FR3018327A1

FR3018327A1 - Verin a cable equipe d’un dispositif d’anti-rotation a element longiligne flexible mais rigide en torsion

Info

Publication number: FR3018327A1
Application number: FR1451962A
Authority: FR
Inventors: Philippe Garrec
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-09-11
Anticipated expiration: 2034-03-10
Also published as: US20170009857A1; EP3117124A2; FR3018327B1; WO2015135747A2; WO2015135747A3

Abstract

L'invention concerne un vérin à câble comportant un dispositif vis-écrou (2,3) dont l'un des éléments est entraîné en rotation autour d'un axe de rotation (X) par un moteur (10) et l'autre des éléments est astreint à coulisser sans tourner autour de l'axe de rotation grâce à un dispositif anti-rotation, l'élément coulissant étant attelé à un câble (6) enroulé autour d'une poulie d'entraînement (7) de sorte qu'une rotation du moteur provoque le déplacement linéaire de l'élément coulissant, celui-ci tirant sur le câble et faisant ainsi tourner la poulie d'entraînement. Le dispositif d'anti-rotation comporte au moins un élément longiligne (10) flexible mais rigide en torsion dont une première extrémité (11) est fixée à l'élément coulissant et une seconde extrémité (12) est fixée sur une partie fixe du vérin, de sorte que l'élément longiligne soit recourbé sensiblement dans un plan parallèle à l'axe de rotation.

Description

L'invention concerne un dispositif anti-rotation pour la partie coulissante d'un vérin qui est actionnée par une partie rotative au moyen d'une liaison hélicoïdale, et un vérin à câble équipé d'un tel dispositif anti-rotation. L'invention s'applique particulièrement aux préhenseurs comportant des phalanges équipant des orthèses ou des prothèses. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît des vérins à câbles utilisés notamment pour actionner des bras de robot. Ces vérins comprennent un ensemble vis-écrou dont l'un des éléments est entraîné en rotation par un moteur, et dont l'autre des éléments est astreint par un dispositif anti-rotation à se déplacer en coulissement lors d'une rotation du moteur.

L'élément coulissant est attelé à un câble pour exercer sur ce dernier une traction dans un sens ou dans un autre. Le câble est enroulé autour d'une poulie d'entraînement qui est associée à un pivot tournant adapté à entraîner en rotation un segment de bras ou tout autre élément devant être commandé en rotation. Le vérin peut être unilatéral (câble ouvert dont une extrémité est liée à l'élément coulissant, l'autre extrémité étant associée à un ressort de tension) , ou bilatéral (le câble forme une boucle entre la poulie d'entraînement et une poulie de retour). Le moteur en- traîne l'élément tournant par tout dispositif approprié, comme une courroie ou un réducteur. Par ailleurs, le câble peut être simple, ou double. Dans ce dernier cas, il est avantageusement attelé à l'élément coulissant au moyen d'un organe d'ancrage soli- daire de l'élément coulissant mais mobile par rapport à celui-ci, l'organe d'ancrage mobile servant alors à équilibrer les tractions entre les deux câbles. Ces vérins à câble sont notamment utilisés pour ac- tionner des phalanges de doigts de dispositif préhen- seurs. En effet, Ces vérins possèdent plusieurs avan- tages concurrentiels sur les réducteurs à engrenages pour la réalisation d'actionneurs à contrôle d'effort embarqués dans des structures articulées : - moteur longitudinal permettant donc l'intégration d'un moteur longiligne dans un segment et ce, que l'articulation du segment soit transversale ou transversale ; - faible frottement et faible inertie réfléchie sur l'articulation (haute transparence) notamment grâce au montage flottant décrit dans le document FR2809464; - insensibilité des performances vis-à-vis des déformations de la structure d'accueil (pas de coincement ni variation du frottement).

Dans le cas des mains robotiques, la commande de multiples phalanges nécessite de grouper un grand nombre d'actionneurs (typiquement 3 actionneurs par phalange) dans le volume équivalent de la paume. Le volume des moteurs électriques constitue à cet endroit une contrainte importante (en épaisseur ou en longueur). Une paume trop longue par exemple entraîne un allongement des phalanges pour pouvoir conserver la possibilité de prise en paume et ceci tend à diminuer la force de serrage pour un actionneur.

