WO2010057950A1

WO2010057950A1 - Cablage electrique dans une articulation

Info

Publication number: WO2010057950A1
Application number: PCT/EP2009/065479
Authority: WO
Inventors: Ludovic Houchu
Original assignee: Aldebaran Robotics S.A
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2010-05-27
Also published as: FR2938709A1; FR2938709B1

Abstract

L'invention concerne la réalisation d'un câblage électrique dans une articulation entre deux éléments, destinés à pivoter l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation (13). L'invention concerne également un robot humanoïde mettant en œuvre l'articulation. L'articulation comprend un câble électrique (14) reliant les deux éléments, le câble électrique (14) comprenant plusieurs conducteurs, alignés sous forme de câble plat. L'articulation (10) comprend un espace (17) disposé autour de l'axe de rotation (13) et dans lequel le câble plat (14) est enroulé autour de l'axe de rotation (13) en respectant l'alignement des conducteurs.

Description

CABLAGE ELECTRIQUE DANS UNE ARTICULATION

L'invention concerne la réalisation d'un câblage électrique dans une articulation et un robot humanoïde mettant en œuvre l'articulation. L'invention trouve une utilité particulière dans la réalisation de robots humanoïdes dont on cherche à améliorer l'ergonomie. De tels robots sont équipés de nombreuses articulations permettant de mouvoir différentes parties du corps du robot telles que la tête ou les membres. Certaines articulations du corps humain telles que le coude, le genou ou la cheville peuvent être reproduites dans un robot au moyen d'une articulation comprenant une liaison pivot disposée entre deux éléments. Plus précisément, le premier élément peut se mouvoir en rotation autour d'un axe de l'articulation par rapport au second élément.

Dans un robot, les articulations sont motorisées par exemple au moyen de moteurs électriques rotatifs permettant de contrôler le mouvement des éléments entre eux. Certains éléments mobiles s'enchainent au moyen de plusieurs articulations successives, comme par exemple entre le corps du robot et une main en passant par l'épaule, le coude et le poignet. Il est alors nécessaire de faire transiter un câblage électrique au travers d'une ou plusieurs articulations afin d'alimenter et de commander le moteur le plus aval, comme par exemple celui qui permet le mouvement les doigts. Un tel câblage peut également être utilisé pour faire transiter au travers des articulations des signaux issus de capteurs, comme par exemple des capteurs d'effort permettant de doser un effort exercé par les doigts ou encore des capteurs permettant de connaître la position des différents éléments mobiles entre eux. Une solution consiste à réaliser un faisceau de câble protégé par une gaine et passant en dehors de l'articulation. Cette solution présente plusieurs inconvénients comme l'augmentation de l'encombrement de l'articulation, la dégradation de l'esthétique et l'exposition accrue du câblage aux agressions extérieures. Le câblage risque d'être arraché lors des mouvements du robot.

On peut aussi réaliser des chaines de guidage protégeant le câblage à l'extérieur de l'articulation. Cette solution augmente aussi l'encombrement du robot. Une autre solution consiste à mettre en œuvre un contacteur tournant directement dans l'articulation. Cette technologie présente plusieurs inconvénients. La durée de vie des pistes du contacteur est faible. Les pistes peuvent se corroder et des arcs peuvent se produire au niveau des contacts. Pour un même nombre de conducteurs, l'encombrement du contacteur est plus important que celui d'un câblage réalisé au moyen de fils. Le contacteur peut générer des faux contacts au niveau des points de contact sur les pistes. La technologie de contacts sur des pistes impose une limitation de l'intensité du courant transitant par le contacteur.

L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un nouveau principe de câblage dans une articulation pivot

A cet effet, l'invention a pour objet une articulation entre deux éléments, destinés à pivoter l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation, comprenant un câble électrique reliant les deux éléments, le câble électrique comprenant plusieurs conducteurs, caractérisé en ce que dans une section du câble, les conducteurs sont alignés de façon à former un câble plat, et en ce que l'articulation comprend un espace disposé autour de l'axe de rotation et dans lequel le câble plat est enroulé autour de l'axe de rotation en respectant l'alignement des conducteurs.

