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WO 2020/070412
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SYSTEME ROBOTISE, COMPRENANT UN BRAS ARTICULE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des bras
robotisés pour la préhension et le déplacement d'articles, la
manipulation d'un outil pour des tâches de fabrication, dans des
espaces restreints, par exemple dans des racks ou étagères
profondes laissant peu d'espace entre la couche superficielle
d'articles et une étagère ou une surface située au-dessus du
contenant des articles.
Il concerne pour les applications de préhension
d'objets notamment, mais non exclusivement, la logistique et les
entrepôts ou les magasins en racks ou les racks de stockage de
composants industriels ou la palettisation/dépalettisation...
On rappelle qu'un entrepôt est un bâtiment
logistique destiné au stockage de produits en vue de leur
expédition vers un client. Les principaux processus mis en uvre
au sein d'un entrepôt sont la réception de commandes, la mise
en stock, la préparation de commandes, l'expédition et la gestion
du stock. De manière générale, l'invention concerne les
situations où il faut récupérer des produits et les placer en
un autre point, avec un espace disponible qui peut être très
restreint ou contraint, tant en hauteur qu'en largeur, et où la
profondeur peut au contraire être importante.
Pour les applications logistiques, les flux entrants
d'un entrepôt sont constitués généralement de marchandises
livrées sur palettes par des camions se mettant à quai.
Des opérateurs viennent décharger les palettes des
camions puis les stockent sur des racks où elles seront en
attente. Les flux sortants sont constitués de palettes homogènes
(une unique référence par palette) ou de palettes hétérogènes
dans lesquelles sont agrégés différents types de produits
référencés. Il faut alors récupérer les différents produits,
opération dénommée Picking , à partir de palettes en cours
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d'exploitation généralement disposées dans un emplacement au sol
sous un rack. Lorsque la palette est vide, une demande de
réapprovisionnement est lancée et un opérateur man uvre un
chariot élévateur pour récupérer une palette en hauteur et la
placer dans l'emplacement au sol sous un rack.
La présente invention concerne plus précisément un
ensemble comprenant un poste de préparation de commandes (aussi
appelé poste de picking ), notamment mais non exclusivement
dans le cas où celui-ci fait partie d'un système de stockage
automatisé comprenant un magasin de stockage et un ou plusieurs
postes de préparation de commandes.
La présente invention peut s'appliquer à tous types
de préparation de commandes, et notamment :
= la préparation de commandes par prélèvements de produits dans
des contenants de stockage : un opérateur (ou un automate,
c'est-à-dire un robot) reçoit une liste de prélèvements (sur
papier, sur écran d'un terminal ou encore sous forme vocale)
lui indiquant, pour chaque colis à expédier (aussi appelé
contenant d'expédition), la quantité de chaque type de
produits qu'il doit collecter dans des contenants de stockage
et regrouper dans le colis à expédier ; et
= la préparation de commandes par palettisation de contenants
de stockage contenant eux-mêmes des produits : un opérateur
(ou un automate) reçoit une liste de prélèvements (sur papier,
sur écran d'un terminal, sous forme vocale, ou encore sous
forme de mission informatique dans le cas de l'automate) lui
indiquant, pour chaque palette à expédier (aussi appelée
contenant d'expédition), la quantité de chaque type de
contenants de stockage (par exemple des cartons) qu'il doit
collecter et décharger sur la palette à expédier.
On distingue généralement deux types de postes de
préparation de commandes : les postes avec mouvements et les
postes fixes.
Les postes avec mouvements mettent en uvre le
principe homme vers produit , selon lequel le préparateur se
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déplace jusqu'au lieu de prélèvement et y prélève le nombre de
produits commandés.
Les postes fixes mettent en uvre le principe
produits vers homme (ou goods to man en anglais), selon
lequel des contenants de stockage (par exemple des cartons ou
des plateaux), contenant chacun des produits d'un type donné,
sont sortis automatiquement d'un magasin de stockage (sur des
dispositifs de transfert appelés chariots ou navettes) et
arrivent devant ou à proximité du préparateur qui doit prélever
dans chacun le nombre de produits commandés.
Cette distinction entre postes avec mouvement et
postes fixes vaut également dans le cas de la palettisation :
soit le préparateur se déplace pour aller chercher les contenants
de stockage à décharger sur la palette à expédier, soit ces
contenants de stockage sont amenés automatiquement jusqu'au
préparateur (par exemple par un transstockeur).
La présente invention peut être utilisée aussi bien
dans le cas d'un poste fixe de préparation de commandes lorsque
le bâti du bras robotique est fixé au sol, que dans le cas d'un
poste avec mouvement lorsque le bâti principal du bras robotique
est fixé sur un chariot ou robot mobile.
Dans la présente description, par élévateur on
entend tout système permettant de prendre une ou plusieurs
charges (contenant(s) de stockage ou d'expédition) à un niveau
donné et de la ou les déposer à un autre niveau.
Les entrepôts de stockage sont généralement
structurés par des rangées de racks où sont stockés des articles.
La rangée inférieure de racks au sol est destinée au
retrait des articles en fonction d'ordre de gestion. Cette
opération dite picking se fait manuellement, ou de plus en
plus à l'aide d'un bras robotisé monté sur un chariot mobile.
L'invention concerne aussi d'autres domaines
applicatifs, tels que le déplacement d'un outil pour des tâches
de fabrication dans des espaces restreints où l'introduction et
le positionnement de l'outil ne permettent pas une grande
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amplitude des mouvements selon une des directions, tout en
nécessitant une plus grande amplitude des déplacements dans le
plan perpendiculaire à la direction limitée. Il s'agit par
exemple d'intervention entre deux surfaces, par exemple sur la
surface inférieure du châssis d'un véhicule posé au sol, de
l'intervention entre deux plaques rapprochées, etc.
