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DISPOSITIF DE TItANSFORMATION CINEMATIQUE
La présente invention concerne le domaine des
transformateurs cinématiques. Plus particulièrement, elle
concerne un transformateur cinématique transformant les
mouvements d'une ou de plusieurs pièces mobiles en mouvements
d'un outil mobile, et réciproquement.
Un transformateur cinématique permet de convertir les
mouvements selon plusieurs degrés de liberté d'un outil mobile
en mouvements élémentaires d'un nombre inférieur de degrés
de liberté de pièces mobiles. De façon générale, on cherche à
obtenir des mouvements élémentaires à un unique degré de liberté
des pièces mobiles. Les mouvements élémentaires peuvent
facilement être produits par des actionneurs, ou facilement être
mesurés par des capteurs.
Les transformateurs cinématiques se divisent
essentiellement en deux familles : les transformateurs série et
les transformateurs parallèle.
Dans le cas d'un transformateur cinématique série,
l'outil mobile est relié à une unique chaîne cinématique qui
comprend les pièces mobiles. Un exemple de transformateur
cinématique série correspond aux bras robotisés utilisés dans
l'usinage assisté par ordinateur. Un outil devant usiner une
pièce à fabriquer est porté à l'extrémité d'un bras porteur qui
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se compose de plusieurs branches montées en série et articulées
les unes par rapport aux autres. Le pivotement d'une branche par
rapport à la branche voisine est obtenu au moyen de moteurs
électriques. En commandant les différents moteurs électriques
par des signaux adaptés, il est possible de déplacer l'outil
dans l'espace éventuellement selon six degrés de liberté. Un tel
transformateur cinématique est souvent volumineux et de
structure complexe. En outre, les moteurs électriques étant
répartis à différents emplacements sur le bras porteur, le
transformateur cinématique présente d'importantes masses en
mouvement qui sont préjudiciables aux performances du
transformateur.
Un transformateur cinématique parallèle comprend
plusieurs chaînes cinématiques, chaque chaîne cinématique
reliant l'outil mobile à une pièce mobile ou plusieurs pièces
mobiles.
Un exemple de transformateur cinématique parallèle
concerne un simulateur de mouvements pour châssis de véhicule
automobile dans lequel un châssis de véhicule automobile est
monté sur une base fixe par quatre vérins hydrauliques, chaque
vérin ayant une première extrémité reliée à la base et une
seconde extrémité reliée au châssis. Les quatre vérins sont
commandés indépendamment pour obtenir le déplacement du châssis.
Un tel dispositif est généralement volumineux, en particulier
dans le cas où l'on souhaite commander un outil mobile ayant un
nombre élevé de degrés de liberté.
La présente invention vise à obtenir un transformateur
cinématique parallèle occupant un faible volume. En particulier,
la présente invention vise à obtenir un transformateur
cinématique pour lequel le degré de liberté de chaque pièce
mobile est un degré de translation selon un axe fixe.
Pour atteindre ces objets, la présente invention
prévoit un dispositif de transformation cinématique réversible
de mouvements d'au moins trois pièces mobiles en mouvements d'un
outil mobile, chaque pièce mobile étant reliée à l'outil mobile
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par une chaîne cinématique au moins en partie spécifique, dans
lequel les pièces mobiles se déplacent en translation selon des
directions rectilignes parallèles, chaque chaîne cinématique
comprenant des éléments de liaison équivalents au total à quatre
liaisons pivotantes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le dispositif est isostatique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les pièces mobiles sont alignées.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les pièces mobiles sont régulièrement espacées.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque chaîne cinématique comprend une rotule et une liaison
pivotante.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque chaîne cinématique comprend deux cardans.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que
d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans
la description suivante de modes de réalisation particuliers
faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes
parmi lesquelles :
la figure 1 représente un exemple d'actionneur
linéaire pouvant être associé à un transformateur cinématique
selon l'invention ;
la figure 2 représente un schéma cinématique d'un
transformateur cinématique pour un outil mobile à trois degrés
de liberté ;
la figure 3 représente un exemple de réalisation du
schéma cinématique de la figure 2 ;
la figure 4 représente un exemple de liaison par
cardan ; et
la figure 5 représente un autre exemple de réalisation
du schéma cinématique de la figure 2.
Le principe de la présente invention consiste à
transformer des mouvements selon différents degrés de liberté de
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l'outil mobile en autant de mouvements rectilignes parallèles de
pièces mobiles. Dans les modes de réalisation décrits par la
suite, les pièces mobiles correspondent aux parties mobiles
d'act ionneurs linéaires. Inversement, la présente invention
permet de transformer des mouvements rectilignes parallèles de
pièces mobiles en mouvements selon différents degrés de liberté
de l'outil mobile.