L'invention a également pour objet, un robot humanoïde comprenant au moins une articulation selon l'invention.

Certaines articulations d'un robot humanoïde, comme par exemple le cou et l'épaule, peuvent nécessiter plusieurs degrés de liberté en rotation. Il est alors possible de réaliser de telles articulations en disposant en série deux articulations pivot selon l'invention.

Il est bien entendu possible de mettre en œuvre l'invention dans toute articulation pivot en dehors du domaine de la robotique humanoïde.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente de façon simplifiée, un exemple de réalisation d'une articulation conforme à l'invention ; la figure 2 représente de façon éclatée l'articulation illustrée à la figure 1 ; la figure 3 représente un exemple de câble plat avant son enroulement dans l'articulation ; la figure 4 représente en coupe les différents composants de l'articulation illustrée à la figure 1 ; la figure 5 représente une variante de réalisation de l'articulation.

Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.

La figure 1 représente une articulation pivot 10 reliant deux éléments 1 1 et 12. Plus précisément, les deux éléments peuvent se mouvoir l'un par rapport à l'autre suivant un degré de liberté en rotation autour d'un axe 13. Un câble électrique 14 permet de faire passer des informations et/ou des tensions d'alimentation d'un élément vers l'autre. Le câble électrique 14 comprend deux extrémités 15 et 16. L'extrémité 15 est solidaire du premier élément 1 1 et l'extrémité 16 est solidaire du second élément 12.

Le câble électrique 14 est un câble plat, c'est-à-dire que dans une section du câble les différents conducteurs électriques assemblés dans le câble 14 sont alignés. On peut par exemple mettre en œuvre un câble en nappe. On trouve chez de nombreux fabricants de câbles des assemblages de conducteurs isolés disposés par exemple au pas de 1 ,27 mm. Ces câbles sont faciles à raccorder à leur extrémités en utilisant par exemple des connecteurs autodénudants spécialement adaptés pour les nappes au pas de 1 ,27mm.

A titre d'alternative aux câbles en nappe, on peut également mettre en œuvre un câble plat comprenant un substrat souple et des pistes formant les conducteurs. Deux modes de réalisation existent pour cette alternative. Dans un premier mode, des pistes découpées dans un feuillard métallique sont plaquées entre deux substrats isolants. Cette technologie, généralement disponible en câble rectiligne, permet de plier le câble pour suivre un cheminement particulier. Un autre mode de réalisation consiste à imprimer des pistes sur un substrat souple et à recouvrir ces pistes par un film isolant. Ce type de câble plat peut être fabriqué à la demande par de nombreux fabricants de circuit imprimé. Il présente l'avantage de permettre de moduler les largeurs des pistes et les distances d'isolement entre pistes en fonction des signaux véhiculés par le câble. Les pistes imprimées sont moins tolérantes aux plis que les pistes découpées. Par contre, l'impression se faisant généralement par découpe chimique, on peut réaliser toute sorte de formes de cheminement. Les câbles plats réalisés selon la deuxième alternative permettent d'obtenir des épaisseurs de câbles beaucoup plus faibles que celles des câbles en nappe. Dans les câbles en nappe, l'épaisseur du câble est sensiblement égale au pas des conducteurs, 1 ,27 mm dans l'exemple donné plus haut. Pour les câbles plats imprimés, on atteint couramment des épaisseurs de l'ordre de 0,2 mm, ce qui facilite le rangement du câble.

Selon l'invention, l'articulation 10 comprend un espace 17 disposé autour de l'axe de rotation 13 et dans lequel le câble plat 14 est enroulé autour de l'axe de rotation 13 en respectant l'alignement des conducteurs. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , l'espace 17 est annulaire et est compris entre deux surfaces cylindriques 18 et 19 dont l'axe est l'axe de rotation 13. Les deux surfaces cylindriques 18 et 19 sont limitées par deux plans 20 et 21 perpendiculaires à l'axe de rotation 13.

