WO2013057203A1 - Manipulateur de charge a equilibrage ameliore - Google Patents

Manipulateur de charge a equilibrage ameliore Download PDF

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WO2013057203A1
WO2013057203A1 PCT/EP2012/070678 EP2012070678W WO2013057203A1 WO 2013057203 A1 WO2013057203 A1 WO 2013057203A1 EP 2012070678 W EP2012070678 W EP 2012070678W WO 2013057203 A1 WO2013057203 A1 WO 2013057203A1
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counterweight
point
arm
axis
load
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Application number
PCT/EP2012/070678
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Fares KFOURY
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
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    • B25J19/0016—Balancing devices using springs
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    • B25J19/0008—Balancing devices
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    • B25J9/1065—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links with parallelograms
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    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/06—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes with jibs mounted for jibbing or luffing movements

Definitions

  • the present invention relates to a manipulator for moving a load in equilibrium state having improved balancing.
  • a manipulator is an articulated system for handling a load in a defined workspace.
  • the system is such that it balances the weight of the load, so as to allow free gesture manipulation according to several degrees of freedom.
  • the mass of the manipulator is of the same order of magnitude as its load capacity. Therefore, it is important to consider both the balancing of the structure and that of the load.
  • manipulators based on the deformable parallelogram principle.
  • a manipulator is described, for example, in document FR 2 754 527. It comprises an arrow arm and a return arm mounted parallel to one another and articulated at their ends by a balance and a counter-balance and forming a parallelogram. deformable, the balance having at its free end, a point of application of a force due to the load.
  • One of the arms of the parallelogram is articulated on a substantially horizontal pivot axis carried by a frame.
  • it includes a compensator for applying a compensating force for a given value of the load. This compensator acts at such a point that it is always aligned with the pivot axis and the point of application of the force due to the load.
  • This compensator comprises a counterweight adapted to balance the vacuum apparatus and for example a traction means for generating a compensating force when the load is non-zero.
  • the calculations show that the value of the counterweight and its position on the counter-balance are calculated uniquely according to the geometry and the weight of the parts constituting the mechanism.
  • the realization of such a manipulator can be complex, especially because of congestion constraints. Indeed, once the geometry of the manipulator defined, which is for example imposed by the function and the working space to which it must respond, the position of the counterweight is imposed, and may for example be located several meters from the axis of rotation, without being able to modify it. The counterweight would then make the manipulator very cumbersome and impede its handling.
  • a manipulator of the deformable parallelogram type comprising an arrow arm and a return arm mounted parallel to each other and articulated at their ends by a balance and a counter-balance and forming a deformable parallelogram, the parallelogram being hinged to a frame about a substantially horizontal axis, means for applying a load compensating force, and means for compensating the weight of the structure of the vacuum manipulator.
  • the compensation means comprise at least two counterweights, a first counterweight whose weight is applied at an application point aligned with the point of application of the force due to the load and the point defined by the intersection of the horizontal axis and the plane containing the deformable parallelogram, regardless of the position of the load, and a second counterweight whose weight is applied to the boom arm or the idler arm.
  • the means for applying a compensating force of the load to be compensated apply their force to the point of compensation application. Thanks to the invention, by implementing several counterweights, a degree of freedom is conferred in the calculation of the value and the position of these counterweights. This degree of freedom makes it possible to arrange the counterweights in such a way as to encumber the operation of the mechanism as little as possible.
  • the manipulator further has a separation of the balancing functions of the structure and the load.
  • counterweight means capable of exerting an effort to balance the empty manipulator. It can then be elements whose effort is generated by their weight. It may also be springs attached to the idler arm and the boom arm so as to exert a force capable of balancing the empty manipulator.
  • the manipulator comprises two additional counterweights arranged, for one on the counter-balance and, for the other on the return arm, these counterweights having an adjustable position.
  • the subject of the present invention is therefore a load manipulator comprising an arrow arm and a return arm mounted parallel to each other and articulated at their ends by a rocker and a counterbalance so as to form a deformable parallelogram, an axis of substantially horizontal rotation on which is articulated the boom arm or the idler arm, the axis of rotation being carried by a frame, the axis of rotation being secant with the boom arm or the idler arm and means for balancing, inter alia, an effort to compensate for a given value of force due to the load, at a point of application, said point of application of compensation, said compensating application point being a point of the counter-balance and / or of the non-articulated arm about the axis of rotation such that it is always aligned with a point of the balance of application of the force due to the load and a point of the axis of rotation located in the plane of the deformable parallelogram, wherein the balancing means comprise a first counterweight and a second counterweight adapted to
  • the manipulator comprises a third counterweight and a fourth counterweight, the third counterweight being carried by the non-articulated return arm about the axis of rotation and the fourth counterweight being carried by the counter-balance, the value of the third counterweight and the value and the position of the fourth counterweight being chosen so that the value of the balancing force applied to the compensation application point is a linear function of the force applied by the load on the balance and the position of the third counterweight being chosen so as to compensate for the effect of the fourth counterweight on the balancing of the manipulator.
