WO2004082901A1 - Segment intermediaire de bras articule contenant une transmission a vis et ecrou - Google Patents

Segment intermediaire de bras articule contenant une transmission a vis et ecrou Download PDF

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Definitions

  • the subject of this invention is an intermediate segment of articulated arm, comprising a screw and nut transmission, and also an arm in which such an intermediate segment finds use.
  • the articulated arms used as a control arm or as a working arm most often comprise several segments articulated together and supported by motorized transmissions comprising so-called force feedback motors which retain the joints and the segments by preventing them from falling as soon as possible. that they are no longer displaced.
  • some include a screw and nut system in order to convert the rotation of a drive shaft into translation of a slender member such as a cable which drives the next segment of the arm.
  • Such transmissions have several advantages including simplicity, ease of adaptation to segments of different shapes or lengths, precision of movement due to the smallness of the games, and a certain lightness.
  • French patent 2,809,464 illustrates such a transmission.
  • the motor is very often near the nut or integrated into the screw-nut cylinder.
  • the often preponderant mass of the engine induces a significant tilting moment and inertia with respect to the articulation axes of the segment.
  • the invention here proposes a modification of this usual design, in which, by an added transmission, the motor is brought closer to the axis of articulation of the preceding segment so as to reduce the inertia and exert a clean tilting moment, the intensity is low or even participate in the balance of the rest of the transmission or segment. It then becomes very easy to hold or move the segment, even with a low power motor.
  • one aspect of the invention is therefore an intermediate segment of articulated arm, mounted on a preceding segment by a rotary articulation and on which is mounted a following segment, comprising a support transmission of the following segment comprising a motor, a nut rotating with the motor, a screw engaged in the nut, and a connecting member extending between the screw and the following segment, characterized in that the motor is linked to the nut by an elongated motor shaft so that the motor is in position close to the rotary articulation axis.
  • the motor shaft is precisely elongated so that the motor is closer to the axis of the joint than the screw and the nut. The motor can thus be placed in front of the joint, or beyond it, on the other side of the arm.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 2 a slightly different embodiment
  • - And Figures 3 and 4 two embodiments of a control arm.
  • I for the purposes of the general explanation comprises an intermediate segment 1, held by its ends opposite to a preceding segment 2 and to a following segment 3.
  • the preceding segment 2 is closer to a base 4, here attached to it. It is connected to the intermediate segment 1 by a first articulation 5, and the following segment 3 is connected to the intermediate segment 1 by another articulation 6.
  • the following segment 3, further from the base 4 than the intermediate segment 1, can or not understand the end of the arm.
  • the joints 5 and 6 are rotational joints as is usual in this technique, but other connections between the segments 1, 2 and 3 would be possible. This is how the articulation 6 is controlled or kept in a stopped position.
  • a transmission 7 is housed in the intermediate segment 1.
  • It comprises a looped cable 8, stretched between two pulleys 9 and 10, the second of which materializes the articulation 6, a screw 11 to which the cable 8 is attached, a nut 12 in which the screw 11 is engaged, and a motor 13.
  • the rotation of the motor 13 rotates the nut 12 and advances the screw 11 and the cable 8, by rotating the pulley 10.
  • the cable 8 passes through the screw 11 which is hollow, is attached to it by a point, is also attached to the pulley 10, and rotation of the screw 11 is prohibited, for example, by a roller trolley 14 mounted on the screw
  • the engine which is usually the heaviest part of the transmission 7 no longer exerts a significant tilting moment; it can even, if it is beyond the first articulation 5, exert a tilting moment balancing that of the rest of the transmission 7 or of the intermediate segment 1.
  • the transmission still referenced by 7, controls a second articulation 18 called roll rolling the following segment 3, instead of a pitch articulation as in FIG. 1.
  • the cable 8 is then stretched a little more complicated on a set of pulleys 19 so as to wind its end around the next segment 3.
  • the pulleys 19-1 and 19-2 are concentric with the articulation axis of the next segment.
  • Pulleys 19-3 and 19-4 are deviating or constraining.
  • the movement of the transmission 7 is here also accompanied by a movement of the cable 8 and rotates the following segments 3 on itself. All of the above considerations on transmission 7 remain valid.
  • FIG. 3 illustrates a control arm equipped with the invention. It comprises a base 20, a first segment 21, a second segment 22, a third segment 23 and a handle 24.
  • the first segment 21 is linked to the base 20 by a first articulation (of roll) 25, the second segment 22 to the first segment 21 by a second articulation
  • the second articulation 26 is double, the structure of the second segment 22 being in parallelogram: a first degree of freedom switches the parallelogram, straightening the second segment 22, while another degree of freedom changes the height of the parallelogram and switches the third segment 23 around the second pitch joint 27.
  • a force feedback motor associated with the third articulation 27 can be placed in the first segment 21, that is to say at a position where it does not exert a moment.
  • This six degree of freedom arm also includes six force feedback transmissions to stop possible movements.
  • the invention there is no need to apply the invention to the first three transmissions 29, 30 and 31, the first of which is placed in the fixed base 20 and the other two in the first segment 21 which is vertical and pivoting, so that 'they do not exercise any tilting moment.
  • the invention equips the other three transmissions 32, 33 and 34: the motor 13 of the fourth transmission 32 is placed at the rear of the second segment 22, beyond the second articulation 26 and the motors 13 of the fifth and sixth transmissions 33 and 34 are similarly placed at the rear of the third segment 23 and of the third articulation 27, not far from the second segment 22.
  • the transmission shafts 16 and the mechanisms 17 for transmitting the movement to the nuts 12 also have been represented.
  • the first transmission 29 could also be placed in the first segment 21. More significant changes can be described with reference to FIG. 4. They bear, in an arm which is otherwise little different from that of FIG. 3, on the second segment, now referenced by 22 ', and on the third transmission 31' responsible for applying a pitch rotation to the third segment 23.
  • This third transmission 31 ' is now placed in the second segment 22', which no longer has a parallelogram structure but a conventional linear (tubular) structure.
  • the third transmission 31 ' is constructed like the fourth 32, its neighbor, with the motor 13 offset towards the rear of the second segment 22', beyond the second articulation 26.
  • the arm enjoys a slight moment of failover.
  • a balancing of the third segment 23 can be completed with a counterweight mass or a spring 36.

