monté articulé selon un axe horizontal Al, orienté selon une direction X parallèle au plan général de la platine 10, sur un support 11 en forme de « L » fixé rigidement sur la platine 10. Un 25 actionneur, tel qu'un vérin 3 est agencé entre chaque doigt 1 et son support 11 de manière à commander le repli ou l'extension du doigt, comme on le verra par la suite. Le pouce 2 est monté pivotant également selon un axe horizontal B1 sur un support 21 et son repli ou son 30 déploiement est assuré par un autre actionneur 3'. Le support 21 est lui-même articulé sur la base 10 selon un axe B2 orienté selon la direction Z. Un vérin de pivotement 22 est monté entre la platine 10 et le support 21 du pouce pour commander le pivotement du pouce, pour 35 l'amener face aux doigts 1 selon les souhaits.

3032645 8 Chaque doigt 1 est constitué de plusieurs phalanges 41, 42, 43, etc., articulées les unes sur les autres, et se termine par une phalange terminale 49 de forme spécifiquement adaptée pour la préhension ou le serrage, 5 de manière similaire à l'extrémité d'un doigt humain. Chaque phalange est constituée d'un assemblage de plaquettes dentées 5, et les dites plaquettes engrènent entre elles comme cela sera décrit par la suite. De manière similaire, le pouce 2 est constitué de 10 deux phalanges 41', 42' et se termine par une phalange terminale 49'. On va maintenant décrire plus particulièrement, en relation avec les figures 4 à 12, la constitution et le 15 fonctionnement d'un quelconque des doigts 1, la constitution et le fonctionnement du pouce 2 étant similaire. Le doigt 1 comporte trois phalanges 41, 42, 43 plus la phalange terminale 49. La première phalange 41 est 20 montée articulée selon l'axe Al sur une extrémité du support 11 et comporte une patte de manoeuvre 411 reliée à l'autre extrémité du support par un vérin électrique 3. A son extrémité opposée à l'articulation d'axe Al, la première phalange 41 comporte une denture 412 en arc de 25 cercle d'axe A2. Une deuxième phalange 42 est montée articulée sur la première phalange selon l'axe A2. La deuxième phalange 42 porte une denture en arc de cercle 421 d'axe A2, qui engrène avec une denture en arc de cercle 112 30 d'axe Al formée sur le support 11. A son extrémité opposée à l'articulation d'axe A2, la deuxième phalange 42 comporte une denture 422 en arc de cercle d'axe A3. Une troisième phalange 43 est articulée sur la deuxième phalange 42 selon l'axe A3. La troisième 35 phalange 43 porte une denture en arc de cercle 431 d'axe 3032645 9 A3, qui engrène avec la denture en arc de cercle 412 formée sur la première phalange 41. La dernière phalange 49 est montée articulée sur la troisième phalange selon un axe A4, situé à l'extrémité 5 de ladite troisième phalange opposée à l'axe A3. La dernière phalange 49 comporte une denture 491 d'axe A4 qui engrène avec la denture en arc de cercle 422 formée sur la deuxième phalange 42. La dernière phalange 49 se termine, à son extrémité opposée à l'axe A4, par une 10 forme galbée 492 adaptée pour la préhension ou le serrage. Les différentes dentures sont formées de manière qu'elles soient en engrènement lorsque les différentes phalanges sont sensiblement alignées, c'est à dire aussi 15 lorsque les axes Al à A4 sont coplanaires, comme représenté figures 5 et 6. On pourrait également envisager, pour des applications particulières, que les dentures soient formées pour que l'engrènement soit obtenu alors que les phalanges sont inclinées entre elles 20 d'un angle inférieur à la valeur de l'arc entre deux dents successives. De manière générale, on déterminera la position angulaire des dentures à chaque extrémité des phalanges et on choisira lors de l'assemblage les dents de deux phalanges engrenant ensemble, de manière que les 25 phalanges aient une position respective souhaitée. Typiquement, pour que les phalanges puissent être alignées sensiblement selon une droite correspondant à l'orientation générale de l'ensemble du doigt, la denture d'une phalange, par exemple la denture 412 de la phalange 30 41, sera décalée angulairement d'une demi dent par rapport à la denture de la phalange qui engrène, tel que la denture 431 de la phalange 43, comme on le voit bien figure 6. Dans l'exemple présenté, on a représenté des 35 dentures comportant trois ou quatre dents et s'étendant sur des arcs de cercle limités. On pourrait bien sûr 3032645 10 réaliser ces dentures avec plus de dents et sur des arcs de cercles plus étendus. On pourrait aussi réaliser ces dentures avec un module plus petit que celui représenté, sans modifier le principe de base de l'invention.