  • the third counterweight has an adjustable position along the return arm which carries it and the fourth counterweight also has an adjustable position along the counter-balance.
  • the counterweights are calculated in an inaccurate manner (the value of the second counterweight can be an integer multiple of a given mass, in the case of stacking identical plates for example), and the adjustment of the positions of the third and fourth counterweight can overcome this inaccuracy, as well as manufacturing inaccuracies.
  • the counterweights are replaced by spring systems.
  • the compensation application point is located at the point of articulation of the non-articulated arm around the axis of rotation and the counter-balance and wherein the second counterweight is connected to a free end of the arm articulated about the axis of rotation opposite to that articulated on the balance.
  • the means for compensating the value of the force of the load are for example formed by traction means.
  • These traction means may be formed by a jack provided with a rod which applies a force to the point of application.
  • the first counterweight is then advantageously mounted around the cylinder rod.
  • the frame is rotatable about a substantially vertical axis and / or along at least one horizontal axis.
  • a motor member may be provided for moving the frame in rotation about a substantially vertical axis and / or along at least one horizontal axis.
  • FIG. 1 is a side view of an embodiment of a manipulator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram of the manipulator of FIG. 1, on which the forces exerted on the various elements of the manipulator are represented;
  • FIG. 3 is a side view of another embodiment of a manipulator according to the present invention.
  • FIG. 4 is a partial diagram of the manipulator of FIG. 3, on which the forces exerted on the various elements of the manipulator are represented;
  • FIGS. 5 and 6 are side views of another embodiment of a manipulator according to the invention wherein one of the counterweight is formed by a spring.
  • the manipulator comprises an arrow arm 1 and a return arm 3 mounted parallel to each other and articulated at their ends by a rocker 2 and a counter-balance 4 and forming a deformable parallelogram.
  • the parallelogram is contained in a plane intended to be substantially vertical.
  • a first end 2.1 of the balance 2 is articulated at a point E on a first end 3.1 of the return arm 3.
  • a second end 2.2 of the beam 2 forms a point of application M of the force exerted by the load to handle.
  • a first end 1.1 of the boom arm 1 is articulated on the rocker 2 at a point G located between the point E and the point M.
  • the boom arm 3 is hingedly mounted on a frame 6 about a substantially horizontal axis.
  • the intersection of the horizontal axis and the plane of the parallelogram is designated 0.
  • the substantially horizontal axis of rotation will also be designated O.
  • the counter-balance 4 is articulated by a first end 4.1 on the boom arm 1 between the point O and a second longitudinal end of the boom arm 1 at a point A, and is articulated on the return arm 3 at the level of the second longitudinal end 3.2 of the return arm 3 at a point C.
  • the second end of the boom arm 1 is designated by the letter B.
  • the manipulator also comprises means 8 for balancing both when empty, i.e. when no load is suspended in M, and in the presence of a load.
  • the balancing means 8 comprise a first counterweight 10 articulated on the counter-balance and on the return arm at the point C, and a second counterweight 12 articulated on the boom arm 1.
  • the second counterweight 12 is articulated in point B.
  • the counterweights are formed by elements having a balancing mass.
  • the balancing means 8 comprise means developing a compensating force adapted to the load. It may be for example traction means.
  • it is a cylinder 14 whose rod 16 is articulated on the counter-balance 4 and the boom arm 1 at point C.
  • the first counterweight 10 is mounted around the rod 16 of the jack, which simplifies the realization of the manipulator, eliminating a specific articulation of the first counterweight at the point C.
  • the jack 14 compensates for the effect of the load on the balance of the manipulator.
  • a manipulator in which the first counterweight 10 would be connected to the point C separately from the jack is not outside the scope of the present invention.
  • the jack may for example be of the hydraulic or electrical type, the means developing a compensating force may also be formed by one or more springs.
  • the compensation application point C could be located either on the non-articulated arm on the axis of rotation or on the counter-balance, and not at the articulation without departing from the scope of the present invention.
  • FIGS. 5 and 6 show an exemplary embodiment of a manipulator according to the invention in which the second counterweight 12 is formed by a spring 22 which applies a force on the boom arm 1.
  • the spring 22 is mounted around a rod 24 hinged to the boom arm 1.
  • the spring is supported between one end of the rod 24 and a piece (not visible) forming a stop, articulated in rotation on the frame of the manipulator.
  • the rod 24 passes through the stop-gap piece, the latter then follows the displacement of the rod 24.