Les tâches de fabrication sont par exemple la
peinture, le vissage, la soudure, l'ébavurage, le rivetage,
l'usinage, l'impression 3D (fabrication additive), la gravure,
la découpe laser, l'électro-érosion, etc.
Arrière-plan technologique
On connaît dans l'état de la technique la demande de
brevet W02018086748 décrivant un bras robotisé, un robot mobile,
comprenant un train de roulement et un bras robotisé monté sur
le train de roulement, ainsi qu'un système logistique comprenant
un support de marchandises, qui est conçu pour le stockage
transitoire de marchandises, et comprenant un véhicule
autoguidé, qui est conçu pour transporter le support de
marchandises, ainsi qu'un robot mobile correspondant.
La demande de brevet chinoise CN106112952A divulgue
un double-bras de chargement et de transfert robotisé destiné au
chargement rapide des colis pendant le transport aérien. Le bras
robotisé comprend un module de serrage composé de bras
mécaniques, un mécanisme de disque et un mécanisme de rail de
guidage et un module de bande transporteuse utilisé pour le
transfert.
Inconvénients de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentent
différents inconvénients.
En premier lieu, le bras robotisé doit être capable
d'opérer dans un espace souvent très restreint : la hauteur entre
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le dessus du contenant ou article à saisir et l'étagère suivante
peut être de quelques centimètres seulement. Le bras doit aussi
être en mesure de se positionner latéralement entre des piles
d'articles de hauteurs inégales, limitant le débattement
5 latéral.
Par ailleurs, les bras robotisés de type série
nécessitent généralement des articulations motorisées,
s'étendant sur la longueur du bras. Cela se traduit par une masse
mobile importante, impliquant une architecture robuste et
encombrante.
Enfin, la plupart des bras manipulateurs de type
série emportent des charges utiles généralement assez faibles
par rapport à leur masse totale en mouvement. Comme les charges
à transporter peuvent être relativement importantes, de quelques
dizaines de kilogrammes, cela implique d'utiliser des moteurs
puissants et lourds, et conduit à une dépense énergétique
importante.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention
concerne selon son acception la plus générale un système
robotisé, comprenant un bras articulé caractérisé en ce que ledit
bras articulé présente un ensemble déformable constitué d'une
pluralité de barres reliées par des axes de pivotement parallèles
pour former au moins une structure déformable, l'extrémité
distale dudit ensemble déformable supportant une interface
mécanique, ledit système comprenant en outre deux actionneurs
entrainant la rotation de deux desdites barres, ledit système
comprenant en outre un troisième actionneur commandant le
déplacement dudit ensemble déformable en translation selon une
direction parallèle auxdits axes de pivotement.
On entend par interface mécanique au sens du
présent brevet un moyen déplacé par le système robotisé et prévu
pour l'accouplement d'un outil tel qu'une pince ou un mécanisme
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de préhension d'un objet à déplacer, ou un outil pour la
réalisation d'opérations de fabrication.
On entend par barre au sens du présent brevet
une pièce longue et rigide, de faible épaisseur par rapport à
sa longueur, de section transversale quelconque.
L'ensemble déformable est constitué de quadrilatères
déformables qui sont préférentiellement des parallélogrammes
déformables et encore plus préférentiellement des losanges
déformables.
Selon des variantes de réalisation, indépendantes ou
combinées entre elles, l'invention se caractérise également par
les caractéristiques suivantes :
- ledit bras articulé présente un ensemble
déformable constitué d'une pluralité de barres reliées par des
axes de pivotement parallèles pour former au moins une structure
déformable, l'extrémité distale dudit ensemble déformable
supportant une interface mécanique, l'extrémité proximale dudit
ensemble déformable étant constitué de deux barres proximales
dont les positions angulaires sont commandées par deux
actionneurs, ladite extrémité proximale pouvant se mouvoir en
translation selon une direction parallèle auxdits axes de
pivotement grâce à un troisième actionneur;
- ledit ensemble déformable est constitué par au
moins deux parallélogrammes déformables consécutifs partageant
des barres communes ;
- ledit ensemble déformable est constitué par deux
losanges déformables partageant des barres communes, reliés par
un pivot central et constitués de six barres assemblées par des
liaisons pivots d'axe z perpendiculaire au plan défini par
lesdites barres ;
- ledit ensemble déformable est constitué d'un
assemblage de N losanges déformables partageant des barres
communes, reliés par des pivots centraux et constitués de 2N+2
barres assemblées par des liaisons pivot d'axe z ;
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- lesdites barres proximales sont commandées par
trois actionneurs tous situés sur un bâti principal ;
- ledit système robotisé comprend au moins un bâti
intermédiaire et lesdites barres proximales sont commandées par
des actionneurs tous situés sur un bâti principal ;
- la hauteur du bras robotisé selon l'axe Z
perpendiculaire au plan dudit ensemble déformable est ajustée
par une platine actionnée par une tige filetée entraînée par un
premier actionneur ;
- ladite première barre proximale est entrainée par
un actionneur par l'intermédiaire d'un arbre et ladite deuxième
barre proximale est entraînée angulairement par un autre
actionneur par l'intermédiaire d'une série d'arbres creux
pouvant coulisser librement les uns par rapport aux autres ;
- ladite première barre proximale est entrainée par
un actionneur par l'intermédiaire d'un arbre et ladite deuxième
barre proximale est entraînée angulairement par un autre
actionneur par l'intermédiaire d'un deuxième arbre et d'un
système de pignons dentés coulissants ou de courroies dentées
coulissantes ;
- un premier actionneur est fixé sur le bâti
