MANIPULATEUR PARALLELE A 3 PATTES ET 6 DEGRES DE LIBERTE

PARALLEL MANIPULATOR WITH 3 LEGS AND 6 DEGREES OF FREEDOM

French Abstract

L'invention proposée ici consiste en un manipulateur parallèle à 3 pattes
comportant 6 degrés de
liberté, soit 3 translations et 3 rotations. L'invention peut être réalisée en
utilisant différentes
configurations de chaînes cinématiques pour réaliser les 3 pattes, comme par
exemple et sans se limiter
à: P-U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne
cinématique comporte
6 DDL, dont un joint de Cardan passif et deux articulations rotoïde passives
situées à la fin de la
chaîne. Les axes de rotations des deux dernières articulations doivent tous se
rencontrer en un point
commun, et ce pour les 3 pattes. Le mécanisme comporte 2 articulations actives
par pattes pour un
total de 6 articulations actives et donc, 6 moteurs. Ces moteurs permettent de
contrôler la position et
l'orientation de l'organe terminal grâce à la configuration particulière des
articulations.

Claims

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Revendications
Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de
propriété ou de privilège est
revendiqué, sont définies comme suit :
1- Un manipulateur parallèle comportant 6 degrés de libertés, soit 3
translations et 3 rotations
comprenant :
Une base qui supporte les 3 pattes;
3 pattes articulées identiques faisant la connexion entre la base et l'organe
terminal. Chacune
des pattes est construite de 6 articulations, dont 4 passives et 2 actives. La
chaîne cinématique
de la patte peut être construite de différentes façons, comme par exemple, et
sans se limiter à:
P-U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne
cinématique de la
patte comporte 6 DDL, dont un joint de Cardan passifs et 2 articulations
rotoïde passives où les
2 articulations rotoïde passives sont à la fin de la chaîne. Dans le cas de la
chaîne P-U-R-R-R,
le rail du joint prismatique est fixé à la base et est orienté de manière à
être orthogonal avec le
joint prismatique des deux autres pattes. Un premier moteur est fixé à la base
et déplace un
charriot le long du joint prismatique par le biais d'un mécanisme de vis sans
fin relié au moteur
et au charriot. Le charriot supporte le joint de Cardan. L'autre extrémité du
joint de Cardan est
fixée au second moteur et son axe de rotation. L'arbre du moteur est connecté
à une tige de
patte. La tige de patte peut pivoter autour de l'axe de tige de patte par
l'action du second
moteur. La tige de patte se connecte de façon rigide sur la membrure orbitale
proximale, qui
pivote en même temps que la tige de patte, autour de l'axe de tige de patte.
La membrure
orbitale proximale supporte une première articulation rotoïde passive et son
axe de rotation. Cet
axe de rotation est orthogonal avec l'axe de tige de patte. Cette première
articulation rotoïde
joint la membrure orbitale proximale à la membrure orbitale distale. La
membrure orbitale
distale peut pivoter autour de l'articulation rotoïde. Elle supporte à son
autre extrémité une
seconde articulation rotoïde passive ainsi que son axe. L'axe de la seconde
articulation rotoïde
est orthogonal à l'axe de la première articulation rotoïde. La seconde
articulation rotoïde joins
la membrure orbitale distale à l'organe terminal. La géométrie des membrures
orbitales sont
arrangées de façon à ce que les axes de tige de pattes, de première
articulation rotoïde et de
seconde articulation rotoïde pointent tous vers un même point commun.