  • the position of the axis of rotation of the abutment piece is adjustable, which makes it possible to ensure an adjustment allowing to overcome the uncertainty on the spring's stiffness.
  • the abutment piece is articulated in rotation on elements 28 mounted on the frame, and whose position can be adjusted to change the position of the axis of rotation of the abutment piece.
  • the first counterweight 10 is formed by a mass whose weight is applied to the deflection arm 3.
  • the frame is mounted pivotable on the ground about a vertical axis Z and slidable along two horizontal axes X and Y perpendicular to each other.
  • the parallelogram then deforms in a plane capable of pivoting about the Z axis.
  • a motor member allows the displacement in rotation and / or in translation of the frame.
  • the chassis 6 rests on the ground, the deformable parallelogram being disposed above the chassis.
  • a manipulator whose frame would for example be suspended from a ceiling, the deformable parallelogram being located below the frame is not beyond the scope of the present invention.
  • the weight of each of the elements 1, 2, 3, 4 is designated by the vectors respectively.
  • the point B is not on the axis of the boom arm and the points Gi and G 2 and are respectively distant from this axis of the distance a, b, c.
  • the vectors designate normal module vectors 1 to the boom arm 1 and the balance 2 respectively.
  • the compensating force F v is a function of the load F and the value of the load F c is a constant. This equality of ratio geometrically translates the alignment of the compensation application point, the axis of rotation and the point of application of the load.
  • the compensating point of application C were located on the balance or on the counter-balance, and not at the level of the articulation, one would obtain equalities of the same kind on the lengths reflecting the alignment of the point of application of compensation, the axis of rotation and the point of application of the load.
  • GG1 is on the OG segment, ie b is zero, a is zero and point B is aligned with the points A, 0 and G.
  • the value of the first counterweight is given by the modulus of the designated vector CST (equation XI), and the value of the second counterweight is given by the modulus of (equation X). Thanks to the invention the balancing of the manipulator is made simpler with relatively uncompromising embodiments of the manipulator. It is then easy to achieve a balanced manipulator taking into account the constraints of space.
  • This manipulator comprises in addition to the first 10 and second 12 counterweights, third 18 and fourth 20 counterweight.
  • the third counterweight 18 is mounted on the second end 3.2 of the return arm 3 and the fourth counterweight 20 is mounted on the second end 4.2 of the counter-balance 4.
  • Each of the third and fourth counterweights has an adjustable position along the axis of the return arm and the counter-balance respectively.
  • the third and fourth counterweights are thread-mounted along the deflection arm 3 and counter-balance 4 respectively, allowing adjustment in easy position. Any other adjustment means in position is possible, for example a rack.
  • the value of the third counterweight 18 and the value and position of the fourth counterweight 20 are chosen so as to cancel the term CST in the equation XI.
  • F v the value of F
  • F v the value of F
  • the boom arm 1 After assembling the various parts of the manipulator, the boom arm 1 is fixed in a vertical position, ie the segment is positioned vertically to the axis of rotation.
  • the fourth counterweight 20 is then moved along the axis AC to balance the balance 2.
  • the first counterweight 10 applies its weight on the idler arm 3 and the second counterweight 12 applies its weight on the boom arm 1.
  • this configuration is in no way limiting.
  • a load manipulator has been made which offers improved balancing while being simple in construction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Manipulateur de charge comportant un bras de flèche (1) et un bras de renvoi (3) parallèles entre eux, un balancier (2) et un contre-balancier (4) de sorte a former un parallélogramme déformable, un axe de pivotement sensiblement horizontal sur lequel est articule I'une des bras du parallélogramme, et des moyens d'équilibrage (8) appliquant un effort en un point d'application de compensation (C) pour compenser la force de la charge, ledit point étant un point du bras de renvoi (3) et un point du contre-balancier tel qu'il est toujours aligne avec un point (M) du balancier ou s'applique la force de la charge et I'axe de rotation, dans lequel les moyens d'équilibrage (8) comportent un premier contrepoids (10) et un deuxième contrepoids (12) et un vérin pour compenser la valeur de la force de la charge, le premier contrepoids (10) et le vérin appliquant un effort sur le point d'application de compensation (C) et le deuxième contrepoids (12) exerçant un effort sur le bras de flèche (1).

Description

MANIPULATEUR DE CHARGE A EQUILIBRAGE AMELIORE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un manipulateur pour déplacer une charge en état d'équilibre présentant un équilibrage amélioré.
Un manipulateur est un système articulé permettant de manipuler une charge dans un espace de travail défini. Le système est tel qu'il équilibre le poids de la charge, de façon à permettre une manipulation gestuelle libre suivant plusieurs degrés de liberté.
Dans la pratique, la masse du manipulateur est du même ordre de grandeur que sa capacité de charge. De ce fait, il est important de considérer aussi bien l'équilibrage de la structure que celui de la charge.