Abstract

Un segment (1) intermédiaire d'un bras de commande ou autre, muni d'une transmission (7) pour soutenir un segment suivant (3) comprend un moteur (13) déporté vers l'autre extrémité du segment, de préférence au-delà de l'articulation à un segment précédent (5,2) afin de réduire le moment de basculement sur le segment (1). La transmission comprend une conversion des mouvements par vis (11) et écrou (12).

Description

SEGMENT INTERMEDIAIRE DE BRAS ARTICULE CONTENANT UNE TRANSMISSION A VIS ET ECROU
DESCRIPTION
Le sujet de cette invention est un segment intermédiaire de bras articulé, comprenant une transmission à vis et écrou, et aussi un bras dans lequel un tel segment intermédiaire trouve emploi . Les bras articulés utilisés comme bras de commande ou comme bras de travail comprennent le plus souvent plusieurs segments articulés entre eux et soutenus par des transmissions motorisées comprenant des moteurs dits de retour d'effort qui retiennent les articulations et les segments en les empêchant de tomber dès qu'ils ne sont plus déplacés. Parmi les transmissions connues, certaines comprennent un système à vis et écrou afin de convertir la rotation d'un arbre moteur en translation d'un organe longiligne tel qu'un câble qui entraîne le segment suivant du bras. De telles transmissions présentent plusieurs avantages dont la simplicité, la facilité d'adaptation à des segments de formes ou de longueurs différentes, la précision du mouvement due à la petitesse des jeux, et une certaine légèreté. Le brevet français 2 809 464 illustre une telle transmission.
Le moteur se trouve très souvent à proximité de 1 ' écrou ou intégré au vérin vis-écrou. La masse souvent prépondérante du moteur induit un moment basculant et une inertie importants par rapport aux axes d'articulation du segment. L'invention propose ici une modification de cette conception usuelle, dans laquelle, par une transmission ajoutée, le moteur est rapproché de l'axe d'articulation du segment précédent de façon à réduire l'inertie et exercer un moment basculant propre dont l'intensité est faible ou même participer à l'équilibre du reste de la transmission ou du segment. Il devient alors très facile de retenir ou de mouvoir le segment, même par un moteur de faible puissance. Pour résumer, un aspect de l'invention est donc un segment intermédiaire de bras articulé, monté sur un segment précédent par une articulation rotative et sur lequel est monté un segment suivant, comprenant une transmission de soutien du segment suivant comprenant un moteur, un écrou tournant avec le moteur, une vis engagée dans l' écrou, et un organe de liaison s 'étendant entre la vis et le segment suivant, caractérisé en ce que le moteur est lié à 1 ' écrou par un arbre moteur allongé de façon que le moteur soit en position rapprochée de l'axe d'articulation rotative. L'arbre moteur est précisément allongé de façon que le moteur soit plus près de l'axe de l'articulation que la vis et l' écrou. Le moteur peut ainsi être placé devant l'articulation, ou au-delà d'elle, de l'autre côté du bras.
L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures :
- la figure 1 représente une réalisation de 1 ' invention, - la figure 2 une réalisation un peu différente, - et les figures 3 et 4 deux modes de réalisation d'un bras de commande.
La portion de bras représentée à la figure
I aux fins de l'explication générale comprend un segment intermédiaire 1, maintenu par ses extrémités opposées à un segment précédent 2 et à un segment suivant 3. Le segment précédent 2 est plus proche d'une embase 4, ici fixé sur elle. Il est relié au segment intermédiaire 1 par une première articulation 5, et le segment suivant 3 est relié au segment 1 intermédiaire par une autre articulation 6. Le segment suivant 3, plus éloigné de l'embase 4 que le segment intermédiaire 1, peut ou non comprendre l'extrémité du bras. Les articulations 5 et 6 sont des articulations de rotation ainsi qu'il est habituel dans cette technique, mais d'autres liaisons entre les segments 1, 2 et 3 seraient possibles. Voici comment s'effectue la commande de l'articulation 6 ou son maintien à une position d'arrêt. Une transmission 7 est logée dans le segment intermédiaire 1. Elle comprend un câble en boucle 8, tendu entre deux poulies 9 et 10 dont la seconde matérialise l'articulation 6, une vis 11 à laquelle le câble 8 est attaché, un écrou 12 dans lequel la vis 11 est engagée, et un moteur 13. La rotation du moteur 13 fait tourner 1 ' écrou 12 et avancer la vis 11 et le câble 8, en faisant tourner la poulie 10. Le câble 8 passe à travers la vis 11 qui est creuse, lui est attaché par un point, est aussi attaché à la poulie 10, et une rotation de la vis 11 est interdite, par exemple, par un chariot à roulettes 14 monté sur la vis