principal et assure le contrôle de l'orientation d'un premier
bâti intermédiaire, une liaison glissière motorisée placée sur
le premier bâti intermédiaire assurant le placement suivant un
axe z, perpendiculaire au plan défini par ledit ensemble
déformable, d'un second bâti intermédiaire supportant
l'extrémité proximale dudit ensemble déformable, un troisième
actionneur fixé sur le second bâti intermédiaire ou sur le
premier bâti intermédiaire ou sur le bâti principal contrôlant
l'orientation de la barre proximale par le biais d'un arbre, la
barre proximale restant fixe par rapport au second bâti
intermédiaire ;
- un premier actionneur est fixé sur le bâti
principal et assure le contrôle de l'orientation d'un bâti
intermédiaire par l'intermédiaire d'un arbre, et par voie de
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conséquence assure le contrôle en orientation d'une des deux
barres proximales, un second actionneur fixé sur le bâti
principal ou sur le bâti intermédiaire contrôlant l'orientation
de la seconde barre proximale par le biais d'un arbre
- les barres proximales dudit ensemble déformable
sont assemblées sur un bâti intermédiaire contrôlé en
translation suivant z grâce à une liaison glissière et un premier
actionneur, les orientations desdites barres proximales étant
contrôlées par deux actionneurs fixés sur le bâti principal ou
sur le bâti intermédiaire ;
- les barres proximales dudit ensemble déformable
sont assemblées sur un bâti intermédiaire contrôlé en
translation grâce à une liaison glissière et un premier
actionneur, les orientations desdites barres proximales étant
contrôlées par deux actionneurs fixés Sur le bâti
intermédiaire ;
- ledit ensemble déformable est formé de barres
reliées par des axes de pivotement, la distance relative entre
les articulations proximales dudit ensemble déformable étant
contrôlée par un actionneur, l'orientation dudit ensemble
déformable dans un plan perpendiculaire auxdits axes de
pivotement étant dépendante d'un bâti intermédiaire dont
l'orientation est contrôlée par un actionneur ;
- lesdites barres articulées présentent un ensemble
déformable formé de barres reliées par des axes de pivotement,
l'extrémité distale dudit ensemble déformable supportant un
organe de préhension ou un outil, l'extrémité proximale dudit
ensemble déformable étant constituée de deux barres dont les
axes proximaux de rotation sont parallèles et ne sont pas
coïncidents et dont les positions angulaires sont commandées par
deux actionneurs ;
- l'extrémité distale du bras robotisé comporte un
moteur et une liaison pivot suivant un axe z et supportant un
moyen de préhension ou un outil ;
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- l'extrémité distale du bras robotisé comporte un
poignet comprenant au moins une articulation motorisée, et
supportant une interface mécanique telle qu'un moyen de
préhension ou un outil ;
- l'extrémité distale du bras robotisé comporte un
moteur permettant de contrôler l'orientation d'un bras
supplémentaire articulé suivant un axe z et supportant une
interface mécanique ;
- le système robotisé comporte un bâti principal
assemblé sur un chariot ou un robot mobile ;
- le système robotisé comporte un bâti principal
fixé au sol.
Description détaillée d'exemples non limitatifs de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la
lecture de la description qui suit, se référant aux dessins
annexés illustrant des exemples non limitatifs de mise en uvre
où :
- la figure 1 représente une vue schématique en perspective
d'une première variante de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente une vue schématique de dessus d'une
deuxième variante de l'invention comportant deux losanges
déformables partageant des barres communes,
- la figure 3 représente une vue schématique d'une troisième
variante de réalisation de l'invention, avec un mécanisme
d'entraînement du bras robotisé mettant en uvre trois
motoréducteurs fixés sur le même bâti, les deux
motoréducteurs actionnant l'ensemble déformable étant situés
sur le même axe,
- la figure 4 représente une vue schématique d'une variante
alternative de la cinématique du bras robotisé selon
l'invention où les axes des articulations des extrémités
proximales de l'ensemble déformable ne sont plus coaxiaux,
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- les figures 5 et 6 représentent deux vues schématiques d'une
seconde variante de réalisation du mécanisme d'entraînement
du bras robotisé selon l'invention
- la figure 7 représente une vue schématique d'une troisième
5 variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du bras
robotisé selon l'invention,
- la figure 8 représente une vue schématique d'une quatrième
variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du bras
robotisé selon l'invention
10 - la
figure 9 représente une vue schématique d'une cinquième
variante de réalisation du mécanisme d'entraînement de
l'ensemble déformable selon l'invention
- la figure 10 représente une vue schématique d'une sixième
variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du bras
robotisé selon l'invention,
- la figure 11 représente une vue schématique d'une septième
variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du bras
robotisé selon l'invention,
- la figure 12 représente une vue schématique de la cinématique
de l'invention lorsqu'un bras supplémentaire est ajouté à
l'extrémité distale, commandé par un motoréducteur et
supportant à son extrémité distale un moyen de préhension ou
un outil
- les figures 13 et 14 représentent une vue schématique de la
cinématique d'une variante particulière de l'invention.
Contexte de l'invention
Le manipulateur robotisé selon l'invention présente
3 degrés de liberté, avec :
- un déplacement dans le plan d'un bras (100) formé
par un ensemble articulé déformable présentant à son extrémité
distale une interface mécanique telle qu'un outil ou un
préhenseur (20)
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- un déplacement, notamment selon un axe
perpendiculaire au bras (100), par rapport à un support (200).