Il existe des manipulateurs basés sur le principe du parallélogramme déformable. Un tel manipulateur est par exemple décrit dans le document FR 2 754 527. Celui-ci comporte un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier et formant un parallélogramme déformable, le balancier présentant à son extrémité libre, un point d'application d'une force due à la charge. L'un des bras du parallélogramme est articulé sur un axe de pivotement sensiblement horizontal porté par un châssis. En outre, il comporte un compensateur pour appliquer un effort compensateur pour une valeur donnée de la charge. Ce compensateur agit en un point tel qu'il se trouve toujours aligné avec l'axe de pivotement et le point d'application de la force due à la charge. Ce compensateur comporte un contrepoids adapté pour équilibrer l'appareil à vide et par exemple un moyen de traction pour générer un effort compensateur lorsque la charge est non nulle.
Or, les calculs montrent que la valeur du contrepoids et sa position sur le contre-balancier sont calculés de façon unique en fonction de la géométrie et des poids des pièces constituant le mécanisme. La réalisation d'un tel manipulateur peut être complexe, notamment à cause des contraintes d'encombrement. En effet, une fois la géométrie du manipulateur définie, qui est par exemple imposée par la fonction et l'espace de travail auxquels il doit répondre, la position du contrepoids est imposée, et peut par exemple se situer à plusieurs mètres de l'axe de rotation, sans qu'on puisse la modifier. Le contrepoids rendrait alors le manipulateur très encombrant et gênerait sa manipulation.
Afin de tenir compte des incertitudes de réalisation dans l'équilibrage, il serait préférable de pouvoir régler la position du contrepoids et sa valeur, cependant ce dernier réglage serait complexe à effectuer. EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un manipulateur de conception simple et de prix de revient réduit offrant une compensation parfaite du poids du manipulateur et de la charge manipulée en tout point de l'espace de travail.
Le but de la présente invention est atteint par un manipulateur du type à parallélogramme déformable comportant un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre- balancier et formant un parallélogramme déformable, le parallélogramme étant articulé sur un châssis autour d'un axe sensiblement horizontal, des moyens d'application d'un effort compensateur de la charge, et des moyens de compensation du poids de la structure du manipulateur à vide. Les moyens de compensation comportent au moins deux contrepoids, un premier contrepoids dont le poids s'applique en un point d'application aligné avec le point d'application de la force due à la charge et le point défini par l'intersection de l'axe horizontal et le plan contenant le parallélogramme déformable, quelle que soit la position de la charge, et un deuxième contrepoids dont le poids s'applique sur le bras de flèche ou le bras de renvoi. Les moyens d'application d'un effort compensateur de la charge à compenser appliquent leur effort au point d'application de compensation. Grâce à l'invention, en mettant en œuvre plusieurs contrepoids, on confère un degré de liberté dans le calcul de la valeur et de la position de ces contrepoids. Ce degré de liberté permet de disposer les contrepoids de façon à encombrer le moins possible le fonctionnement du mécanisme. Le manipulateur présente en outre une séparation des fonctions d'équilibrage de la structure et de la charge.
Dans la présente demande, on entend par " moyens formant contrepoids " des moyens aptes à exercer un effort pour équilibrer le manipulateur à vide. Il peut alors s'agir d'éléments dont l'effort est généré par leur poids. Il peut également s'agir de ressorts fixés sur le bras de renvoi et le bras de flèche de sorte à exercer un effort apte à équilibrer le manipulateur à vide.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le manipulateur comporte deux contrepoids supplémentaires disposés, pour l'un sur le contre-balancier et, pour l'autre sur le bras de renvoi, ces contrepoids ayant une position réglable.
Ces contrepoids permettent de réaliser un équilibrage précis du manipulateur à vide, ce qui permet la mise en place d'une compensation proportionnelle du poids de la charge, i.e. la fonction reliant la force exercée par la charge et l'effort compensateur est une fonction linéaire. En outre, ils permettent de s'affranchir de l'incertitude sur la réalisation du système.
De plus, le réglage des positions des contrepoids se fait séquentiellement et non de façon couplée. Ceci permet une procédure d'équilibrage simple et précise.
