Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
L'invention se rapporte à un mécanisme polyarticulé
~tract~le.
Ce mécanisme constitue une structure de liaison
entre deux pièces ex-tremes, qui -trouve plus particulièrement
mais non exclusivemen-t appllca-tlon dans les domalnes :
- des manipula-teurs, tels qu'un bras ou polgnet de
robot,
- des plateformes élévatrices e-t orientables te:Lles
que les posltlonneurs de soudage,
1~ - des tourelles supports d'arme, de réflec-teur,
d'antenne,
- des jolnts d'accouplement extenslbles,
- des dlsposltifs d'accostage et d'ancrage,
- des structures érectables rigides ou déformables
tels que mâts et barrières flottantes,
- des engins de franchissement,
- des véhicules tout-terrain à locomotion péristal-
tique, par arpentage ou par culbute~
Evidemment, dans tous les domaines, il existe déjà
de très nombreux mécanismes polyarticulés réalisant des
structures de liaison plus ou moins complexes entre deux
pièces extrêmes.
La plupart de ces mécanismes utilisent principa-
lement des combinaisons de liaisons élémentaires de type
prismatique ou rotoide, les pièces constitutives n'étan-t
généralement assemblées qu'une fois avec la précédente et la
sulvante.
Les plèces constltu-tlves, les organes de liaison les
actionneurs et leurs systèmes de commande sont toujours de
3 types très différents.
Les mécanismes utilisés industriellement à ce jour
possèdent un nombre de degrés de mobilité limité
généralement aux strictes condi-tions cinématiques à satis-
faire. En effet, la réalisation de structures possédant un
nombre de degrés de mobilité élevé et redondant pose de
nombreux problèmes théoriques, pratiques, économiques.
Un résultat que l'invention vise à obtenir est un
mécanisme polyarticulé rétractile qui serait constitué d'au
.~ ~
~SI~
~- 2 -
moins un mécanisme élémentaire assurant: entre ~eux pièces
extremes une lia:ison à trois degrés de mobilité qui con-
si.stent en une translati.on et deux rotations autour d'axes
orthogonaux à l'axe de la translation.
Un autre résultat ~ue l'i.nvention vise à obtenir
es-t un tel mécanisme qui permette d'orienter relativement
les parties extremes sans qu'il y ait de rotation relative
des sec-tions suivan-t les tangentes à la fibre moyenne de
la structure.
La présente invention vise un mécanisme polyar-
ticulé rétractile formant une structure de liaison entre
deux pièces, une desdites pièces é-tant prise comme un ré-
férentiel, ledi-t mécanisme polyarticulé comprenant au moins
un mécanisme élémentaire constitué de deux pièces extre-
mes, une desdites pièces extremes formant un reférentiel,
et, pour relier entre elles lesdites pièces extr8mes au
moins trois branches situées dans des plans distincts et
composées de deux parties associées chacune d'une part,
à l'autre partie formant une meme branche par une liaison
assimilable à une liaison sphérique et, d'autre part, à
une pièce ex-treme différente de celle à laquelle est asso-
ciée cette autre partie par une liaison assimilable à une
liaison roto.ide.
Elle sera bien comprise à l'aide de la descrip-
tion ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif en
regard du dessin ci-annexé qui. représente schérnatiquement:
- figure 1: le graphe d'agencement d'un mécanis-
me élémentaire,
- figure 2: un mécanisme élémentaire modélisé par
une structure réticulée,
- figure 3: un mécanisme élémentaire modélisé
par des.pièces monoblocs,
- figure 4: un mécanisme polyarticulé constitué
de plusieurs mécanismes élémentaires juxtaposés,
"
~ ,.