II et mobile sur une glissière 15 fixe. La plus grande partie de la transmission 7, dont l'ecrou 12 et la vis 11, est proche de la deuxième articulation 6 et exerce donc un moment de basculement important sur le segment 1 autour de la première articulation 5, du côté du support donné par l'embase 4. Au contraire, il est désormais prévu que le moteur 13 soit éloigné du reste de la transmission 7 et s'étende non loin de la première articulation 5 opposée à l'autre 6, et notamment devant elle, ou même au-delà d'elle par rapport à la vis 11 et à l'ecrou 12. Ainsi, le moteur qui est ordinairement la partie la plus lourde de la transmission 7 n'exerce plus de moment basculant important ; il peut même, s'il est au-delà de la première articulation 5, exercer un moment de basculement équilibrant celui du reste de la transmission 7 ou du segment intermédiaire 1.
Il convient alors d'ajouter un arbre de transmission 16 long entre le moteur 13 et un mécanisme 17 tel qu'un engrenage pour communiquer sa rotation à l'ecrou 12. La sous-transmission composée des éléments 16 et 17 alourdit en elle-même le segment intermédiaire 1, mais à un degré modéré, et qui sera souvent plus que compensé par l'allégement du moteur 13 qui deviendra possible à cause de la diminution du moment basculant à équilibrer. Il ne faut pas non plus oublier que l'allégement et la diminution du moment basculant sur un segment sont avantageux non seulement pour la conception du segment concerné, mais aussi pour les segments le précédant, qui auront aussi un moment basculant plus faible à reprendre, ce qui permettra souvent d'alléger encore leurs moteurs, même si l'invention ne leur est pas appliquée. Enfin, la diminution des efforts permettra aussi d'alléger la structure elle-même des segments.
Dans la réalisation de la figure 2, on retrouve des éléments analogues si ce n'est que la transmission, encore référencée par 7, commande une deuxième articulation 18 dite de roulis faisant pivoter le segment suivant 3, au lieu d'une articulation de tangage comme à la figure 1. Le câble 8 est alors tendu de façon un peu plus compliquée sur un jeu de poulies 19 de façon à enrouler son extrémité autour du segment suivant 3. Les poulies 19-1 et 19-2 sont concentriques à l'axe d'articulation du segment suivant. Les poulies 19-3 et 19-4 sont déviatrices ou de contrainte. Le mouvement de la transmission 7 s'accompagne ici aussi d'un défilement du câble 8 et fait tourner les segments suivants 3 sur lui-même. Toutes les considérations précédentes sur la transmission 7 restent valables.
La figure 3 illustre un bras de commande équipé de l'invention. Il comprend une embase 20, un premier segment 21, un deuxième segment 22, un troisième segment 23 et une poignée 24. Le premier segment 21 est lié à l'embase 20 par une première articulation (de roulis) 25, le deuxième segment 22 au premier segment 21 par une deuxième articulation
(double de tangage) 26, le troisième segment au deuxième segment 22 par une troisième articulation (de tangage) 27, et la poignée 24 au troisième segment 23 par une quatrième articulation (double de tangage et de roulis) 28. La deuxième articulation 26 est double, la structure du deuxième segment 22 étant en parallélogramme : un premier degré de liberté fait basculer le parallélogramme, redressant le deuxième segment 22, alors qu'un autre degré de liberté modifie la hauteur du parallélogramme et fait basculer le troisième segment 23 autour de la deuxième articulation de tangage 27. Par ce moyen, un moteur de retour d'effort associé à la troisième articulation 27 peut être placé dans le premier segment 21, c'est-à-dire à une position où il