La présente invention a alors pour objet un manipulateur de charge comportant un bras de flèche et un bras de renvoi montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier et par un contre-balancier de sorte à former un parallélogramme déformable, un axe de rotation sensiblement horizontal sur lequel est articulé le bras de flèche ou le bras de renvoi, l'axe de rotation étant porté par un châssis, l'axe de rotation étant sécant avec le bras de flèche ou le bras de renvoi et des moyens d'équilibrage appliquant entre autres un effort pour compenser une valeur donnée de la force due à la charge, en un point d'application, dit point d'application de compensation, ledit point d'application de compensation étant un point du contre- balancier et/ou du bras non articulé autour de l'axe de rotation tel qu'il est toujours aligné avec un point du balancier d'application de la force due à la charge et un point de l'axe de rotation situé dans le plan du parallélogramme déformable, dans lequel les moyens d'équilibrage comportent un premier contrepoids et un deuxième contrepoids adaptés pour équilibrer le manipulateur à vide et des moyens pour compenser la valeur de la force de la charge, le poids du premier contrepoids et l'effort compensateur de la valeur de la force de la charge s'exerçant sur le point d'application de compensation et le poids du deuxième contrepoids s'exerçant sur le bras articulé autour de l'axe de rotation.
Dans un exemple particulièrement avantageux, le manipulateur comporte un troisième contrepoids et un quatrième contrepoids, le troisième contrepoids étant porté par le bras de renvoi non articulé autour de l'axe de rotation et le quatrième contrepoids étant porté par le contre-balancier, la valeur du troisième contrepoids et la valeur et la position du quatrième contrepoids étant choisies de sorte que la valeur de l'effort d'équilibrage appliquée au point d'application de compensation est une fonction linéaire de la force appliquée par la charge sur le balancier et la position du troisième contrepoids étant choisie de sorte à compenser l'effet du quatrième contrepoids sur l'équilibrage du manipulateur.
De manière avantageuse, le troisième contrepoids a une position réglable le long du bras de renvoi qui le porte et le quatrième contrepoids a également une position réglable le long du contre-balancier. Dans ce cas, les contrepoids sont calculés de façon peu précise (la valeur du deuxième contrepoids peut être un multiple entier d'une masse donnée, dans le cas d'empilement de plaques identiques par exemple), et le réglage des positions du troisième et du quatrième contrepoids permet de palier cette imprécision, ainsi que les imprécisions de fabrication.
Dans un autre mode de réalisation, les contrepoids sont remplacés par des systèmes à ressorts.
Par exemple, le point d'application de compensation est situé au point d'articulation du bras non articulé autour de l'axe de rotation et du contre-balancier et dans lequel le deuxième contrepoids est relié à une extrémité libre du bras articulé autour de l'axe de rotation opposée à celle articulée sur le balancier.
Les moyens pour compenser la valeur de la force de la charge sont par exemple formés par des moyens de traction. Ces moyens de traction peuvent être formés par un vérin muni d'une tige qui applique une force au point d'application. Le premier contrepoids est alors avantageusement monté autour de la tige du vérin.
De manière avantageuse, le châssis est mobile en rotation autour d'un axe sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal. Un organe moteur peut être prévu pour déplacer le châssis en rotation autour d'un axe sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexes sur lesquels :
- la figure 1 est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention ;
- la figure 2 est un schéma du manipulateur de la figure 1, sur lequel les forces exercées sur les différents éléments du manipulateur sont représentées ;
- la figure 3 est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention ;
- la figure 4 est un schéma partiel du manipulateur de la figure 3, sur lequel les forces exercées sur les différents éléments du manipulateur sont représentées;
- les figures 5 et 6 sont des vues de côtés d'un autre exemple de réalisation d'un manipulateur selon l'invention dans lequel l'un des contrepoids est formé par un ressort. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un manipulateur selon l'invention. Le manipulateur comporte un bras de flèche 1 et un bras de renvoi 3 montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier 2 et par un contre-balancier 4 et formant un parallélogramme déformable. Le parallélogramme est contenu dans un plan destiné à être sensiblement vertical.
Une première extrémité 2.1 du balancier 2 est articulée en un point E sur une première extrémité 3.1 du bras de renvoi 3. Une deuxième extrémité 2.2 du balancier 2 forme un point d'application M de la force exercée par la charge à manipuler.
Une première extrémité 1.1 du bras de flèche 1 est articulée sur le balancier 2 en un point G situé entre le point E et le point M. Le bras de flèche 3 est monté articulé sur un châssis 6 autour d'un axe sensiblement horizontal. L'intersection de l'axe horizontal et du plan du parallélogramme est désigné par 0. Dans la suite, l'axe de rotation sensiblement horizontal sera également désigné O.
Le contre-balancier 4 est articulé par une première extrémité 4.1 sur le bras de flèche 1 entre le point O et une deuxième extrémité longitudinale du bras de flèche 1 en un point A, et est articulé sur le bras de renvoi 3 au niveau de la deuxième extrémité longitudinale 3.2 du bras de renvoi 3 en un point C.
La deuxième extrémité du bras de flèche 1 est désignée par la lettre B.
Le manipulateur comporte également des moyens 8 pour assurer l'équilibrage à la fois à vide, i.e. lorsqu'aucune charge n'est suspendue en M, et en présence d'une charge.