``` ~2~9~L~
- 2a -
- figure 5: un mécanisme élémen-taire modéllsé
sous forme mixte,
- flgures 6 et 7: des variantes d'une L:iaison
composée, ~lobalemen-t équivalente a une liaison sphéri-
que,
- :Eigure 8: une variante de réalisat:ion dans
laquelle, la branclle utilise des pièces ci flexibilité o-
rientée,
- figure 9: le schéma de l'articulation virtuel-
le . .. . ____ _
.. ;
~S~6g~.~
obtenue avec la branche représen-tée figure 8,
- ~igure 10 : un mécanisme polyarticulé modélisé au
niveau de sa ~lbre moyenne,
- figures 11 à 13 : différents dispositifs de
couplage cinéma-tlque~
En se repor-tant au dessin, on voi-t (figure 4) que le
mécanisme polyarticulé et ré-tractile 1 constitue une
struc-ture de l:iaison en-tre deux pièces ex-trêmes 2, 3, don-t
l'une est prise comme référen-tiel 2 et que cet ensemble
comprend, soit un seul mécanisme élérnen-taire 4, soit
plusieurs de ces mécanismes qui sont avantageusement
juxtaposés par leurs pièces ex-trêmes en.vis à vis 5, 6 et ce
directement ou par l'intermédiaire d'au moins un élément
intercalaire (non représenté) de structure différente.
Un mécanisme élémen-taire 4 (figures 1, 2 et 3)
comprend donc lui-même deux pièces ex-trêmes 5, 6 dont un
référentiel 5 reliées en-tre elles par au moins trois
branches 7, 8, 9 situées dans des plans distincts et consti-
tuées de deux parties 10 et 11, ou 12 et 13, ou 14 e-t 15,
associées chacune d'une part, à l'autre partie formant la
même branche par une liaison au moins assimilable à une
liaison sphérique 16, 17 et 18 et, d'autre part, à une pièce
ex-trême 5, 6 différente de celle à laquelle est associée
cette autre partie par une liaison au moins assimilable à
une liaison rotoide soit 19 ou 20, soit 21 ou 22, soit enfin
23 ou 24.
Les liaisons sphériques 16, 17 et 18 scindent
fictivement le mécanisme élémentaire 4 en deux demi-éléments
alternés 4a' 4b (figure 1).
3 La disposition des axes des liaisons rotoides 20,
22, 24 ou 19, 21, 23 sera à priori quelconque par rapport
respective,nen-t aux pièces 5 et 6. Cependant, si les axes des
liaisons rotoïdes 20, 22, 24 ou 19, 21, 23 au moins
assimilab].es à une pièce extrême 5 ou 6 sont coplanaires,
3~ ils ne pourron-t pas être tous les trois parallèles.
Selon un mode privilégié de l'invention, ces axes
seront disposés suivant une symétrie de révolution par
rapport à un axe appartenant aux dites pièces extrêmes 5 ou
~ ~Z53~
6. De plus, ils pourront être coplanaires.
De mani.ère théorique, le mécanisme élémentaire 4
peu-t être modélisé par une struc-ture ré-ticulée (~i.gure 2)
dans laquelle les pièces extrêmes 5, 6 ma:is aussi les
S parties 10 à 15 cons-tituant les branches 7 à 9 ont toutes la
forme de s-tructures triangulaires.
Chacune des trois barres 25, 26 et 27 ou 28, 29 et
des s-tructures triangulaires modélisan-t les pièces
extrêmes 5, 6 est confondue avec l'une des trois barres 25,
31 et 32 ou 26, 33 et 34 ou 27, 35 et 36 ou 28, 37 e-t 38 ou
29, 39 et 40 ou enfin 30, 41 et 42 des structures
triangulaires modélisant chacune des parties 10 à 15 consti-
tuant les branches 7 à 9.
Le mécanisme élémentaire qui, de manière théorique,
a ainsi été modélisé a peut avantageusement avoir des carac-
tères de symétrie et être concrétisé par des dispositions
constructives -très diverses.
Le mécanisme élémentaire pourra être concrétisé sous
une forme proche du modèle théorique défi.ni à la figure 3,
par l'emploi des pièces monoblocs 5, 6, 10 à 15 qui peuvent
être considérées comme rigides vis à vis des efforts
auxquels elles sont soumises en fonctionnement.