Le manipulateur robotisé selon l'invention présente
une architecture permettant d'obtenir les avantages suivants :
- il peut emporter des charges importantes,
- il consomme très peu d'énergie, notamment il ne
consomme pratiquement aucune énergie pour maintenir un objet
lourd lorsque la translation verticale est assurée par un système
vis-écrou irréversible, le manipulateur n'a alors pas besoin de
frein pour assurer la sécurité du manipulateur. Le bras est en
effet notamment destiné à emporter des charges importantes dont
la chute pourrait constituer un risque pour les utilisateurs, ce
qui nécessite un frein dans un manipulateur selon l'art
antérieur,
- au moins deux (1, 2) barres, de préférence toutes
les barres, de la pluralité de barres (1 à 4), peuvent être
chacune constituée d'un assemblage de deux profilés reliés par
une entretoise ; cela diminue le coût de réalisation et optimise
l'usage de la matière,
- deux profilés d'une barre (1) peuvent être
entourés, selon la direction parallèle aux axes de pivotement,
par deux profilés d'une autre barre (2) ; cette nouvelle
conception mécanique permet de limiter fortement la déformation
du mécanisme déformable plan dû aux efforts de flexion lorsqu'il
est soumis à une charge verticale importante à son extrémité
distale, ainsi que de diminuer les longueurs des portées des
liaisons pivot des barres proximales grâce à l'espacement
important entre les deux portées de chacune des barres obtenu du
fait de cette conception mécanique ; les phénomènes d'arc-
boutement sont ainsi maîtrisés et les forces de réaction sur
chacune des portées sont beaucoup plus faibles que dans l'art
antérieur pour une charge utile équivalente;
- un bâti principal en forme de U, dont chacune des
branches latérales reprend (directement ou indirectement) les
efforts des axes de pivotements parallèles ; ceci assure une
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meilleure rigidité, ce qui permet de déplacer le bâti
intermédiaire, ou directement l'interface mécanique, en obtenant
beaucoup plus de précision pour l'extrémité distale, car à charge
équivalente verticale sur l'extrémité distale, les déformations
du bâti intermédiaire résultant des efforts de flexion sur la
liaison glissière verticale sont moindres que dans un
manipulateur selon l'art antérieur,
- un bâti principal et au moins deux desdits
actionneurs sont disposés sur ledit bâti principal ; on améliore
ainsi la performance dynamique du manipulateur : lorsque le bâti
principal supporte au moins deux actionneurs, le rapport masse
utile sur masse en mouvement est beaucoup plus favorable
que celui selon l'art antérieur ;
- les zones atteignables par l'extrémité du bras
(100) dans un plan de travail sont importantes comparés aux bras
robotisés anthropomorphes usuels,
- l'encombrement est réduit lorsque le bras (100)
est replié,
- la commande du dispositif est simple et le modèle
géométrique inverse peut se résoudre analytiquement.
En particulier, ce dispositif est très avantageux
pour la réalisation d'opérations de palettisation /
dépalettisation, du fait que son espace de travail est étendu et
qu'il peut se déployer dans des zones à espace libre réduit pour
réaliser les tâches de prise et dépose.
En particulier, le bras est très avantageux pour la
réalisation d'opérations de pick and place (désignation
anglaise) devant être opérées à partir d'un robot mobile du fait
du grand espace de travail, de sa maniabilité et de la faible
consommation d'énergie.
Ce dispositif selon l'invention est également
particulièrement adapté au déplacement dans un espace restreint
d'un outil fixé à l'extrémité distale du bras (100), pour des
interventions dans des contextes difficiles, par exemple avec
une faible hauteur disponible et la nécessité d'un
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positionnement de l'outil de manière précise et reproductible
sur une surface importante.
L'outil supporté par le bras (100) peut être une
buse de pulvérisation pour des applications de peinture, une
tête d'impression additive, ou un outil d'usinage ou
d'assemblage.
Exemples simplifiés
La figure 1 représente une vue schématique de la
cinématique de l'invention avec un bras articulé (100) en forme
de pantographe limité à un quadrilatère déformable.
Le pantographe est constitué de quatre corps rigides
ou barres (1 à 4) reliés par des articulations pivots (10 à
13) perpendiculaires audit plan défini par le pantographe, pour
former un quadrilatère plan déformable.
Dans la présente description, pantographe
désignera un ensemble articulé de barres définissant une
succession de quadrilatères plans déformables ou un ensemble de
quadrilatères déformables coplanaires consécutifs assemblés par
des liaisons pivot d'axe perpendiculaire audit plan. Dans ce
dernier cas, deux quadrilatères consécutifs possèdent un sommet
commun et partagent deux barres communes pivotant par rapport à
ce sommet commun.
On entendra par proximale la partie du bras (100)
la plus proche du support (200) et par distale ou
terminale la partie la plus éloignée, où se trouve
l'interface mécanique (20) dont on commande le déplacement.
Les trois articulations pivot (11 à 13) sont passives
et l'articulation pivot (10) est motorisée et intègre deux
actionneurs commandant de manière indépendante le déplacement
angulaire de chacune des barres proximales respectivement (1,
2). L'extrémité proximale du quadrilatère déformable se déplace
en translation selon l'axe (7) perpendiculaire au plan
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permettant le positionnement de l'extrémité distale du
quadrilatère déformable en hauteur, selon l'axe Z. Le bras (100)
présente à son extrémité distale un moyen de préhension (20),
par exemple une ventouse ou un outil.
Les deux barres proximales (1, 2) sont entraînées
indépendamment en rotation par des actionneurs. Dans la présente
description, actionneur désignera un dispositif assurant un
déplacement, généralement angulaire de moins de 3600, commandé
par un signal électrique transmis de manière filaire ou par
radio-fréquence.