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Un organe terminal. La géométrie de l'organe terminal est réalisée de façon à
ce que les axes de
rotation de la dernière articulation rotoïde de chacune des pattes soient
orthogonaux entre eux
et qu'ils se croisent tous en un point commun. Cet arrangement assure que les
points de
convergence des axes de chacune des pattes soient coïncidents. Ce point sera
déterminé comme
l'origine de l'organe terminal.
2- Un mécanisme de rotation sphérique comprenant :
3 pattes identiques dont la chaîne cinématique est R-R. Chacune des pattes est
constituée de 2
membrures orbitales et de 2 articulations rotoïdes. La membrure orbitale
proximale supporte
une première articulation rotoïde passive et son axe de rotation. Cette
première articulation
rotoïde joint la membrure orbitale proximale à la membrure orbitale distale.
La membrure
orbitale distale peut pivoter autour de l'articulation rotoïde. Elle supporte
à son autre extrémité
une seconde articulation rotoïde passive ainsi que son axe. L'axe de la
seconde articulation
rotoïde est orthogonal à l'axe de la première articulation rotoïde. La seconde
articulation
rotoïde joint la membrure orbitale distale à l'organe terminal. La géométrie
des membrures
orbitales est arrangée de façon à ce que les axes de première articulation
rotoïde et de seconde
articulation rotoïde pointent vers un même point commun.
Un organe terminal. La géométrie de l'organe terminal est réalisée de façon à
ce que les axes de
rotation de la dernière articulation rotoïde de chacune des pattes soient
orthogonaux entre eux
et qu'ils se croisent tous en un point commun. Cet arrangement assure que les
points de
convergence des axes de chacune des pattes soient coïncidents. Ce point sera
déterminé comme
l'origine de l'organe terminal.
Le mécanisme d'orientation sphérique est destiné à être utilisé sur un porteur
à 3 pattes dont les
tiges de fixation sont mobiles dans l'espace et peuvent pivoter autour d'un
axe de rotation qui
est lui aussi mobile en fonction de la position du porteur. Cet axe de
rotation de la tige de patte
doit pointer vers l'origine de l'organe terminal. La position de l'organe
terminal sera donc le
point de rencontre des 3 axes de tiges de pattes, et l'orientation sera
prescrite grâce au
mécanisme d'orientation sphérique qui est actionné par la rotation des tiges
de pattes autour de
leur axe.

3- Un mécanisme parallèle selon la revendication 1 dans lequel la chaîne
cinématique des pattes
est remplacée par P-R-U-R-R. Dans ce cas, le joint de Cardan et le second
moteur de
positionnement sont intervertis. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne
de la même
manière que décrit en 1-.
4- Un mécanisme parallèle selon la revendication 1 dans lequel la chaîne
cinématique des pattes
est remplacée par R-U-R-R-R. Dans ce cas, la liaison prismatique est remplacée
par une liaison
rotoïde motorisée qui entraine un bras, dont le mouvement se fait dans un plan
vertical. Ce plan
est orienté à 120 degrés du plan formé par les plans similaires pour les 2
autres pattes. Le bras
supporte à son extrémité le joint de Cardan, qui lui supporte la prochaîne
liaison rotoïde
motorisée de la patte. Le point situé au centre du joint de Cardan décris donc
un arc de cercle
dans le plan vertical plutôt qu'une trajectoire rectiligne dans le cas de la
patte avec liaison
prismatique. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne de la même manière
que décrit en 1-.
5- Un mécanisme parallèle selon la revendication 4 dans lequel la chaîne
cinématique des pattes
est remplacée par R-R-U-R-R. Dans ce cas, le joint de Cardan et le second
moteur de
positionnement sont intervertis. Le reste de la chaîne cinématique fonctionne
de la même
manière que décrit en 4-.