En particulier, si les efforts exercés sur les
parties 10 à 15 formant les branches 7 à 9 ne sont dûs
2~ qu'aux actions de liaison d'ordre in-terne (poids propres
négligés) ces parties pourront être simplement rigides dans
leurs plans.
Le mécanisme élémen-taire pourra être concré-tisé sous
une forme proche du modèle théorique défini à la figure 2,
3o par l'emploi, aux lieu et place des barres 25 à 42, de
composants (non représentés) qui, en fonctionnement, leur
sont assimilables et ce, que ces composants soient d'une
longueur qui est constante ou qui, par réglage ou
déformation controlée, es-t variable~
3~ Le mécanisme élémentaire pourra être concrétisé sous
une forme mixte dérivée des deux modèles théoriques
précédemment décrits où, par exemple, les pièces 10 à 15
peuvent, toutes ou en partie, être matérialisées par des
~;~56~
barres 31 à 36~ 37 à 42 (figure 5).
En fonction de l'amplitude des mobilités et de la
précision requises, les liaisons -telles que les liaisons
roto:ides 19 à 24 ou les liaisons sphériques 16, 17 et 18
peuvent atre ma-térialisées sous la forme d'ar-ticula-tions
utilisant des composan-ts classiques de liaison (coussinets,
roulements, rotules lisses, etc ...) ou utiliser des ionc-
tions souples à flexibili-té orientée.
Dans le cas où entre les pièces extrames 5 et 6 des
débattements angulaires impor-tants sont nécessaires suivant
des axes horizontaux perpendiculaires entre eux X et Y, il
est possible de concrétiser les liaisons sphériques 16, 17
et 18 sous la ~orme de joints d'accouplements
cinématiquement qui ne sont qu'équivalents à des liaisons
sphériques, au moyen de pièces 43, 44 intercalées entr~ les
parties 10 et 11, 12 et 13, 14 et 15 constituant les
branches.
Par exemple, il s'agira (figure 6) d'une pièce
d'accouplement 43 liée à l'une des par-ties précitées par une
liaison rotoïde et à l'autre partie par une rotule lisse
dont le centre est situé sur liaxe de la liaison rotoide, ce
qui permettra d'obtenir une amplification du débattement
angulaire de la rotule suivant l'axe de l'articulation
rotoïde. La mobilité supplémentaire suivant l'axe de l'arti-
2~ culation rotoïde que constitue la rotation indépendante dela pièce ainsi intercalée 43 n'influence pas la cinématique
globale du mécanisme.
Dans un autre exemple, il s'agira de deux pièces
d'accouplement 44 et 45 intercalées (figure 7) entre les
3 parties des branches de manière que les trois liaisons
successives (tout d'abord entre la première partie de
branche et la première de ces pièces d'accouplement puis
entre les deux pièces d'accouplement 44, 45 et en~in entre
la deuxième pièce d'accouplement et la deuxième partie 11 de
la branche) soient du type rotoide (montage à la cardan),
les axes de ces trois liaisons rotoïdes étant de préférence
concourants bien que cela ne soit pas une nécessité.
Le mécanisme élémentaire pourra également être
concrétisé (figure 8) sous une forme dérivée du modèle
défini à la figure 3 par l'emploi dans les branches 7 à 9 de
parties 10 à 15 qui sont -toutes ou partiellement .réalisées
sous la forme de pièces incurvables à flexibilité orientée,
dont :I.a courbure ne dépend quasisment que d'un seul
paramètre telles que des structures gonflables ou des lames
élastiques.
Dans une telle disposition constructive où chacune
des parties 10, 12 et 14 ou 11, 13 et 15 formant les bran-
ches est réalisée sous la forme d'une pièce à flexibilitéorientée, on peut considérer que l'art:iculation avec la
pièce extrême correspondante 6 ou 5, s'effectue autour d'un
axe virtuel 19, 21, 23 ou 20, 22, 24 dont la position par
rapport à cette même pièce extrême dépend de la déformation
de la partie concernée (figures 8 et 9).