De manière non limitative, seront considérés comme
actionneur au sens du présent brevet un moteur électrique rotatif
ou linéaire, notamment de type électromagnétique, hydraulique,
pneumatique, piézo-électrique, un actionneur électromagnétique,
un motoréducteur.
Lorsque le quadrilatère forme un losange et lorsque
les deux barres (1, 2) sont déplacées d'un même angle, en sens
opposés, l'extrémité distale (20) se déplace sur une trajectoire
rectiligne reliant les points d'intersection des axes (10) et
(12) avec le plan horizontal ce qui permet de positionner le
moyen de préhension (20) au-dessus de l'article à saisir.
Lorsque l'angle de déplacement d'une barre proximale
(1) diffère de l'angle de déplacement de l'autre barre proximale
(2), l'extrémité distale (20) se déplace selon un mouvement
courbe avec une composante latérale.
Il est ainsi possible de balayer une surface de
travail du moyen de préhension ou de l'outil en ajustant les
angles des barres proximales (1, 2) dans un espace réduit et de
faible hauteur.
La figure 2 représente une vue schématique de la
cinématique de l'invention où le pantographe comporte deux
quadrilatères déformables (110, 120) adjacents, en l'occurrence
des losanges, reliés par un pivot central (12) d'axe z. La chaîne
cinématique est constituée de six barres (1 à 6) assemblées par
des liaisons pivots d'axe z ; les barres (1, 2, 5, 6) sont de
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même longueur L ; les barres ( 3 et 4) communes aux deux
quadrilatères déformables (110, 120) sont de longueur 2L.
L'ensemble se déforme suivant deux losanges
identiques, la déformation étant contrôlée par commande
5 mécanique des angles 01 et 02 que font les barres (1) et (2) par
rapport à l'axe longitudinal X du bâti principal.
Bien sûr, le nombre de motifs quadrilatères du
pantographe peut être augmenté.
Dans une version alternative du mécanisme plan, le
10 dépliement de la chaîne cinématique du pantographe peut être
obtenu en associant un mécanisme de rotation sur l'axe (7) et
un mécanisme de translation inséré entre deux points quelconques
de la chaîne cinématique du pantographe judicieusement choisis
par exemple par une commande de la distance entre les pivots
15 (11, 13) obtenue par mécanisme de moteur et vis et système vis-
écrou. Il est possible même de supprimer les deux barres
proximales (1 et 2) ainsi qu'il sera détaillé dans une variante
ultérieure.
Fonctionnement de l'invention
Le bras manipulateur robotisé est constitué d'une
chaîne cinématique et d'un système de commande.
La chaîne cinématique assure deux fonctionnalités :
1) positionnement d'une interface mécanique suivant
les 3 degrés de liberté de l'espace en translation notés xyz ;
2) orientation d'une interface mécanique suivant les
3 degrés de liberté de l'espace en rotation pour les objets
lorsqu'un poignet motorisé supportant cette interface mécanique
est ajouté à l'extrémité de la chaîne cinématique.
Par interface mécanique, on entend un outil, un
poignet, un préhenseur ou un effecteur.
La première fonctionnalité est obtenue à l'aide des
principes suivants :
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a) la translation suivant un axe z d'un mécanisme
plan de type pantographe permettant de positionner en z
l'extrémité distale de la chaîne cinématique
b) un mécanisme plan de type pantographe permettant
de positionner dans le plan xy l'extrémité terminale grâce à la
commande en rotation des deux premières barres 1 et 2 et une
chaîne cinématique constituée de 4 barres dans sa version la
plus simple, de 6 barres dans sa version usuelle et de 2N barres
dans des versions plus élaborées.
Variante de réalisation
La figure 3 représente une variante de réalisation
où les deux barres (1, 2) sont commandées par deux moteurs
(29,32) positionnés sur le même bâti (25). Ce bâti (25) est
appelé bâti principal ou bâti fixe. Il peut être fixé au sol ou
fixé sur un chariot ou robot mobile.
La hauteur du bras (100) est ajustée par une platine
(26) actionnée par une tige filetée (27) entraînée par un premier
motoréducteur (28) grâce à un mécanisme de vis-écrou. Du fait
que la platine (26) coulisse librement sur l'arbre (30) et est
contrainte par la tige filetée (27), son orientation dans le
plan xy est constante et matérialise un axe longitudinal.
La première barre (1) est entrainée par un deuxième
motoréducteur (29) par l'intermédiaire d'un arbre (30). Dans
l'exemple décrit, cet arbre (30) est solidaire de la première
barre (1) pour entraîner son déplacement angulaire par rapport
au référentiel attaché au bâti (25). Le support du bras (100)
peut coulisser le long de l'arbre (30) par liaison glissière
mais ne peut pas subir de rotation relative par rapport à l'axe
(30) du fait que la liaison mécanique est contrainte par une
cannelure ou un dispositif clavette/rainure ou par l'emploi
d'une section non circulaire pour l'arbre (30) ou tout autre
dispositif équivalent. L'arbre (30) se prolonge jusqu'à la
flasque alésée (40), assure le positionnement de l'extrémité de
la platine (26), supporte la deuxième barre (2) et un ensemble
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d'arbres creux (41 à 42), libres de coulisser librement sur cet
arbre (30).