On peut alors souhaiter déporter le moteur dans le segment amont (avant-bras) grâce à une transmission au moyen d'un arbre de transmission flexible, le cas échéant sous gaine flexible comme illustré dans le document FR2990485. Ce déport est réalisable en conservant une angulation suffisante entre l'avant-bras et la paume. Il ne resterait alors plus dans la paume que le dispositif de conversion du mouvement rotatif du moteur en un mouvement linéaire de l'élément coulissant, mouvement linéaire qui est exploité pour entraîner le câble.

L'invention a plus spécialement trait au dispositif anti-rotation qui permet ce coulissement en empêchant l'élément coulissant de tourner autour de l'axe de rotation de l'élément rotatif. Plusieurs dispositifs sont connus de l'homme du métier. En particulier, il est con- nu du document FR 2 981 420 l'équipement de l'élément coulissant d'une monture en forme de joint de Holdam comportant des galets diamétralement opposés astreints à coulisser dans des rainures parallèles à la direction de coulissement de l'élément coulissant et empêchant toute rotation de l'élément coulissant autour de l'axe de ro- tation de l'élément rotatif. Ces dispositifs d'anti-rotation s'avèrent encombrants, surtout lorsque plusieurs vérins doivent être accolés les uns aux autres pour actionner plusieurs pha- langes. Ils sont en outre complexes à réaliser, puisqu'ils supposent la réalisation de rainures aux dimensions précises, ainsi que le guidage en rotation de galets sur des pivots. Il a par ailleurs été proposé d'utiliser un souf- flet pour réaliser l'anti-rotation de l'élément coulis- sant, comme illustré dans le document FR 2 856 452. La rigidité en torsion du soufflet empêche l'élément coulissant de tourner autour de l'axe de rotation de l'élément tournant. Cependant, un tel soufflet est peu adapté à son utilisation dans un vérin à câble.

OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet de proposer un dispositif anti-rotation particulièrement simple et compact, pouvant être utilisé avantageusement dans les vérins à câbles de phalanges de mains de préhenseurs.

PRESENTATION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un vérin à câble comportant un dispositif vis-écrou dont l'un des éléments est entraîné en rotation autour d'un axe de rotation par un moteur et l'autre des éléments est astreint à coulisser sans tourner autour de l'axe de rotation grâce à un dispositif anti-rotation, l'élément coulissant étant attelé à un câble enroulé autour d'une poulie d'entraînement de sorte qu'une rotation du moteur provoque le déplacement linéaire de l'élément coulis- sant, celui-ci tirant sur le câble et faisant ainsi tourner la poulie d'entraînement. Selon l'invention, le dispositif d'anti-rotation comporte au moins un élément longiligne flexible mais rigide en torsion dont une première extrémité est fixée à l'élément coulissant et une seconde extrémité est fixée sur une partie fixe du vé- rin, de sorte que l'élément longiligne soit recourbé sensiblement dans un plan parallèle à l'axe de rotation. L'élément longiligne empêche toute rotation de l'élément coulissant du fait de sa rigidité en torsion, mais suit les mouvements longitudinaux de l'élément cou- lissant en se courbant du fait de sa flexibilité. Ce dispositif d'anti-rotation est très simple à mettre en oeuvre, seul la fixation des extrémités de l'élément longiligne étant à prévoir. De préférence, la première extrémité et la deuxième extrémité de l'élément longiligne sont fixées respecti- vement à l'élément coulissant et à la partie fixe du vérin de part et d'autre de l'axe de rotation. Ainsi, la courbe de l'élément longiligne se forme devant celui-ci, et l'encombrement du vérin s'en trouve réduit.

Selon un mode particulier de réalisation, le dispo- sitif d'anti-rotation comporte deux éléments longilignes dont les premières extrémités sont fixées de façon diamétralement opposée sur l'élément coulissant, de sorte que les éléments longilignes recourbés s'étendent dans des plans parallèles. Selon un aspect particulier de l'invention, l'élément longiligne est un arbre de transmission flexible. Ainsi, l'arbre de transmission flexible n'est pas du tout utilisé pour sa fonction usuelle qui est la transmission d'un couple entre un moteur et une partie actionnée. On met à profit la grande rigidité en torsion des arbres de transmission flexibles pour assurer l'anti-rotation de l'élément coulissant du vérin à câble.

DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention, en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un vérin à câble selon l'invention, l'élément coulissant étant ici la vis ; - les figures 2a à 2c illustrent le déplacement longitudinal de la vis du vérin de la figure 1 ; - les figures 3a à 3c sont des figures analogues aux figures 2a à 2c, illustrant un vérin dont l'élément cou- lissant est l'écrou ; - les figures 4a à 4c sont des figures analogues aux figures 2a à 2c, illustrant un vérin à deux éléments longilignes ; - les figures 5à à 5c sont des figures analogues aux figures 4a à 4c, illustrant un vérin à deux éléments longilignes ; - les figures 6a et 6b sont des vues schématiques de côté et de face d'un ensemble de vérins selon les fi- gures 4a à 4c ; - les figures 7a et 7b sont des vues schématiques de côté et de face d'un ensemble de vérins selon les figures 4a à 4c ; - les figures 8a et 8b sont des vues schématiques de côté et de face d'un ensemble de vérins selon les fi- gures 5a à 5c ; DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION En référence à la figure 1, et conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, le vérin à câble comporte un moteur 1 adapté à entraîner en rotation un écrou 2 qui coopère avec une vis 3 qui se déplace longitudinalement le long d'un axe X de rotation de l'écrou 2 en réponse à une rotation du moteur 1. Ici, le moteur 1 entraîne l'écrou 2 au moyen d'une liaison à courroie, dont les poulies 4 et 5 sont schématisées. Un câble 6 est tendu entre une poulie d'entraînement 7 et une poulie de renvoi 8. Le câble 6 passe à l'intérieur de la vis 3 (qui est creuse) et est attelé à cette dernière de sorte qu'un déplacement de la vis 3 provoque un défilement du câble 6 et donc une rotation de la poulie d'entraînement 7. Ce qui précède n'est rappelé qu'à titre d'illustration de l'arrière-plan technologique. L'invention qui va maintenant être détaillée s'applique à ce type de vérin, mais n'est pas limitée à ce type de vérin. En particulier, le vérin pourra présenter un moteur déporté au moyen d'un arbre de transmission flexible, le câble pourra n'être enroulé qu'autour de la seule poulie d'entraînement, un ressort le maintenant tendu. Le vérin pourra présenter deux câbles... Selon l'invention, la vis 7 est empêchée de tourner autour de l'axe X au moyen d'un dispositif anti-rotation comportant ici un élément longiligne 10 flexible mais présentant une grande rigidité en torsion, ayant une première extrémité 11 fixée à la vis 3 et une deuxième extrémité 12 fixée à un châssis du vérin à câble. L'élément longiligne 10 est recourbé et s'étend sensiblement selon un plan parallèle à l'axe X. Les figures 2a à 2c illustrent le comportement de l'élément longiligne 10 lorsque la vis 3 se déplace sous l'action du moteur 1. On voit que la deuxième extrémité 12 reste bien sûr immobile, mais que le centre instantané de courbure S2 de la partie courbe de l'élément longiligne 10 avance avec la vis 3, l'élément longiligne 10 s'étendant sensiblement dans le même plan. L'élément longiligne 10 empêche la vis 3 de tourner et constitue donc un dispositif d'anti-rotation de cette dernière. On remarquera que le plan dans lequel s'étend l'élément longiligne 10 peut légèrement tourner lors du déplacement de la vis 3, ce qui ne gêne en rien le fonctionne- ment du vérin. De même, si les sollicitations de l'élément longiligne sont importantes, celui-ci peut se déformer de façon non-plane, ce qui ne gêne en rien le fonctionnement du vérin. Il importe cependant de veiller à ce que l'élément longiligne 10 reste stable sous gra- vité ou sous effort, ce qui limite sa longueur et donc la course du vérin. Les figures 3a à 3c illustrent une variante du vé- rin de la figure 1 dans lequel le moteur 1 est adapté à entraîner en rotation la vis 3. C'est alors l'écrou 2 qui se déplace longitudinalement sous l'effet de la ro- tation du moteur, le câble étant alors attelé à l'écrou 2. Bien sûr, l'élément longiligne 10 est maintenant attelé à l'écrou 2. On voit que la deuxième extrémité 12 reste bien sûr immobile, mais que le centre instantané de courbure S2 avance avec l'écrou 2, l'élément longi- ligne s'étendant sensiblement dans le même plan P, aux petites déformations de torsion près. Les figures 4a à 4c sont relatives à un vérin à câble similaire à celui des figures 2a à 2c, si ce n'est qu'il est équipé de deux éléments longilignes 10 et 10' qui sont fixés à la vis 3 par l'intermédiaire d'un organe d'ancrage 13 ayant la forme d'une barre rapportée sur l'extrémité de la vis 3. Les premières extrémités 11 et 11' sont fixées aux extrémités de la barre 13 de fa- çon diamétralement opposées de part et d'autre de l'axe X . On remarquera que pour chacun des éléments longi- lignes 10,10', leurs extrémités s'étendent de part et d'autre de l'axe de rotation X. Les deux éléments longilignes 10,10' s'étendent dans deux plans parallèles entre eux. On veillera à éloigner suffisamment les plans des deux éléments longilignes pour éviter toute interfé- rence entre eux en cas de déformation non-plane. L'utilisation de deux éléments longilignes attelés de façon diamétralement opposée à l'élément coulissant du vérin à câble permet d'équilibrer les efforts para- sites subis par l'élément coulissant du fait de la pré- sence des éléments longilignes. Les figures 5a à 5c montrent l'utilisation de deux éléments longilignes 10 et 10' dans le cadre d'un vérin à câble dont l'élément coulissant est l'écrou 2.