Description

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Mémoire descriptif
La présente invention se rapporte à un manipulateur parallèle à 6 degrés de
liberté destiné à produire
un mouvement de translation et de rotation de l'organe terminal.
Il est courant de voir des robots parallèles ayant souvent 3 et parfois 6
degrés de liberté effectuer toute
sortes de tâches industrielles. Les manipulateurs parallèles sont capables de
supporter une charge
habituellement plus grande que leur contrepartie sérielle (de dimension
comparable) étant donné que
plusieurs pattes se répartissent la charge. Il y a donc une multitude
d'applications pour de tels
manipulateurs autant dans le domaine militaire que civil où des charges
doivent être déplacées et
orientées rapidement et avec précision. Par exemple et sans se limiter à cette
liste, les opérations de
manipulation d'objets, de palettisation, de soudure, d'usinage, d'inspection,
d'assemblage, de
positionnement, etc. Voici quelques exemples de robots parallèles qui sont
utilisés dans différentes
applications.
Le manipulateur parallèle plus populaire est la plateforme de Gough-Stewart à
6 degrés de liberté, qui
est entre autre utilisé pour mouvoir la plate forme de plusieurs simulateurs
de vol. Ce robot comporte 6
pattes qui travaillent en coopération pour positionner et orienter l'organe
terminal. Par contre, ce robot
est typiquement lent et possèdes un espace atteignable assez restreint du à sa
configuration.
Le robot Delta (brevet américain 4 976 582) est un autre exemple de
manipulateur parallèle courant. Il
possède 4 degrés de liberté, dont 3 en translation et 1 en rotation, et il est
extrêmement rapide et précis.
Il est largement utilisé en industrie pour des opérations de manutention, Par
contre, il ne peut effectuer
qu'une seule rotation de l'organe terminal, ce qui le limite à certaines
tâches où une seule rotation est
suffisante.
Un autre exemple est un manipulateur d'orientation sphérique à 3 degrés de
liberté tel que décris
dans l'article the agile eye : a high performance three gedree of freedom
camera-orienting device .
Ce manipulateur est un manipulateur à 3 degrés de liberté qui permet
d'effectuer 3 rotations. Ce
mécanisme permet d'atteindre des vitesses angulaires et des accélérations très
élevées. Par contre, il ne
permet pas à l'organe terminal d'effectuer de translations par rapport à sa
base, ce qui limite ce robot
aux applications d'orientation ou les translations ne sont pas nécessaires.

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11 est donc souhaitable d'avoir un manipulateur parallèle permettant à la fois
les translations et les
rotations, aussi agile et rapide que le robot delta et l'eeil agile et dont la
configuration serais en mesure
d'offrir un espace atteignable étendu.
Relativement aux dessins qui illustrent la réalisation de l'invention, la
figure 1 présente une vue
isométrique de l'invention comportant 3 pattes P-U-R-R-R, la figure 2 présente
une vue isométrique de
l'invention comportant 3 pattes R-U-R-R-R, la figure 3 présente une vue
isométrique de l'invention
comportant 3 pattes P-R-U-R-R, la figure 4 présente une vue isométrique de
l'invention comportant 3
pattes R-R-U-R-R, et la figure 5 présente une vue isométrique agrandie du
mécanisme d'orientation
sphérique de l'invention.
La réalisation préférée de l'invention proposée ici consiste en un
manipulateur parallèle à 3 pattes
comportant 6 degrés de libertés, soit 3 translations et 3 rotations, qui
permets d'obtenir des vitesses et
accélérations élevées de l'organe terminal dû à la configuration cinématique
des pattes et possédant un
espace atteignable très étendu. L'invention peut utiliser différentes
configurations de chaînes
cinématiques pour réaliser les 3 pattes, par exemple et sans se limiter à : P-
U-R-R-R, R-U-R-R-R, P-R-
U-R-R et R-R-U-R-R; en autant que la chaîne comporte 6 DDL, dont un joint de
Cardan passif et dont
les 2 dernières articulations sont de type rotoïde passives. Chaque patte
autorise donc 4 degrés de
liberté à l'organe terminal (4). En effet, le joint de Cardan de la patte est
passif et procure 2 DDL à la
patte, et les deux articulations rotoïde terminant la chaîne cinématique sont
aussi passives et procurent
chacune un DDL. Le mécanisme comporte 2 articulations actives par pattes pour
un total de 6 moteurs
(pour les 3 pattes). Ces articulations actives permettent de contrôler la
position et l'orientation de
l'organe terminal grâce à l'agencement particulier des articulations.
Le manipulateur comporte une base (1) qui supporte les 3 chaînes cinématiques
(ou pattes) (2) ainsi
que le moteur de la première articulation motorisée (3) de chacune des pattes.
La connexion entre la
base et l'organe terminal est faite par 3 pattes articulées identiques (2).
Chacune des pattes est
construite de 6 articulations (le joint de Cardan compte pour 2
articulations), dont 4 passives et 2
actives. La chaîne cinématique de la patte peut être construite de différentes
façons. La figure 1 illustre
le mécanisme pour une configuration P-U-R-R-R, mais d'autres configurations
comme R-U-R-R-R, P-
R-U-R-R et R-R-U-R-R peuvent être tout aussi bien être utilisée pour
construire le mécanisme, sans en
modifier le principe de fonctionnement du manipulateur. Chaque patte contraint
donc 2 mouvements,
soit dans le cas de la patte P-U-R-R-R : la translation le long de l'axe du
joint prismatique (14) et la