La deuxième barre (2) est entraînée angulairement
par un troisième motoréducteur (32) par l'intermédiaire d'un
deuxième arbre (31). Ce deuxième arbre (31) est solidaire en
rotation de la barre (2) grâce à une série d'arbres creux (40 à
42) libres de coulisser axialement entre eux dans la limite d'un
débattement axial maximal limité par un système de butées, les
rotations relatives desdits arbres creux étant empêchées par des
systèmes de clavettes/rainures, de cannelures, l'emploi de
sections non circulaire ou autres dispositifs équivalents
permettant une translation sans rotation. Le dernier arbre creux
(42) est fixé sur la deuxième barre (2) par des vis ou autre
dispositif mécanique équivalent. La somme des débattements
axiaux cumulés des différents arbres creux est calculée pour que
l'extrémité terminale (20) puisse se déplacer sur l'axe vertical
suivant la distance voulue.
Variante de réalisation avec deux axes proximaux de rotation
non coaxiaux
La figure 4 représente une vue schématique d'une
variante alternative de la cinématique du bras robotisé selon
l'invention où les axes proximaux d'actionnement du mécanisme
plan ne sont plus coaxiaux.
Le motoréducteur (29) entraîne en rotation l'arbre
(17). La barre (1) est solidaire en rotation de l'arbre (17) qui
est un arbre cannelé ou rainuré.
Le motoréducteur (32) entraîne en rotation l'arbre
(18). La barre (2) est solidaire en rotation de l'arbre (18) qui
est un arbre cannelé ou rainuré.
Le motoréducteur (28) entraîne en rotation l'arbre
(7) par l'intermédiaire par exemple d'un système vis-écrou,
provoquant un déplacement vertical de la platine (26). La platine
(26) peut coulisser librement en translation par rapport aux
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arbres (17) et (18) sans être contrainte en rotation par rapport
à ces deux arbres. Dans cette variante, la mise en uvre
mécanique est simplifiée et ne nécessite pas l'assemblage
d'arbres creux. Cependant les modèles géométriques direct et
inverse qui lie les coordonnées articulaires 01,02, z et les
coordonnées opérationnelles x, y, z du robot sont plus difficiles
à obtenir, et l'espace de travail est réduit par rapport à la
première variante.
Variante de réalisation comportant une transmission de couple
sur l'un des bras par l'intermédiaire de pignons dentés
Les figures 5 et 6 représentent deux vues schématiques d'une
seconde variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du
bras robotisé selon l'invention comportant trois motoréducteurs
(28, 29, 32) fixés sur le même bâti (25). Un bâti intermédiaire
(23) est entraîné en translation suivant z grâce au motoréducteur
(28) actionnant un système vis-écrou. Ce bâti intermédiaire (23)
est également appelé bâti mobile. Les deux motoréducteurs (29)
et (32) actionnant les barres proximales (1, 2) du pantographe
sont situés sur deux axes différents, les deux liaisons pivot
actives du pantographe restant bien coaxiales grâce au système
de pignons (33,34) proposé. La barre proximale (1) est commandée
par le motoréducteur (32) par l'intermédiaire d'un arbre cannelé
(31), tandis que la barre proximale (2) est commandée par le
motoréducteur (29) par l'intermédiaire de l'arbre cannelé (30)
et de deux pignons dentés (33,34). La barre proximale (2)
coulisse librement en translation et rotation sur l'axe (31). Le
pignon denté (34) coulisse librement en translation le long de
l'arbre cannelé (30) tout en étant contraint en rotation par
rapport à cet arbre. Le pignon denté (33) coulisse le long de
l'arbre cannelé (31) sans être contraint en rotation par rapport
à cet arbre ; le pignon (33) est solidaire de la barre proximale
(2) par une fixation mécanique de type vis ou équivalent.
L'entretoise (21) contraint le positionnement du pignon (34) à
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la même hauteur que le pignon (33) permettant une mise en contact
permanente des dents. Le bâti intermédiaire (23) coulisse
librement en translation et rotation sur les arbres (30) et
(31) ; sa largeur intérieure permet d'assurer la cohérence du
placement des éléments mécaniques (bras, pignons, entretoise...).
L'arbre fileté (27) commandé par le motoréducteur (28) permet
d'assurer le déplacement vertical de la platine par système vis-
écrou.
La figure 7 représente une vue schématique d'une troisième
variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du bras
robotisé selon l'invention où le bâti intermédiaire (23)
entraînant le pantographe suivant z se meut en translation grâce
à une liaison glissière et un moteur linéaire (24) solidaire du
bâti fixe (25).
La barre (1) est commandée par le motoréducteur (32) par
l'intermédiaire d'un arbre cannelé (31), tandis que la barre (2)
est commandée par le motoréducteur (29) par l'intermédiaire de
l'arbre cannelé (30) et de deux pignons dentés (33,34).
Variantes comportant un bâti intermédiaire commandé en
rotation à partir du bâti fixe
La figure 8 représente une vue schématique d'une
quatrième variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du
bras robotisé selon l'invention où un bâti intermédiaire (35) se
meut en rotation et les deux motoréducteurs (29) et (32)
actionnant le pantographe sont situés sur le bâti principal (25).
Le motoréducteur (28) est solidaire du bâti
intermédiaire (35) et permet par son arbre fileté associé (27)
de contrôler la position suivant z de l'ensemble des barres (1)
et (2) grâce à un système vis-écrou entre la barre (2) et l'arbre
fileté (27). Les arbres (27) et (30) permettent de bloquer la
rotation de la barre (2) par rapport au bâti intermédiaire (35)
et l'orientation de la barre (2) est ainsi contrôlée par le
motoréducteur (32) du fait que les arbres (30) et (31) sont
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coaxiaux. Les arbres ( 30 ) et ( 31 ) peuvent cependant dans
certaines variantes ne pas être coaxiaux mais leurs axes restent
parallèles.