Comme indiqué plus haut, le mécanisme polyarticulé
peut être cons-titué d'une juxtaposition, par leurs pièces
extrêmes 5, 6 d'un nombre quelconque de mécanismes élémen-
taires 4 qui, de préférence, seront géométriquement sembla-
2~ bles et même de dimensions identiques.
Chaque mécanisme 4 ayant trois degrés de mobilité,^une structure de liaison (figure 4) qui, pour relier deux
pièces extrêmes 1, 2 serait composée d'un nombre "N" de ces
mécanismes élémentaires 4, possèderait évidemment une
mobilité égale à trois fois, le nombre "N".
Dans le cas où le mécanisme polyarticulé résulte de
la juxtaposition en vis à vis de plusieurs mécanismes
élémentaires 4 par leurs pièces extrêmes 5, 6 il peut être
modélisé au niveau de sa fibre moyenne par une succession
d'arcs de cercle de rayons variables ayan-t des tangentes
communes en chaque point de raccordement (voir figure 10 un
ensemble de deux tronçons).
Le comportement cinématique de chaque mécanisme
élémentaire peut être indépendant de celui des mécanismes
voisins ou en ê-tre dépendant de manière que l'angle "A"
entre le plan d'une pièce extrême 5 ou 6 e-t celui d'une
par-tie 10 à 15 articulée sur cette pièce ex-trême soit
fonction de l'angle "B" entre le plan de l'autre pièce
extrême 6 ou 5 juxtaposée et le plan de la partie correspon-
dante 10 à 15 ar-ticulée sur cette autre pièce extrême 6 ou 5
(figures ~, 11 et 12).
Afin de facili-ter ce couplage cinématique éventuel,
les pièces extrêmes 5, 6 par lesquelles deux mecanismes
élémentaires 4 se jux-taposent seron-t avan-tageusement orien-
tées l'une par rapport à l'autre, de manière telle que les
axes des articulations rotoïdes 19 à 24 soien-t parallèles
deux à deux. Dans ce cas, le couplage cinématique de deux
mécanismes élémen-taires juxtaposés pourra ê-tre réalisé par
des mécanisrnes plans classiques.
Evidemment, ce couplage cinématique d'au moins
certaines des parties 10 à 15 d'au moins deux mécanismes
élémentaires voisins rédui-t le nombre de degrés de mobilité
de l'ensemble du mécanisme.
Au couplage cinématique de mécanismes juxtaposés
peut encore s'ajou-ter un couplage cinéma-tique de parties
entrant dans la constitution d'un même mécanisme élémentai-
re, et ce, par exemple au moyen d'engrenages coniques
(figure 13).
~ a ~ixation des paramètres définissant l'état
géométrique du mécanisme global peut etre due à des actions
mécaniques agissant de l'intérieur et/ou de l'extérieur du
mécanisme.
2~ Si les actions mécaniques qui définissent l'éta-t
géométrique du mécanisme global agissent de l'intérieur du
mécanisme, celles-ci seront exercées par des actionneurs
mécaniques (non représentés) agissant sur des pièces
constitu-tives du mécanisme, directement ou indirectement par
3 l'intermédiaire de transmetteurs (mécanismes divers, trin-
gleries, liens flexibles inextensibles maintenus en tension,
etc...)
~ es actionneurs pourront être de tout type connu
(actionneurs linéaires, rotatifs, structure gonflable)
utilisant une source d'énergie quelconque et fonctionnant
suivant une loi de mouvement quelconque.
Un cas particulier sera obtenu avec des actionneurs
dont la loi de mouvement pendant une période donnée consiste
,,
~5~ l4
dans le repos.