La figure 1 représente un exemple d'actionneur
linéaire 10 comportant une base fixe 11 et six parties ou
tranches mobiles 12A à 12F. Chaque tranche mobile 12A à 12F est
susceptible de se déplacer de façon autonome, par rapport à la
base fixe 11, selon un axe parallèle à un axe OZ, sur une plage,
par exemple de 2 cm. Les tranches mobiles 12A à 12F sont
disposées de sorte que leurs axes de déplacements soient
coplanaires et régulièrement espacés, par exemple d'une dizaine
de centimètres. Chaque tranche mobile 12A à 12F comporte un
alésage 13A à 13F pouvant recevoir des moyens de fixation d'un
élément extérieur sur la tranche mobile 12A à 12F. Lorsque les
tranches mobiles 12A à 12F ne sont pas sollicitées, les
différents alésages 13A à 13F sont coaxiaux selon un axe OX,
perpendiculaire à l' axe OZ. Le plan (XOZ) forme un plan médian
des tranches mobiles 12A à 12F. Les axes OZ et OX forment avec
un axe OY perpendiculaire au plan (XOZ) un repère orthonormé.
Six tranches mobiles 12A à 12F ont été représentées
sur la figure 1. Il est clair que l'actionneur linéaire 10 peut
comprendre un nombre variable de tranches mobiles selon
l'utilisation souhaitée comme il apparaîtra par la suite. En
outre, un nombre limité de tranches mobiles 12A à 12F peut être
utili sé parmi les six tranches mobiles disponibles de
l'act ionneur linéaire 10 de la figure 1.
Un exemple d'actionneur linéaire de ce type est décrit
dans le brevet européen EP 0365441 de la demanderesse.
Une condition pour obtenir un transformateur
cinématique qui présente un minimum de jeux structurels et de
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pertes d'énergie par frottement est que le transformateur
cinématique est isostatique.
Sur la figure 2, on a représenté une possibilité de
schéma cinématique d'un transformateur cinématique isostatique
5 parallèle transformant les mouvements d'un objet mobile 20 ayant
trois degrés de liberté en mouvements de translations de trois
tranches mobiles 12A, 12B, 12C et réciproquement.
Sur la figure 2, l'outil mobile 20 est relié aux trois
tranches mobiles 12A, 12B, 12C par des chaînes cinématiques
correspondantes 22A, 22B, 22C. Chaque chaîne cinématique 22A,
22B, 22C comprend plusieurs branches rigides 23, chaque branche
23 étant reliée à une autre branche par une liaison pivotante
24, c'est-à-dire une liaison à un degré de liberté de rotation.
A titre d'exemple, une liaison pivotante peut correspondre à
deux arbres coaxiaux montés libres en rotation l'un par rapport
à l'autre, deux liaisons pivotantes successives peuvent
correspondre à un cardan, et trois liaisons pivotantes
successives à une rotule.
Une condition pour qu'un schéma cinématique de ce type
corresponde à un transformateur cinématique réalisable est que
chaque paire de chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C comprenne au
total au moins sept liaisons pivotantes 24. La figure 2
représente un transformateur cinématique dont les trois chaines
cinématiques 22A, 22B, 22C comprennent chacune quatre liaisons
pivotantes 24.
La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un
transformateur cinématique selon le schéma cinématique
représenté sur la figure 2.
L'invention utilise l'actionneur 10 représenté sur la
figure 1 dont seules trois tranches mobiles 12A, 12B, 12C
participant à l'invention sont représentées. L'outil mobile 20
est constitué par un tripode dont les trois pieds 26A, 26B, 26C
sont équidistants les uns des autres. Une tige 27 est fixée
solidairement à une extrémité sur le tripode 20. L'extrémité
opposée de la tige 27 est fixée solidairement à une manette
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sphérique 28 destinée à être manipulée par un utilisateur. La
tige 27 et la manette sphérique 28 peuvent être remplacées par
tout type d'embout, par exemple un embout sphérique, cruciforme,
etc., selon l'utilisation prévue du transformateur cinématique.
Chaque pied 26A, 26B, 26C est relié à une tranche
mobile 12A, 12B, 12C de l'actionneur 10 par une chaine
cinématique 22A, 22B, 22C. Par la suite, les suffixes A, B, C
désignent l'appartenance à l'une des chaînes cinématiques 22A,
22B, 22C.