Le motoréducteur (32) est fixé sur le bâti fixe (25)
5 et assure le contrôle en orientation du bâti intermédiaire (35)
grâce à la solidarisation de son arbre de sortie (31) au bâti
(35).
Le motoréducteur (29) solidaire du bâti fixe (25)
permet de contrôler l'orientation absolue de la barre (1) par le
10 biais de l'arbre cannelé ou rainuré (30). Dans certaines
variantes, ce motoréducteur (29) peut se trouver solidaire du
bâti intermédiaire (35) permettant de contrôler l'orientation
relative de la barre (1) par rapport à la barre (2).
La figure 9 présente une vue schématique d'une
15 cinquième variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du
bras robotisé selon l'invention.
Un premier actionneur (32) contrôle l'orientation
d'un premier bâti intermédiaire (35) pivotant suivant l'axe z
par rapport au bâti principal (25). Ce premier bâti intermédiaire
20 (35) se meut en rotation, emportant un second bâti (23). Ce
second bâti (23) se déplace en translation par rapport au premier
bâti intermédiaire (35) par l'intermédiaire d'une liaison
glissière par l'intermédiaire d'un moteur linéaire (24). Il
emporte un motoréducteur (29) permettant de commander les
orientations relatives des deux barres proximales (1,2) du
pantographe.
Le motoréducteur (29) fixé sur le bâti (23) permet
de contrôler l'orientation relative de la barre (1) par rapport
à la barre (2) grâce à l'arbre (30) solidaire de la barre
proximale (1), la barre proximale (2) étant fixe par rapport au
bâti (23). Le motoréducteur (32) commande en rotation le bâti
intermédiaire (35) par l'intermédiaire de l'arbre (31). Le
déplacement en translation du bâti intermédiaire (23) peut aussi
être commandé par un système de vis-écrou, arbre (27) et
motoréducteur (28) selon le même principe que la figure 8.
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Selon une variante (non représentée) du mode de
réalisation de cinquième variante, uniquement décrite pour ses
différences avec ladite variante, il est prévu un mode de
réalisation dans lequel le second actionneur (29) est fixé sur
le premier bâti intermédiaire (35) ou sur le bâti principal (25).
D'une manière générale, le système vis-écrou proposé
dans les variantes précédentes est intéressant d'un point de vue
sécurité car en raison de l'irréversibilité du système vis-
écrou, il évite de devoir mettre en place des freins mécaniques
dans le cas où les moteurs ne seraient plus alimentés en énergie.
Une telle éventualité se doit d'être considérée avec
circonspection car le bras est destiné à emporter des charges
importantes dont la chute pourrait constituer un risque pour les
utilisateurs ou les produits à déplacer, ou le système mécanique
lui-même.
Cependant, un autre système de translation de type
vis à billes, ou moteur linéaire sur liaison glissière peut être
mis en uvre pour gérer la translation des bras suivant z.
La direction privilégiée d'installation de ce robot
manipulateur est que la direction z corresponde à l'axe vertical.
Ainsi durant le déplacement de charges lourdes dans
un mouvement horizontal, le motoréducteur (28) n'est pas
sollicité et les motoréducteurs (29, 32) ne supportent que des
couples faibles par rapport aux couples supportés par des robots
de type anthropomorphe effectuant la même trajectoire. La
consommation énergétique s'en trouve fortement réduite.
La structure mécanique est conçue pour supporter des
efforts statiques et dynamiques importants générés lors des
tâches de pose / dépose d'objets de masses élevées.
Les moments quadratiques des sections des barres (1,
2) sont calculés de manière à pouvoir supporter des charges
importantes, en particulier la géométrie des bras telle que
décrite schématiquement sur la figure 9 permet un
dimensionnement optimal. Cette structure des barres (1, 2)
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utilise des composants standards formés par exemple par deux
profilés reliés périodiquement par des entretoises et permet
d'obtenir par assemblage une forte résistance à la flexion et à
la torsion du mécanisme complet.
Variantes de réalisation comportant un bâti intermédiaire
commandé en translation par rapport au bâti fixe
La figure 10 représente une vue schématique d'une
sixième variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du
bras robotisé selon l'invention.
Les barres proximales du pantographe (1,2) sont
articulées à partir d'un bâti intermédiaire (23).
Le bâti intermédiaire (23) entraînant le pantographe
suivant z se meut en translation grâce à une liaison glissière
(36) et un entrainement de type vis-écrou, un motoréducteur (32)
fixé sur le bâti principal (25) permettant de commander la
première barre proximale (1) du pantographe par l'intermédiaire
de l'arbre cannelé (31), tandis qu'un second motoréducteur (29)
embarqué sur le bâti intermédiaire (23) permet de contrôler la
seconde barre (2) du pantographe par l'intermédiaire d'un arbre
(30) grâce à un système d'engrenages (33) et (34).
L'arbre fileté (27) entraîné par le motoréducteur
(28) assure un guidage en translation suivant z du bâti (23) par
système vis-écrou.
Le système de pignons dentés (33) et (34) peut
éventuellement être remplacé par des systèmes équivalents de
type courroie, courroie crantée ou autre, destiné à transmettre
un mouvement de rotation entre deux arbres non coaxiaux. Selon
une variante (non représentée) du mode de réalisation de la
sixième variante, uniquement décrite pour ses différences avec
ladite variante, il est prévu un mode de réalisation dans lequel
le second actionneur (29) est fixé sur le bâti principal (25).