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rotation autour de l'axe de la tige de la patte (15). La translation le long
de l'axe du joint prismatique
(14) est contrôlée par le premier moteur (3) et un entrainement de type vis
sans fin. La vis entraîne un
charriot (17) sur le joint prismatique (5) et la translation se fait le long
de l'axe du joint prismatique
(14). Le joint de Cardan (8) est fixé de façon rigide sur le charriot (17)
dans un angle permettant à la
tige de la patte (6) de pivoter dans toutes les directions sans créer
d'interférence mécaniques. La
translation le long du joint prismatique (5) impose la position du premier
joint de Cardan (8) et de son
point central (18) qui se situe à l'intersection des 2 axes du joint de Cardan
(8). Le positionnement du
point central du joint de Cardan (8) des deux autres pattes se fait de façon
similaire. Le second moteur
(7) est fixé à l'autre extrémité du joint de Cardan (8) et il entraine la
rotation de la tige de patte (6)
autour de son axe (15). Cette rotation est transférée au mécanisme
d'orientation par l'entremise de la
tige de patte (6).
Le mécanisme d'orientation, tel qu'illustré à la figure 5, comprend les deux
dernières articulations
passives (9) et (10) de la patte, les membrures orbitales (11) et (12) et
l'organe terminal (4). La
configuration mécanique particulière des composantes du mécanisme
d'orientation est nécessaire pour
éviter toute interférence mécanique entre les composantes. Il est constitué
des deux articulations
rotoïdes passives (9) et (10) et de leurs axes de rotation (19) et (20) qui
sont montées de façon à ce que
les axes de rotation (19) et (20) soient orthogonaux. La membrure orbitale
distale (12) supporte les
deux articulations (9) et (10) et est construite pour assurer l'orthogonalité
des axes (19) et (20). Une
membrure orbitale proximale (11) relie, de façon rigide, la tige de la patte
(6) à la première articulation
rotoïde (9) dont l'axe (19) est orthogonal à l'axe de tige de la patte (15).
La membrure orbitale distale
(12) relie la première articulation rotoïde (9) à la seconde articulation
rotoïde (10). L'autre partie de la
seconde articulation rotoïde est fixée à l'organe terminal (4). C'est sur
l'organe terminal (4) que les
trois pattes identiques (2) viennent se rattacher pour fermer la chaîne
cinématique. La géométrie des
membrures orbitales (11) et (12) est faite de façon à ce que tous les axes
(axes de la tige de la patte
(15), axe de la première articulation rotoïde (19) et axe de la seconde
articulation rotoïde (20)) se
croisent en un point commun (13). De plus, l'organe terminal (4) est fait de
telle façon que les axes
(20) des trois pattes (utilisons la notation (20A), (20B) et (20C) pour
identifier l'axe (20) des pattes A,
B et C) (20A), (20B) et (20C) sont arrangés de façon orthogonales sur l'organe
terminal (4) et que le
point (13) des trois pattes soient confondus en un seul point. Ce point commun
(13) est appelé l'origine
de l'organe terminal. Cet arrangement permet d'obtenir un point qui est à la
fois le point d'intersection
des axes (15), (19) et (20) commun aux trois pattes, mais aussi le centre de
rotation de l'organe