Avantageusement, le câble plat 14 est déformé dans son domaine élastique lorsqu'il est enroulé dans l'espace 17. Il tend à minimiser l'énergie de déformation en tentant de maximiser son rayon de courbure.

La figure 2 représente de façon éclatée l'articulation 10 illustrée à la figure 1. Les surfaces 18 et 20 appartiennent à l'élément 1 1 et les surfaces 19 et 21 à l'élément 12. Sur cette figure, on distingue la forme du câble 14 dans son espace 17. La partie enroulée du câble 14 a la forme d'un ressort plat utilisé couramment en horlogerie mécanique, c'est-à-dire formant une spirale s'enroulant sur elle-même à partir de la surface cylindrique 19 jusqu'à la surface cylindrique 18.

La figure 3 représente un exemple de câble plat avant son enroulement dans l'articulation 10. Les différents conducteurs électriques du câble plat 14 sont dans le plan de la figure 3. Le plan de la figure 3 est le plan dans lequel est réalisé le cable 14 avant mise en place dans l'espace 17. Les conducteurs s'étendent dans ce plan. Le câble plat 14 peut comprendre au moins un pli permettant la sortie du câble 14 de l'espace 18 vers l'un des éléments 1 1 ou 12. Dans l'exemple représenté, le câble plat 14 comprend deux plis, 22 et 23, un pour chaque sortie du câble de l'espace 18. Sur la figure, les plis 22 et 23 modifient l'orientation des conducteurs électriques à 90°. Entre les deux plis 22 et 23, le câble plat 14 comprend une partie rectiligne 24 qui est enroulée dans l'espace 17. Au-delà de chaque pli 22 et 23, le câble plat 14 comprend deux autres parties rectilignes, respectivement 25, au-delà du pli 22 et 26 au-delà du pli 23. Les parties rectilignes 25 et 26 se terminent par les extrémités du câble plat 14, respectivement 15 et 16 permettant le raccordement du câble plat vers chacun des éléments 1 1 et 12. Dans le cas d'un câble plat 14 comprenant des pistes imprimées réalisées sur un substrat, aux extrémités 15 et 16, on peut prévoir directement les coudes de manière à éviter une pliure qui fragiliserait les pistes et une zone où le film isolant recouvrant les pistes est absent afin de mettre les pistes à nu pour par exemple les enficher dans un connecteur de type fichier.

Pour mettre en place le câble plat 14 dans l'espace 17, la partie rectiligne 24 est enroulée sur elle même jusqu'aux plis 22 et 23. Les parties rectilignes 25 et 26 s'étendent alors parallèlement à l'axe d'enroulement. On peut ensuite ramener ces parties rectilignes en les courbant pour suivre des directions radiales par rapport à l'axe d'enroulement pour faciliter les sorties du câble plat 14. Ces courbures 29 et 30 respectent l'alignement des conducteurs dans le câble plat 14. Les courbures 29 et 30 sont par exemple réalisées à proximité immédiate des plis 22 et 23 de telle sorte que les plans dans lesquels s'étendent les parties rectilignes 25 et 26 soient sensiblement confondus avec les plans 20 et 21. Lorsque les éléments 1 1 et 12 pivotent l'un par rapport à l'autre autour de l'axe 13, les directions radiales suivies par les parties rectilignes 25 et 26 suivent l'orientation angulaire des deux éléments 1 1 et 12 entre eux autour de l'axe 13. Lorsque l'articulation 10 est en mouvement autour de son axe 13, les parties rectilignes 25 et 26 restent statiques tandis que la partie rectiligne 24 est dynamique. Plus précisément, la partie rectiligne 24 s'enroule et se déroule autour de l'axe 14.