5 Ce principe de base apparaît clairement illustré par les figures 8 à 12 représentant le doigt dans deux positions de repli différentes. On constate que la courbure du doigt reste régulière, c'est à dire que, au cours du mouvement du doigt, toutes les phalanges sont 10 orientées relativement les unes par rapport aux autres avec un angle identique, cela étant dû au fait que les rayons primitifs des arc des différentes dentures sont identiques. Comme déjà indiqué précédemment, on pourrait aussi avoir des inclinaisons différentes entre les 15 phalanges, par un choix de rayons de dentures différents entre deux dentures engrenant ensemble, provoquant ainsi un rapport de réduction différent de 1. Dans l'exemple présenté ici, ce rapport de réduction est de 1, les secteurs dentés engrenant ensemble de deux phalanges de 20 même parité montés pivotantes sur une même phalange intermédiaire de parité différente, étant de même rayon. Prenant comme support les dessins des figures 6, 9 et 11, on voit qu'une action sur le vérin 3 dans le sens de la flèche Fl, provoque le pivotement de la première 25 phalange 41 selon l'axe Al, l'axe A2 se déplaçant par rapport au support 11 selon un arc de cercle de rayon AlA2 d'un angle 0(1. Ce déplacement de l'axe A2 entraîne la phalange 42, l'engrènement de la denture 421 avec la denture 112 fixe provoquant le pivotement de la dite 30 phalange 42 selon l'axe A2 par rapport à la phalange 41, du même angle al. Autrement dit, de manière relative, du fait de son engrènement avec le support 11 et avec des dentures de même rayon, la deuxième phalange 42 et le support 11 pivotent en sens opposé mais du même angle 0(1 35 par rapport à la première phalange. La même explication s'applique aux autres articulations et phalanges, l'angle 3032645 11 de pivotement d'une phalange quelconque par rapport à la phalange précédente étant toujours égal à l'angle de pivotement de la première phalange 41 par rapport au support 11, dès lors que les rapport d'engrènement sont 5 tous égaux à 1. Au final, il en résulte la courbure du doigt qui reste régulière dans toutes ses positions, de la position d'extension maximale, où le doigt est rectiligne, à la position de repli maximale, illustrée ici par les figures 10 11 et 12, obtenue par l'arrivée en fin de course du vérin 3, ou jusqu'à ce que la phalange terminale 49 bute contre le support ou le vérin. Bien que l'exemple présenté comporte trois 15 phalanges plus la phalange terminale, on comprendra aisément qu'on peut aussi utiliser un nombre de phalanges supérieur, ou inférieur comme c'est le cas pour le pouce 2. Dans l'exemple présenté, chaque phalange est 20 constituée de deux plaquettes 5, les deux plaquettes 5', par exemple de la première phalange, enserrant entre elles les deux plaquettes 5" de la deuxième phalange, ainsi que les plaquettes 111 constituant le support 11, comme on le voit bien notamment figures 4, 7 et 8.0n 25 pourrait aussi remplacer chaque plaquettes par un assemblage de plusieurs plaquettes juxtaposées, moins épaisses, cette disposition pouvant permettre d'adapter plus facilement la résistance des phalanges en choisissant le nombre de plaquettes juxtaposées en 30 fonction des besoins, et permettant ainsi de réaliser différentes configurations du dispositif avec des plaquettes de base toutes identiques. L'invention n'est pas limitée au mode de 35 réalisation décrit ci-dessus uniquement à titre d'exemple.

3032645 12 En particulier, l'entrainement de la première phalange par un vérin pourrait être remplacé par un entrainement par un pignon monté tournant sur le support 11 du doigt et engrenant avec un secteur denté 5 complémentaire formé sur la première phalange, le pignon étant entrainé en rotation de manière connue en soi par un moteur rotatif ou tout autre actionneur. Comme déjà indiqué, le nombre de phalange peut être différent de l'exemple décrit ci-dessus, le principe de fonctionnement 10 indiqué précédemment pouvant s'appliquer à un nombre quelconque de phalanges, tout en gardant un seul actionneur pour l'ensemble des phalanges d'un même doigt. Le nombre et la disposition des doigts pourront aussi être modifiés, pour former des préhenseurs adaptés 15 à des besoins spécifiques 20

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de préhension robotisé à doigts articulés où chaque doigt comporte une pluralités de phalanges articulées entre elles et des actionneurs pour commander le pivotement des phalanges entre elles, caractérisé en ce que chaque doigt (1) comporte une première phalange (41) motrice et une suite de phalanges paires et impaires (42 à 49), deux phalanges successives de même parité (41, 43) étant articulées sur une phalange intermédiaire de parité différente (42) selon des axes (A2, A3) parallèles et distants l'un de l'autre, les dites deux phalanges de même parité (41, 43) engrenant entre elles, la première phalange (41) étant montée pivotante sur un support (11) pourvu d'un actionneur (3) pour entrainer la première phalange en rotation, la deuxième phalange (42), articulée sur la première phalange, engrenant avec une denture (112) du dit support, la dernière phalange (49) comporte une seule articulation sur l'avant-dernière phalange, et engrène avec l'anté-pénultiemme phalange.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs dentés (412, 421, 422, 431 ...) des différentes phalanges sont de même rayon primitif.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraxe entre les deux axes d'articulation d'une même phalange est le même pour toutes les phalanges.
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur est un vérin (3) raccordé entre le support (11) et une patte (411) de la première phalange (41). 3032645 14
5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur est un moteur entraînant en rotation un pignon engrenant avec une denture supplémentaire de la première phalange (41), centrée sur 5 l'axe d'articulation (Al) de ladite première phalange.
6. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs doigts (1), le support (3) d'au moins un doigt étant monté fixe sur une base commune 10 ( 1 0 ) .
7. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs doigts supplémentaires (2), montés sur des supports (21) 15 articulés sur la base commune (10).
8. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque phalange comporte deux jeux de plaquettes dentées (5) parallèles portant les dentures 20 d'engrènement avec les phalanges voisines de même parité, les deux jeux de plaquettes d'une même phalange étant situées de part et d'autre de l'ensemble des jeux de plaquettes de la phalange voisine de parité différente. 25
9. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque jeu de plaquette (5) comporte une ou plusieurs plaquettes accolées. 30