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La figure 11 représente une vue schématique d'une
septième variante de réalisation du mécanisme d'entraînement du
bras robotisé selon l'invention où le bâti intermédiaire (23)
entraînant le pantographe suivant z se meut en translation grâce
à une liaison glissière et un entrainement de type vis-écrou,
via l'arbre fileté (27) et le motoréducteur (28). Deux
motoréducteurs (29,32) fixés sur le bâti intermédiaire (23)
permettent de commander l'orientation des deux bras proximaux du
pantographe grâce aux arbres cannelés (30) et (31) dont les axes
sont coaxiaux.
Le motoréducteur (29) commande l'orientation de la
barre (1) grâce à l'arbre cannelé (30) tandis que le
motoréducteur (32) commande l'orientation de la barre (2) grâce
à l'arbre cannelé (31). La barre (1) se meut librement en
rotation par rapport à l'arbre (31) tandis que la barre (2) se
meut librement en rotation par rapport à l'arbre (30).
Il est aussi possible que les arbres de sortie des
motoréducteurs ne soient pas coaxiaux et que la transmission du
mouvement de rotation soit obtenue par l'intermédiaire d'un
système de pignons dentés ou équivalent.
Dans cette variante, il est envisageable que la
liaison glissière entraînant le bâti intermédiaire se fasse
suivant une direction différente de z, par exemple parallèle au
plan du pantographe. Une mobilité verticale peut aussi être
ajoutée à l'extrémité distale.
Utilisation du bras robotique pour réaliser des travaux en
milieu encombré
La figure 12 représente une vue schématique de la
cinématique de l'invention lorsqu'un bras supplémentaire (51)
est ajouté à l'extrémité distale, commandé par un motoréducteur
(50) et supportant à son extrémité distale un moyen de préhension
ou un outil (20).
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Dans ce cas, la rotation de ce dernier segment permet
de travailler dans des espaces très étroits et contraints aussi
bien en hauteur qu'en largeur.
Dans le cas où le préhenseur ou l'outil est fixé
directement sur le motoréducteur (50), l'extrémité terminale (ou
l'objet saisi par le préhenseur fixé à l'extrémité ou l'outil)
peut effectuer des mouvements qualifiés de Schbenflies dans la
littérature, à savoir se déplacer en translation suivant xyz et
en rotation autour de l'axe z. Les déplacements de Schônflies
désignent les mouvements de corps rigides constitués par un
mouvement linéaire dans un espace à trois dimensions plus une
orientation autour d'un axe avec une direction fixe. Dans la
manipulation robotique, il s'agit d'un mouvement adapté à des
opérations nécessitant de déplacer un objet ou un outil d'un
plan et de le placer avec une orientation différente sur un autre
plan parallèle.
Parce que le manipulateur SCARA était l'un des
premiers manipulateurs à fournir un mouvement similaire, on
parle souvent de mouvement de type SCARA. Aujourd'hui, de
nombreux manipulateurs robotiques, dont certains à architecture
cinématique parallèle, sont utilisés dans l'industrie pour des
applications allant de la fabrication de produits électroniques
à l'industrie de la transformation et de l'emballage des
aliments.
Cette version permet de disposer d'un robot
manipulateur pouvant effectuer des tâches de pose / dépose,
palettisation / dépalettisation avec une efficacité supérieure
aux robots SCARA du marché.
Il est possible également d'ajouter trois liaisons
mécaniques motorisées faisant office de poignet, à l'extrémité
distale (20). Dans ce cas, le bras manipulateur peut placer un
objet en maîtrisant les trois degrés de liberté en xyz et les
trois degrés de liberté d'orientation.
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Autre variante de réalisation
Une autre variante de réalisation concerne un
mécanisme se distinguant des variantes précédentes par le fait
5 que les deux premières barres proximales sont supprimées et que
l'ouverture du pantographe est commandée par maîtrise de la
distance entre deux points de la chaîne cinématique restante.
Les figures 13 et 14 représentent une vue schématique
de la cinématique de l'invention.
10 Le pantographe est tronqué des deux barres
proximales (1, 2). Un actionneur commandant l'écartement entre
les deux sommets proximaux du pantographe tronqué permet de
maîtriser son ouverture.
Le motoréducteur (32) permet de contrôler
15 l'orientation du premier bâti intermédiaire (35) par
l'intermédiaire de l'arbre (31).
Une liaison glissière et un moteur linéaire (24)
permettent de contrôler la translation en z du second bâti
intermédiaire (23).
20 L'articulation pivot passive (13) de la barre (3)
s'articule sur les arbres (57) et (58) fixés sur une noix (52)
contrainte en translation par un premier arbre (59) et un
deuxième ensemble mécanique constitué d'un arbre fileté avec pas
à droite (55), un pignon denté (54) et un arbre fileté avec pas
25 à gauche (56). La noix (52) coulisse librement sur l'arbre (59)
tandis qu'elle possède un filetage interne permettant de faire
une liaison de type vis-écrou avec l'arbre fileté (55).
Le même principe régit l'articulation de la liaison
passive (11) de la barre (4) sur la noix (53).
Un motoréducteur (29) solidaire du bâti (23) permet
de contrôler la rotation de l'ensemble mécanique (54 à 56) grâce
aux pignons dentés (60,54). Le pignon denté (54) ne peut se
mouvoir qu'en rotation et transmet ce mouvement de rotation aux
deux arbres filetés (55) et (56), qui du fait de leur pas de vis
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inversés rapprochent ou écartent d'une longueur identique les
articulations (11) et (13) des barres (3) et (4).
L'axe de l'arbre (31) traverse le pignon (54) en un
point qui constitue le milieu, noté B, de la base du triangle
isocèle formé par les projections des articulations (11 à 13).
L'angle entre la direction x et la droite (BA') est
contrôlé par la rotation du motoréducteur (32) tandis que la
distance BA' est contrôlée par la rotation du motoréducteur (29).