n'exerce pas de moment. Ce bras à six degrés de liberté comprend aussi six transmissions à retour d'effort pour arrêter les mouvements possibles. Elles peuvent comprendre toutes des mécanismes à vis et écrou dont certains sont équipés de l'invention. Elles portent les références 29 à 34 et sont situées respectivement dans l'embase 20 pour commander la rotation du premier segment 21, dans le premier segment 21 pour commander le tangage du deuxième segment 22 et celui du deuxième segment 23, dans le deuxième segment 22 pour commander le roulis du troisième segment 23, et dans le troisième segment 23 pour arrêter le tangage et le roulis de la poignée 24.
Il n'est pas besoin d'appliquer l'invention aux trois premières transmissions 29, 30 et 31 dont la première est placée dans l'embase 20 fixe et les deux autres dans le premier segment 21 qui est vertical et pivotant, de sorte qu'elles n'exercent aucun moment basculant. L'invention équipe par contre les trois autres transmissions 32, 33 et 34 : le moteur 13 de la quatrième transmission 32 est placé à l'arrière du deuxième segment 22, au-delà de la deuxième articulation 26 et les moteurs 13 des cinquième et sixième transmissions 33 et 34 sont de façon similaire placés à l'arrière du troisième segment 23 et de la troisième articulation 27, non loin du deuxième segment 22. Les arbres de transmission 16 et les mécanismes 17 de transmission du mouvement aux écrous 12 ont aussi été représentés. Trois moteurs 13 ont donc été déplacés, avec des possibilités d'équilibrer complètement au moins le deuxième segment 22, si nécessaire en ajoutant une masse d'équilibrage 35 non loin du moteur 13 de la quatrième transmission 32 (ou bien un ressort) : le moment que doivent équilibrer les moteurs des deuxième et troisième transmissions 30 et 31 est alors fortement réduit, ce qui permet de les alléger, et éventuellement tout le reste du bras jusqu'à l'embase 20. La diminution d'inertie du bras découlant de cet allégement sera particulièrement appréciée pour un bras manipulé. Il faut souligner le caractère cumulatif des effets de l'invention, qui est beaucoup plus sensible pour des bras composés de chaînes de segments.
Certaines variantes du bras restent possibles avec une conservation des propriétés d'ensemble de la réalisation qui précède. Il est déjà envisagé que la première transmission 29 pourrait être placée aussi dans le premier segment 21. Des changements plus importants peuvent être décrits à propos de la figure 4. Ils portent, dans un bras par ailleurs peu différent de celui de la figure 3, sur le deuxième segment, désormais référencé par 22', et sur la troisième transmission 31' chargée d'appliquer une rotation de tangage au troisième segment 23. Cette troisième transmission 31' est désormais placée dans le deuxième segment 22', qui n'a plus de structure en parallélogramme mais une structure linéaire (tubulaire) classique. La troisième transmission 31' est construite comme la quatrième 32, sa voisine, avec le moteur 13 déporté vers l'arrière du deuxième segment 22', au-delà de la deuxième articulation 26. Ici aussi le bras jouit d'un faible moment de basculement. Dans cette réalisation comme dans l'autre, un équilibrage du troisième segment 23 peut être complété avec une masse de contrepoids ou un ressort 36.

Claims

REVENDICATIONS
1. Segment intermédiaire de bras articulé, monté sur un segment précédent par une articulation rotative et sur lequel est monté un segment suivant, comprenant une transmission de soutien du segment suivant comprenant un moteur, un écrou tournant avec le moteur, une vis engagée dans l'ecrou, et un organe de liaison s'étendant entre la vis et le segment suivant, caractérisé en ce que le moteur est lié à l'ecrou par un arbre moteur allongé de façon que le moteur soit en position rapprochée de l'axe d'articulation rotative.
2. Bras articulé comprenant un premier segment pivotant monté sur une embase, un deuxième segment monté sur le premier segment, un troisième segment monté sur le deuxième segment, et un quatrième segment, caractérisé en ce que le deuxième et le troisième segments sont des segments intermédiaires selon la revendication 1.
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