Sur la figure 3, la partie rectiligne 24 est représentée horizontalement et les plis 22 et 23 sont formés de telle sorte que les deux parties rectilignes 25 et 26 s'écartent de la partie 24 dans des sens opposés, l'un vers le haut et l'autre vers le bas de la figure 3. Cette disposition des plis 22 et 23 conduit à ce que les parties rectilignes 25 et 26, lorsqu'elles ne sont pas courbées, sortent de l'espace 17 dans des directions axiales opposés. En conséquence, après courbure, la partie rectiligne 25 suit le plan 20 et la partie rectiligne 26 suit le plan 21. Il est également possible de réaliser les plis 22 et 23 de telle sorte que les deux parties rectilignes 25 et 26 s'écartent de la partie 24 dans le même sens. Cela conduit à ce que les parties rectilignes 25 et 26, lorsqu'elles ne sont pas courbées, sortent de l'espace 17 dans le même sens. Après courbure, les parties rectilignes 25 et 26 suivent alors un seul plan soit 20 soit 21.

La figure 4 représente en coupe différents composants de l'articulation 10. L'espace 17 est réalisé entre les deux éléments 1 1 et 12. Les surfaces 18 et 20 sont formées dans un boîtier 40 solidaire de l'élément 1 1 et les surfaces 19 et 21 sont formées dans un couvercle 41 solidaire de l'élément 12. Lors de l'assemblage de l'articulation 10, on place le câble plat 14 à l'intérieur du boîtier 40, puis l'espace 17 est fermé par le couvercle 41. Un pré positionnement du couvercle 41 par rapport au boîtier 40 est prévu pour maintenir le câble plat 14 dans l'espace 17 au moyen d'un épaulement 42 du couvercle 41 prenant appui dans un lamage 43 du boîtier 40. Ce pré positionnement permet de maintenir le couvercle 41 sensiblement en position par rapport au boîtier 40 pendant le montage d'autres composants de l'articulation 10.

Un second boîtier 44 est fixé au couvercle 41. Un second couvercle 45 est fixé au boîtier 40. Les fixations, d'une part entre le couvercle 41 et le second boîtier 44 et d'autre part entre le boîtier 40 et le couvercle 45, ne sont pas représentées sur la figure 4. Ces fixations sont par exemple réalisées dans un plan distinct de celui de la figure 4. Le boîtier 44 et le couvercle 45 sont reliés par une liaison pivot permettant d'articuler les deux éléments 1 1 et 12 en ne conservant qu'un seul degré de liberté en rotation autour de l'axe 13. La liaison pivot est formée entre deux surfaces cylindriques 46 et 47 d'axe 13. La surface cylindrique 46 est intérieure et appartient au boîtier 44 tandis que la surface cylindrique 47 est extérieure et appartient au couvercle 45. Les deux surfaces cylindriques 46 et 47 sont ajustées de façon glissante de façon à permettre le mouvement des deux éléments 11 et 12 l'un par rapport à l'autre. On peut interposer entre les deux surfaces cylindriques 46 et 47 une bague réalisée dans un matériau à faible coefficient de frottement pour faciliter le mouvement des deux éléments 11 et 12. La surface cylindrique 46 se termine par une surface plane 48 pour former un lamage 49 au fond duquel prend appui le couvercle 45 pour supprimer un degré de liberté en translation le long de l'axe 13 entre les deux éléments 1 1 et 12. Afin de verrouiller la translation possible des deux éléments 1 1 et 12 le long de l'axe 13, un étrier 50 vient empêcher que le couvercle 45 ne se décolle du fond du lamage 49. L'étrier 50, solidaire du boîtier 44 prend appui contre une surface plane 51 du boitier 40. La surface plane 51 est perpendiculaire à l'axe 13.

Dans l'exemple représenté sur la figure 4, la liaison pivot est réalisée autour de l'espace 17. Il est également possible, pour un gain d'encombrement dans l'articulation 10, de réaliser la liaison pivot à l'intérieur de la surface cylindrique 19.