Chaque chaîne cinématique 22A, 22B, 22C comporte un
système de renvoi 30A, 30B, 30C, en forme de "L", fixé
solidairement à une extrémité à la tranche mobile 12A, 12B, 12C,
au niveau de l'alésage 13A, 13B, 13C, et relié à l'extrémité
opposée à un premier cardan 31A, 31B, 31C. Le premier cardan
31A, 31B, 31C est relié à une extrémité d'un bras 32A, 32B, 32C
pouvant, par exemple, avoir une longueur de 50 mm. L'extrémité
opposée du bras est reliée à un second cardan 33A, 33B, 33C
également relié à un pied 26A, 26B, 26C du tripode 20.
Dans le présent exemple de réalisation, les systèmes
de renvoi 30A, 30B, 30C, et les bras 32A, 32B, 32C ont des
formes et dimensions identiques pour les trois chaînes
cinématiques 22A, 22B, 22C.
La figure 4 représente un exemple de réalisation des
premier et second cardans 31A à 31C et 33A à 33C. A titre
explicatif, la figure 4 représente le premier cardan 31A. Le
cardan 31A comprend un premier arbre 35A, d'axe 36A, dont une
extrémité est fixée solidairement au système de renvoi 30A, et
un second arbre 37A, d'axe 38A, dont une extrémité est fixée
solidairement au bras 32A. L'extrémité opposée du premier arbre
35A se prolonge par une première fourche 39A dans laquelle est
montée libre en rotation une première branche cylindrique 40A,
d'axe 41A, d'un croisillon 42A. L'extrémité opposée du second
arbre 37A se prolonge par une seconde fourche 43A dans laquelle
est montée libre en rotation une seconde branche cylindrique
44A, d'axe 45A, du croisillon 42A. Les axes 41A et 45A se
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coupent au point 46A appelé centre du premier cardan 31A. Les
axes 41A et 45A, 36A et 41A, et 38A et 45A sont perpendiculaires
deux à deux.
Les deuxièmes cardans 33A à 33C ont une structure
similaire à celle des premiers cardans 31A à 31C. Les premiers
arbres 35A à 35C des deuxièmes cardans 33A à 33C sont reliés
solidairement respectivement aux bras 32A à 32C, et les seconds
arbres 36A à 36C sont reliés respectivement solidairement aux
pieds 26A à 26C du tripode 20.
Selon le présent exemple de réalisation, les systèmes
de renvoi 30A et 30C permettent de placer respectivement les
centres 46A et 46C des premiers cardans 31A et 31C à une
distance d'environ 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du
côté des Y négatifs. Le système de renvoi 30B permet de placer
respectivement le centre 46B du premier cardan 46B à une
distance de 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des
Y positifs.
Les axes 36A, 36B, 36C des premiers cardans 31A, 31B
et 31C sont orientés selon l'axe OZ. Les axes 41A, 41B, 41C des
premiers cardans 31A, 31B, 31C sont donc parallèles au plan
(XOY). Le premier cardan 41A de la chaîne cinématique 22A est
agencé de sorte que l'axe 41A fasse un angle de +135 degrés
selon le sens trigonométrique avec l'axe OX. Le premier cardan
31C est agencé de sorte que l'axe 41C fasse un angle de +45
degrés par rapport à l'axe OX. Le premier cardan 31B est agencé
de sorte que l'axe 41B soit orienté selon l'axe OY.
Les deuxièmes cardans 33A, 33B, 33C sont orientés de
sorte que les trois centres 46A, 46B, 46C des deuxièmes cardans
33A, 33B, 33C soient disposés selon un triangle équilatéral,
inscrit par exemple sur un cercle de 40 mm de diamètre. Les axes
45A, 45B, 45C des deuxièmes cardans 33A, 33B, 33C sont tangents
à ce cercle.
Pour l'exemple de réalisation de la figure 3, il est
possible de placer deux transformateurs côte à côte et
d'utiliser les six tranches 12A à 12F de l'actionneur 10.
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La figure 5 représente un autre exemple de réalisation
d'un transformateur cinématique selon le schéma cinématique de
la figure 2. Deux transformateurs sont représentés côte à côte
de façon à coopérer avec les six tranches (non représentées) de
l'actionneur 10.