Au niveau d'un mécanisme élémentaire tel que 4, les
trois degrés de mobilité peuvent ê-tre fixés par trois
actionneurs avantageusemen-t identiques dont l'ac-tion con-
sis-te par exemple pour chacun d'en-tre eux à contro~
d.~rocteme~t ou l~tl~r~ct~mo~t :
- la dis-tance entre deux points quelconques appar-
tenant aux pièces extrêmes 5 et 6 ou
- la distance entre deux poin-ts quelconques appar-
tenant aux deux par-ties d'une même branche 7, 8, 9 ou
- la distance entre deux points quelconque appar-
tenant à deux parties de branches différentes,
- la rota-tion relative d'une partie 10 à 15 de
branches par rapport à la pièce extrême correspondan-te 5 ou
6.
Dans le cas cité plus haut où une partie 11 de
branche est réalisée sous la forme d'une structure à ~lexi-
bilité orientée comme par exemple une structure gonflable ou
une lame élastique, une telle pièce peut etre le siège d'un
phénomène physico-chimique entralnant sa déformation
controlée. On peut alors considérer qu'une telle partie est
sont propre actionneur.
A un instant donné, les actionneurs pourront être
commandés simultanément ou en nombre limité. Ils pourront
avantageusement être pilotés par des moyens d'asservisse-
ment.
Aux lieu et place ou en combinaison avec ces action-
neurs, l'ensemble pourra avantageusement comprendre des
capteurs de déplacement (non représen-tés) -tels par exemple
3 un potentiomètre ou un codeur optique dont la commande par
l'articulation d'une partie 10 à 15 de branche par rapport à
la pièce extrême associée 5 ou 6 modifiera les
caractéristiques d'un signal qui pourra être enregistré
et/ou comparé à un signal antérieur ou à une consigne pour
3~ pilo-ter les actionneurs.
Si les actions mécaniques qui définissent l'éta-t
géométrique du mécanisme global agissent de l'extérieur du
mécanisme, celles-ci peuvent comme il a été vu plus haut,
~2 ~
entralner la déformation contrôlée de certaines pièces
constitutives du mécanisme. Il en sera de mêrne des
actionneurs mécaniques ou de leurs -transmetteurs.
Cette déformabilité d'au moins l'un des élemen-ts que
S sont ces parties et ces ac-tionneurs perme-t de réa]iser des
ensembles à déformation contrôlée.
L'ensemble ainsi obtenu présente de nombreux avan-
tages :
- il est extensible et rétractile,
- en un poin-t quelconque de sa fibre moyenne, il est
incurvable dans tous les plans contenant la tangente à cet-te
fibre moyenne, d'où l'absence de points morts,
- son amplitude d'incurvatlon peut être augmentée à
volonté par juxtaposition de mécanismes élémen-taires,
- ses mécanismes élémentaires peuvent être couplés
par des mécanismes plans classiques,
- ses symétries réduisen-t le nombre de types de
pieces, d'assemblages, d'ac-tionneurs, de capteurs,
- la symétrie interne de chaque mécanisme élémentai-
re et la juxtaposition de tels mécanismes rend la commanded'une structure possédant un nombre de degrés de mobilité
élevé relativement simple par l'utilisation d'allures
propagatoires;
- il offre un facteur d'échelle favorable, en effet,
à partir de certaines dimensions il est possible de réaliser
des structures assimilables à des structures réticulées, ce
qui est performant du point de vue de la rigidité et de la
résistance par rapport à la masse et à l'inertie qui sont
réduites ; il sera d'autre part possible d'incorporer les
3o actionneurs dans la structure,
- il n'imprime pas de rotation relative des sections
suivant la tangente à la fibre moyenne d'où la possibilité
de réaliser l'étanchéité sans joint tournant et la pos-
sibilité de transmettre un moment de torsion entre les
pièces extrêmes compte tenu d'une fibre moyenne géométri-
quement imposée ; de plus, si les demi-éléments de chaque
mécanisme élémentaire sont structurellement symétriques et
identiques, il y aura homocinétisme,
I'étanchéité sa- offrant une âme centrale creuse, il perme-t
le passage de cables, tuyaux ; pour de grandes dimensions,
l'espace central peu-t même constituer un champ d'inter-
vention.