La figure 5 est une vue d'une variante de l'articulation 10 dans un plan perpendiculaire à l'axe 13. Pour mieux comprendre cette variante, le couvercle 45 et le boîtier 40 ne sont pas représentés, laissant ainsi apparaître le câble plat 14. Dans cette variante, l'espace 17 est compris entre deux surfaces tubulaires 55 et 56, limitées par deux plans perpendiculaires à l'axe de rotation 13. Les deux plans correspondent aux plans 20 et 21. Ils sont parallèles au plan de la figure 5. La première surface tubulaire 55 est cylindrique autour de l'axe de rotation 13. La surface 55 correspond à la surface 19. La seconde surface tubulaire 56 est à section ovale. La section de la surface 56 est perpendiculaire à l'axe 13. Par ovale, on entend une section plane s'étendant suivant un grand axe 57 de façon plus importante que suivant un petit axe 58, les deux axes 57 et 58 étant perpendiculaires. La section ovale est par exemple oblongue ou elliptique. Le fait de mettre en œuvre une section ovale permet de réduire l'encombrement de l'articulation 10 suivant la direction du petit axe 58 tout en conservant un volume suffisant de l'espace 17 pour y permettre son rangement dynamique. Cette réduction d'encombrement peut par exemple permettre la mise en place d'un moteur 59 permettant de motoriser l'articulation 10.

Lorsque le câble plat 14 est enroulé dans l'espace 17, sa sortie au niveau de sa dernière spire extérieure vers l'un des éléments 1 1 ou 12 peut se faire tangentiellement à la surface 56 à section ovale par exemple au niveau du petit axe 58. A cet effet, une ouverture 60 est prévue dans le boîtier 40 au niveau de la surface 56 pour permettre la sortie du câble plat 14. Cette sortie tangentielle permet de se passer d'un des plis 22 ou 23 réalisé dans le câble plat 14, réduisant ainsi son coût de réalisation.

Claims

REVENDICATIONS

1. Articulation entre deux éléments (11 , 12), destinés à pivoter l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation (13), comprenant un câble électrique (14) reliant les deux éléments (1 1 , 12), le câble électrique (14) comprenant plusieurs conducteurs, caractérisé en ce que dans une section du câble (14), les conducteurs sont alignés de façon à former un câble plat, en ce que l'articulation (10) comprend un espace (17) disposé autour de l'axe de rotation (13) et dans lequel le câble plat (14) est enroulé autour de l'axe de rotation (13) en respectant l'alignement des conducteurs, en ce qu'avant mise en place dans l'espace (17) le câble plat (14) est réalisé dans un plan dans lequel s'étendent les conducteurs et en ce que dans le plan de réalisation, les conducteurs sont coudés pour permettre la sortie du câble (14) de l'espace (17) sans pli du câble (14).

2. Articulation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le câble (14) plat est déformé dans son domaine élastique lorsqu'il est enroulé dans l'espace (17).

3. Articulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le câble plat (14) comprend un substrat souple et des pistes formant les conducteurs, et en ce que les pistes sont imprimées sur le substrat souple.

4. Articulation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace (17) est annulaire et est compris entre deux surfaces cylindriques (18, 19) dont l'axe est l'axe de rotation (13), et en ce que les deux surfaces cylindriques (18, 19) sont limitées par deux plans (20, 21 ) perpendiculaires à l'axe de rotation (13).

5. Articulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'espace (17) est compris entre deux surfaces tubulaires (55, 56) limitées par deux plans (20, 21 ) perpendiculaires à l'axe de rotation (13), en ce qu'une première (55) des deux surfaces tubulaires (55, 56) est cylindrique autour de l'axe de rotation (13) et en ce qu'une seconde (56) des deux surfaces (55, 56) est à section ovale.

6. Articulation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le câble (14) sort de l'espace (17) tangentiellement à la surface tubulaire (56) à section ovale vers l'un des éléments (11 , 12).

7. Articulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que le câble (14) sort de l'espace (17) au niveau d'un petit axe (58) de la section ovale.

8. Robot humanoïde caractérisé en ce qu'il comprend au moins une articulation (10) selon l'une des revendications précédentes.