Les moyens d'équilibrage 8 comportent un premier contrepoids 10 articulé sur le contre-balancier et sur le bras de renvoi au point C, et un deuxième contrepoids 12 articulé sur le bras de flèche 1. Dans l'exemple représenté, le deuxième contrepoids 12 est articulé au point B.
Dans l'exemple représenté, les contrepoids sont formés par des éléments présentant une masse assurant l'équilibrage.
En outre, les moyens d'équilibrage 8 comportent des moyens développant un effort compensateur adapté à la charge. Il peut s'agir par exemple de moyens de traction. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, il s'agit d'un vérin 14 dont la tige 16 est articulée sur le contre-balancier 4 et sur le bras de flèche 1 au point C. De manière avantageuse, le premier contrepoids 10 est monté autour de la tige 16 du vérin, ce qui simplifie la réalisation du manipulateur, supprimant une articulation spécifique du premier contrepoids au point C. Le vérin 14 compense l'effet de la charge sur l'équilibre du manipulateur.
Un manipulateur dans lequel le premier contrepoids 10 serait relié au point C de manière séparée par rapport au vérin ne sort pas du cadre de la présente invention. Le vérin peut être par exemple de type hydraulique ou électrique, les moyens développant un effort compensateur peuvent aussi être formés par un ou des ressorts.
Le point d'application de compensation C pourrait se situer soit sur le bras non articulé sur l'axe de rotation, soit sur le contre-balancier, et non au niveau de l'articulation sans sortir du cadre de la présente invention.
Dans un autre exemple de réalisation, les contrepoids pourraient être formés en tout ou en partie par des systèmes à ressort permettant de remplir les mêmes fonctions d'équilibrage. Sur les figures 5 et 6, on peut voir un exemple de réalisation d'un manipulateur selon l'invention dans lequel le deuxième contrepoids 12 est formé par un ressort 22 qui applique un effort sur le bras de flèche 1. Le ressort 22 est monté autour d'une tige 24 articulée sur le bras de flèche 1. Le ressort est en appui entre une extrémité de la tige 24 et une pièce (non visible) formant butée, articulée en rotation sur le châssis du manipulateur. La tige 24 traverse la pièce format butée, cette dernière suit alors le déplacement de la tige 24. De manière avantageuse, la position de l'axe de rotation de la pièce formant butée est réglable, ce qui permet d'assurer un réglage permettant de pallier l'incertitude sur la raideur du ressort. Dans l'exemple représenté, la pièce formant butée est articulée en rotation sur des éléments 28 montés sur le châssis, et dont la position peut être réglée pour modifier la position de l'axe de rotation de la pièce formant butée.
Le premier contrepoids 10 est formé par une masse dont le poids s'applique sur le bras de renvoi 3. En variante on pourrait prévoir d'avoir également le premier contrepoids formé par un ressort, ou que le premier contrepoids soit formé par un ressort et le deuxième contrepoids soit formé par une masse. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le châssis est monté apte à pivoter sur le sol autour d'un axe vertical Z et apte à coulisser le long de deux axes horizontaux X et Y perpendiculaires entre eux. Le parallélogramme se déforme alors dans un plan apte à pivoter autour de l'axe Z. Ces articulations autour de l'axe Z et le long des axes horizontaux X et Y n'interviennent pas dans l'équilibrage du manipulateur.
Avantageusement, un organe moteur permet le déplacement en rotation et/ou en translation du châssis.
Dans l'exemple représenté, le châssis 6 repose sur le sol, le parallélogramme déformable étant disposé au-dessus du châssis. Un manipulateur dont le châssis serait par exemple suspendu à un plafond, le parallélogramme déformable étant situé en dessous du châssis ne sort pas du cadre de la présente invention.
Sur la figure 2, les centres de gravité de chacun des éléments 1, 2, 3, 4 du manipulateur sont désignés par Gi, G2, G3, G4 respectivement.
On désigne par la force appliquée par la charge au point M, la force
Figure imgf000010_0007
Figure imgf000010_0002
exercée par les moyens d'équilibrage de charge au point C, et la force exercée par le
Figure imgf000010_0001
deuxième contrepoids au point B.
Le poids de chacun des éléments 1, 2, 3, 4 est désigné par les vecteurs respectivement.
Figure imgf000010_0003
Dans l'exemple représenté, le point B n'est pas sur l'axe du bras de flèche ainsi que les points Gi et G2 et sont respectivement distants de cet axe de la distance a, b, c.
Les vecteurs
Figure imgf000010_0005
désignent des vecteurs de module 1 normaux au bras de flèche 1 et au balancier 2 respectivement.
désigne la réaction du châssis au niveau de l'axe horizontal au
Figure imgf000010_0004
point O.