Comme pour l'exemple de réalisation représenté en
figure 3, chaque chaine cinématique 22A, 22B, 22C d'un
transformateur comprend un système de renvoi 30A, 30B, 30C fixé
solidairement à une extrémité à une tranche mobile 12A, 12B, 12C
(non représentée) de l'actionneur 10 et relié à l'extrémité
opposée à une rotule 63A, 63B, 63C. Un bras 64A, 64C est relié à
la rotule 63A, 63B, 63C de chaque chaîne cinématique 22A, 22B,
22C et est libre selon les trois degrés de liberté de rotation
au centre de la rotule 63A, 63B, 63C. Chaque bras 64A, 64B, 64C
se prolonge par une fourche 65A, 65B, 65C dont les deux branches
sont traversées par un arbre 66A, 66B, 66C par rapport auquel
pivote le pied 26A, 26B, 26C d'un tripode. Dans cet exemple de
réalisation, l'outil mobile 20 est constitué par le tripode dont
les trois pieds 26A, 26B, 26C sont équidistants les uns des
autres. Un orifice 67 est prévu dans le tripode, éventuellement
pour la fixation d'une tige comme dans l'exemple de réalisation
représenté en figure 1.
Les systèmes de renvoi 30A et 30C permettent de placer
respectivement les centres des rotules 63A et 63C à une distance
d'environ 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des Y
négatifs. Le système de renvoi 30B permet de placer le centre de
la rotule 63A à une distance de 2 centimètres par rapport au
plan (XOZ) du côté des Y positifs.
Les centres des trois rotules 63A, 63B, 63C sont
répartis de façon qu'en position de repos les bras 64A, 64C sont
sensiblement orientés selon la direction Z et le tripode 20
s'étend sensiblement selon un plan parallèle au plan (XOY).
Deux transformateurs cinématiques peuvent être placés
sur un même actionneur 10, un transformateur cinématique étant
le symétrique de l'autre par rapport au plan (XOZ).
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La structure du transformateur selon les exemples de
réalisation précédemment décrits permet d'obtenir un mouvement
régulier de l'objet mobile 20.
La présente invention présente de nombreux avantages.
Elle permet de transformer les mouvements d'un outil
mobile à trois degrés en autant de mouvements élémentaires de
translation de pièces mobiles selon des axes parallèles,
coplanaires et régulièrement espacés, et inversement. Cette
disposition est particulièrement adaptée pour l'utilisation d'un
act ionneur du type représenté sur la figure 1 qui est
particulièrement compact. L'invention peut être utilisée pour
piloter les mouvements de l'outil mobile en commandant de façon
adaptée l'actionneur. L'invention peut être également utilisée
pour produire des signaux électriques par la mesure des
déplacements des pièces mobiles causés par des mouvements
imposés à l'outil mobile pour piloter un élément extérieur à
partir de ces signaux. Un effort de rétroaction peut également
être transmis à l'outil mobile par l'actionneur en fonction des
déplacements de l'outil mobile.
La présente invention permet une grande modularité. En
effet, de nombreuses pièces peuvent être communes aux différents
exemples de réalisation. Par exemple, les systèmes de renvoi de
l'exemple de réalisation de la figure sont identiques. En outre,
l'exemple de réalisation représenté en figure 5 permet de
prévoir de nombreuses pièces identiques pour les trois chaînes
cinématiques 22A, 22B, 22C, notamment les rotules 63A, 63B, 63C,
les bras 64A, 64B, 64C, les fourches 65A, 65B, 65C et les arbres
66A, 66B, 66C. En outre, les systèmes de renvoi des chaînes
cinématiques 22A et 22C sont identiques et le système de renvoi
30B de la chaîne de renvoi 22B est le symétrique des systèmes de
ren-voi 30A, 30C des chaînes cinématiques 22A, 22B.
De même, l'outil peut facilement être modifié selon
l'utilisation du transformateur cinématique. Par exemple,
l'outil peut avoir la forme d'un levier de commande et être
utilisé pour réaliser une boîte de vitesses électrique à retour
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d'efforts. Pour simuler les mouvements d'une marionnette,
l'outil peut avoir la forme d'une croix. Avec la forme
représentée sur la figure 3, l'outil mobile peut être utilisé
pour simuler les mouvements d'un archer.
5 L'exemple de réalisation de la figure 5 est
particulièrement--adapté pour une utilisation en système à deux
degrés de liberté, par exemple dans lequel l'outil est asservi à
se déplacer dans un plan. A titre d'exemple, l'outil a la forme
d'une tige, et l'extrémité de la tige est asservie à se déplacer
10 dans un plan.
L'exemple de réalisation de la figure 5, qui met en
oeuvre une rotule pour chaque chaîne cinématique, permet
d'obtenir un transformateur cinématique dont la compacité et la
tenue dans le temps sont améliorées.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de
diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme
de l' art .