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terminal. Le mécanisme se met en mouvement lorsque la tige de patte (6) pivote
autour de son axe
(15), elle entraine la membrure orbitale proximale (11), l'articulation
rotoïde passive (9) et son axe de
rotation (19). La membrure orbitale distale (12) est entrainée par
l'articulation rotoïde (9) et prends une
position intermédiaire dictée par la première articulation rotoïde (9) et la
seconde articulation rotoïde
(10), dont l'orientation est fonction de la position et l'orientation de
l'organe terminal (4).
L'orientation de l'organe terminal (4) est donc prescrite par l'action
combinée des 3 pattes (2).
Le positionnement et l'orientation de l'organe terminal (4) se fait à l'aide
des 6 moteurs. Le calcul
mathématique des coordonnées de position des 6 moteurs est simplifié par le
fait que l'on peut
découpler partiellement en 2 parties distinctes; soit le porteur et le
mécanisme d'orientation :
Le porteur consiste à la partie qui effectue le positionnement de l'organe
terminal. Le porteur
positionne les points (18) à l'aide des trois moteurs (3A), (3B) et (3C).
Comme la distance entre
le point central du joint de Cardan (18) et du point d'intersection (13) des
axes des deux
articulations rotoïdes passives (19) et (20) est fixe, il est possible de
déterminer la position de
l'origine de l'organe terminal (13) comme étant l'intersection de 3 sphères de
rayon R (où R est
la distance entre les points (18) et (13)), centrées sur le point central (18)
du joint de Cardan de
chacune des 3 pattes (18A), (18B) et (l8C).
Le mécanisme d'orientation prescrit l'orientation de l'organe terminal. Dans
ce mécanisme,
chacune des pattes impose une rotation de l'organe terminal (4) par le biais
du moteur (7), de la
tige (6), des articulations rotoïdes (9) et (10) et des membrures orbitales
(11) et (12).
Les 3 pattes travaillent en coopération pour contraindre parfaitement l'organe
terminal et produire le
mouvement désiré par le biais des 6 moteurs.
Une autre réalisation préférée consiste toujours en un manipulateur parallèle
à 3 pattes comportant 6
degrés de libertés, mais ou les chaînes cinématiques des pattes sont de type R-
U-R-R-R, tel qu'illustrée
à la figure 2. La différence avec la configuration P-U-R-R-R décrite plus haut
se situe au niveau du
positionnement du point central du joint de Cardan (18). Dans ce cas, la base
comporte 3 axes de
rotation (22) disposés de façon axisymétrique par rapport à l'axe vertical au
centre de la base. Les axes
(22) des trois pattes sont disposés de façon à former un triangle équilatéral
disposé dans un plan
horizontal. Le moteur (3) fait pivoter un bras rigide (21) autour de son axe
de rotation (22). Le joint de
Cardan (8) de la chaîne cinématique est fixé de façon rigide sur l'extrémité
distale du bras (21) dans un

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angle permettant à la tige de la patte (6) de pivoter dans toutes les
directions sans créer d'interférence
mécaniques. Dans ce cas, la rotation du bras (21) induit au point central du
joint de Cardan (18), un
déplacement le long d'un arc de cercle dans un plan vertical autour de l'axe
de rotation du bras (22).
La position du point central du premier joint de Cardan (8) des deux autres
pattes se fait de façon
similaire. La position de l'origine de l'organe terminal est pleinement
déterminée comme étant
l'intersection de 3 sphères de rayon R (où R est la distance entre les points
(18) et (13)), centrées sur le
point central (18) du joint de Cardan de chacune des 3 pattes (18A), (18B) et
(18C). Le reste de la
chaîne cinématique est identique à la configuration P-U-R-R-R décrite plus
haut.
Une autre réalisation préférée consiste toujours en un manipulateur parallèle
à 3 pattes comportant 6
degrés de libertés, mais ou les chaînes cinématiques des pattes sont de type P-
R-U-R-R et R-R-U-R-R,
tel qu'illustrées dans les figures 3 et figure 4. La seule différence avec
respectivement les
configurations P-U-R-R-R et R-U-R-R-R vient du fait que le joint de Cardan et
l'articulation rotoïde
active ont été interverties. Ce changement dans l'ordre des articulations qui
composent la chaîne
cinématique n'a que très peu d'effet mécaniquement. La différence majeure se
retrouvera dans les
équations pour l'orientation qui doivent tenir compte de la différence
cinématique.

Representative Drawing