Lorsque l'on écrit les équations d'équilibre des forces et des moments pour chacun des éléments 1, 2, 3, 4, on obtient les équations suivantes :
Figure imgf000010_0006
Figure imgf000011_0001
L'équilibre des moments s'appliquant au bras de flèche s'écrit avec les points avec B' et G1', qui sont respectivement les projections de B et Gl sur (OG) :
Figure imgf000011_0002
Cette équation doit être vérifiée en toute position (quels que soient
Figure imgf000011_0003
on obtient :
Figure imgf000011_0004
'équilibre des moments s'appliquant au balancier s'écrit
Figure imgf000011_0005
En outre,
Figure imgf000011_0006
Or,
Figure imgf000011_0007
On obtient donc à partir des équations (IV), (V), (VI) et (VII):
Figure imgf000011_0008
Cette équation doit être vérifiée en toute position, donc quelque soit la direction du vecteur
Figure imgf000011_0009
ce qui implique que le vecteur entre accolades est nul.
Le terme
Figure imgf000011_0010
ne pourra pas être compensé. Néanmoins, si nous faisons l'hypothèse que l'effet de ce déséquilibrage n'est pas visible, puisque
Figure imgf000011_0011
le couple qui en résulte est masqué par les frottements de l'axe de rotation, préchargé par le poids des pièces articulés.
Par conséquent,
Figure imgf000012_0003
vérifient les équations :
Figure imgf000012_0001
A la condition que on obtient une solution unique au
Figure imgf000012_0004
Figure imgf000012_0005
système d'équations VI 11 -IX.
L'effort compensateur Fv est fonction de la charge F et la valeur de la charge Fc est une constante. Cette égalité de rapport traduit géométriquement l'alignement du point d'application de compensation, de l'axe de rotation et du point d'application de la charge.
Cette condition d'égalité de rapports de dimensions est peu contraignante pour la réalisation du système, en effet elle n'implique que le bras de flèche 1 et le balancier 2, et ne rend pas le manipulateur encombrant et/ou complexe à réaliser.
Si le point d'application de compensation C était situé sur le balancier ou sur le contre-balancier, et non au niveau de l'articulation, on obtiendrait des égalités du même genre sur les longueurs traduisant l'alignement du point d'application de compensation, de l'axe de rotation et du point d'application de la charge.
On obtient alors :
Figure imgf000012_0002
En outre, à partir de l'équation (III), on obtient :
Figure imgf000012_0006
Il est alors possible de déterminer la valeur de a par exemple en mesurant le paramètre b à partir de la réalisation CAO. Si GG1 se situe sur le segment OG, i.e. b est nul, a est nul et le point B se trouve aligné avec les points A, 0 et G.
La valeur du premier contrepoids est donnée par le module du vecteur désigné CST (équation XI), et la valeur du deuxième contrepoids est donnée par le module de (équation X). Grâce à l'invention l'équilibrage du manipulateur est rendu plus simple avec des conditions de réalisation du manipulateur relativement peu contraignantes. Il est alors aisé de réaliser un manipulateur équilibré en tenant compte des contraintes d'encombrement.
Sur les figures 3 et 4, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un manipulateur selon la présente invention particulièrement avantageux.
Ce manipulateur comporte outre les premier 10 et deuxième 12 contrepoids, des troisième 18 et quatrième 20 contrepoids.
Le troisième contrepoids 18 est monté sur la deuxième extrémité 3.2 du bras de renvoi 3 et le quatrième contrepoids 20 est monté sur la deuxième extrémité 4.2 du contre-balancier 4. Chacun des troisième et quatrième contrepoids présente une position réglable le long de l'axe du bras de renvoi et du contre-balancier respectivement. Par exemple, le troisième et le quatrième contrepoids sont montés sur filetages le long du bras de renvoi 3 et du contre-balancier 4 respectivement, permettant un réglage en position facile. Tout autre moyen de réglage en position est envisageable, par exemple une crémaillère.
La valeur du troisième contrepoids 18 et la valeur et la position du quatrième contrepoids 20 sont choisies de sorte à annuler le terme CST dans l'équation XI. Ainsi, on obtient une fonction linéaire entre la valeur de Fv et la valeur de F, et non plus une fonction affine. La valeur de Fv est alors directement proportionnelle à F. Plusieurs familles de choix sont possibles pour ces trois paramètres, et ce degré de liberté permet de réduire l'encombrement des contrepoids.
Cependant l'ajout du troisième et du quatrième contrepoids a pour effet de modifier la valeur de Fc et de fait celle du deuxième contrepoids 20. Or la valeur du deuxième contrepoids est déjà fixée. Il est alors possible de choisir la position du troisième contrepoids, on compense ainsi l'ajout du quatrième contrepoids dans l'équation X.