Du fait de ces nombreux avantages, l'ensemble se
prête à des app]ications très variées, tell.es par exemple :
- comme trompes ou poignets-trc)mpe utilisés en
robotique pour lesquels le mécanisme étant rétrac-tile et
offrant une grande amplitude d'orientation entre ses pièces
extrêmes, le champ d'in-tervention du mécanisme est un volume
et permet à partir d'une fenêtre d'accés de dimensions
réduites, de décrire tout courbe ou surface incluse dans ce
champ d'intervention,
- comme raccord orientable sans joint tournant,
~5 - comme join-t d'accouplement extensible homocinéti-
que pour lequel le facteur d'échelle est favorable,
- comme dispositifs d'accostage et d'ancrage à
déformation contrôlée passifs ou actifs,
comme véhicules tou-t-terrain à locomotion péris-
taltique, par arpentage ou par culbute pour lesquels le
mécanisme proposé constitue une solution idéale tant du
point de vue mécanique (cinématique spatiale, symétrie des
mobilités, similitude des pièces constitutives, morphologie
configurable, énergie dépensée réduite) qu'au point de vue
de la commande (nombre de paramètres manipulés à chaque
instant réduit, permutation possible des ordres donnés aux
actionneurs au sein de chaque mécanisme élémentaire, allures
propagatoires),
- comme manipulateurs sous-marins ou spatiaux
3 l'une des pièces extrêmes étant prise comme référentiel,
l'au-tre pièce extrême peut, à l'aide d'un dispositif ap-
proprié, réaliser la préhension d'un objet ; la configura-
tion géométrique du mécanisme reliant alors l'objet au
référentiel peu-t être aisément déterminée et un mouvement
peut aisèment être communiqué à l'objet compte tenu de
certaines contraintes cinématiques. I1 est notamment
possible de rétracter la s-tructure suivant le tunnel spatial
qu'elle occupe. Des manutentions à caractère propagatoire
- ~:Z 5~
1 1
peuvent être assurées par l'âme centrale (péristaltiques) ou
extérieurement à la structure,
- comme engin de franchissement ou de sauvetage. Des
struc-tures gonflables insubmersibles pourrai-t per~ettre le
passage de personnels dans l'âme centrale,
- comme mâ-ts érectables pour lesquels le mécanisme
proposé permet une extension sans rotat;ion relative des
faces et un déploiement soi-t de tous les élémen-ts à la fois,
soit de parties successives en commencan-t par les éléments
inférieurs les plus chargés,
- comme plateformes élévatrices et orien-tables :
. en tant que supports d'objets, notammen-t dans le
domaine des manipulateurs du type positionneur pour
opérations de montage, de soudage, de parachèvement, e-tcO.
. en tant que supports d'appareils, le mouvement de
translation permettant de réaliser des accostages fins
(support de poste de soudage),
- comme tourelle ne nécessitant pas une orien-tation
angulaire fixe de la face extrême suivant la normale (tou-
relles supports de canon, missile, caméra, projecteur,réflecteur, antenne, capteur de rayonnement, laser, je-t de
fluide en projection ou en aspiration.
Pour de telles applications, la possibilité d'une
rotation continue en gisement ne nécessitant pas de joint
tournant au niveau de la base, entralne une simplification
des connections électriques, hertziennes, optiques, flui-
diques, et des dispositifs d'étanchéité en milieu hostile.
L'absence de points morts (possibilité de balayage continu
dans deux plans de site orthogonaux) et l'inertie réduite
(facteur d'échelle favorable) sont également des avantages.
Le mouvement de translation peut être utilisé pour
escamoter l'appareil ou ê-tre éventuellement neutralisé par
une barre supplémentaire reliant par exemple les centres des
pièces ex-trêmes.