Nous allons maintenant expliquer un exemple de procédé de réglage en position des troisième et quatrième contrepoids.
Après assemblage des différentes pièces du manipulateur, le bras flèche 1 est fixé dans une position verticale, i.e. le segment
Figure imgf000014_0002
est positionné à la verticale de l'axe de rotation. Le quatrième contrepoids 20 est ensuite déplacé le long de l'axe AC pour assurer un équilibrage du balancier 2.
Ensuite le bras de flèche 1 est relâché et le troisième contrepoids 18 est déplacé le long de la droite (EC). Ceci n'affecte pas le premier équilibrage effectué, puisque celui-ci dépend de la valeur de mais ne dépend pas de la position de G3.
Figure imgf000014_0001
Dans les exemples représentés, le premier contrepoids 10 applique son poids sur le bras de renvoi 3 et le deuxième contrepoids 12 applique son poids sur le bras de flèche 1. Cependant cette configuration n'est en aucun cas limitative. On pourrait prévoir la configuration inverse, le bras de renvoi 3 étant alors articulé autour du point O.
On a bien réalisé un manipulateur de charge offrant un équilibrage amélioré, tout en étant de réalisation simple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Manipulateur de charge comportant :
- un bras de flèche (1) et un bras de renvoi (3) montés parallèles entre eux et articulés à leurs extrémités par un balancier (2) et par un contre-balancier (4) de sorte à former un parallélogramme déformable,
- un axe de rotation sensiblement horizontal sur lequel est articulé le bras de flèche ou le bras de renvoi, l'axe de rotation étant porté par un châssis (6), l'axe de rotation étant sécant avec le bras de flèche ou le bras de renvoi,
- et des moyens d'équilibrage (8) appliquant entre autres un effort pour compenser une valeur donnée de la force due à la charge, en un point d'application (C), dit point d'application de compensation, ledit point d'application de compensation (C) étant un point du contre-balancier et/ou du bras non articulé autour de l'axe de rotation tel qu'il est toujours aligné avec un point (M) du balancier d'application de la force due à la charge et un point (0) de l'axe de rotation situé dans le plan du parallélogramme déformable,
dans lequel les moyens d'équilibrage (8) comportent un premier contrepoids (10) et un deuxième contrepoids (12) adaptés pour équilibrer le manipulateur à vide et des moyens pour compenser la valeur de la force de la charge, le poids du premier contrepoids (10) et l'effort compensateur de la valeur de la force de la charge s'exerçant sur le point d'application de compensation (C) et le poids du deuxième contrepoids (12) s'exerçant sur le bras (1, 3) articulé autour de l'axe de rotation.
2. Manipulateur selon la revendication 1, comportant un troisième contrepoids (18) et un quatrième contrepoids (20), le troisième contrepoids (18) étant porté par le bras de renvoi (3) non articulé autour de l'axe de rotation et le quatrième contrepoids (20) étant porté par le contre-balancier (4), la valeur du troisième contrepoids (18) et la valeur et la position du quatrième contrepoids (20) étant choisies de sorte que la valeur de l'effort d'équilibrage appliqué au point d'application de compensation (C) est une fonction linéaire de la force appliquée par la charge sur le balancier (2) et la position du troisième contrepoids (18) étant choisie de sorte à compenser l'effet du quatrième contrepoids (20) sur l'équilibrage du manipulateur à vide.
3. Manipulateur selon la revendication 2, dans lequel le troisième contrepoids (18) a une position réglable le long du bras de renvoi (3) qui le porte et le quatrième contrepoids (20) a une position réglable le long du contre-balancier (4).
4. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel tout ou partie des contrepoids est formés par des éléments présentant une masse assurant l'équilibrage.
5. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel tout ou partie des contrepoids est formés par des systèmes à ressorts.
6. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le point d'application de compensation (C) est situé au point d'articulation du bras non articulé autour de l'axe de rotation (1,3) et du contre-balancier (4) et dans lequel le deuxième contrepoids (12) est relié à une extrémité libre du bras articulé autour de l'axe de rotation (3,1) opposée à celle articulée sur le balancier (2).
7. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de compensation comportent des moyens de traction (14) développant un effort compensateur adapté à la valeur de la charge.
8. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de traction sont formés par un vérin (14) muni d'une tige (16) qui applique une force au point d'application de compensation (C).
9. Manipulateur selon la revendication 8, dans lequel le premier contrepoids (10) est monté autour de la tige (16) du vérin (14).
10. Manipulateur selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le châssis (6) est mobile en rotation autour d'un axe (Z) sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal (X, Y).
11. Manipulateur selon la revendication 10, comportant un organe moteur pour déplacer le châssis (6) en rotation autour de l'axe (Z) sensiblement vertical et/ou le long d'au moins un axe horizontal (X, Y).
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