L'organe d'ancrage 13 est maintenant fixé sur l'écrou 2. Les figures 6a et 6b montrent comment de tels vérins peuvent être associés dans un ensemble compact pour par exemple assurer l'actionnement de phalanges de doigts d'une main robotisée. On n'a représenté ici que l'ensemble vis/écrou de chacun des vérins. Ici, ce sont les vis 3 qui forment l'élément coulissant, les écrous 2 étant entraînés en rotation par leur moteur respectif. Les axes de rotations des dispositifs vis/écrous sont ici tous parallèles entre eux et s'étendent dans un même plan. Tous les éléments longilignes 10,10' desdits vérins s'étendent dans des plans parallèles entre eux. Les organes d'ancrage 13 sont également parallèles entre eux. Ainsi que cela est plus particulièrement visible à la figure 6b, les plans des éléments longilignes sont im- briqués les uns dans les autres, de sorte qu'un élément longiligne d'un vérin est encadré par les deux éléments longilignes d'un vérin adjacent (sauf bien sûr pour les vérins d'extrémité). Cet agencement est très plat. On remarquera sur la figure 6a que, au moins pour les vé- rins intermédiaires, le plan de l'un des éléments longi- lignes converge vers l'axe de la vis adjacente, de sorte que l'extrémité 12 d'un élément longiligne qui est attelée à une partie fixe du vérin ne dépasse pas la vis du vérin adjacent.

Les figures 7a et 7b montrent un agencement encore plus compact en hauteur, au prix cependant d'une largeur augmentée. Ici, l'agencement concerne toujours des vérins dont la vis est l'élément coulissant. On constate que les éléments longilignes 10 et 10' s'étendent tou- jours dans des plans parallèles. A cet effet, les or- ganes d'ancrage 13 ', qui sont toujours attelés à la vis, sont maintenant en forme de Z. Les organes d'ancrage 13' sont reliés à la vis 3 par le milieu de leur branche centrale. Cette disposition permet de faire en sorte que les plans des éléments longilignes s'étendent sur les côtés des vis, ce qui permet leur imbrication plus compacte. Les figures 8a et 8b montrent un agencement simi- laire à celui des figures 7a et 7b, pour des vérins dont l'élément coulissant est maintenant l'écrou 2. De préférence, chaque élément longiligne 10 est constitué par un arbre de transmission flexible, du type de ceux qui sont utilisés dans les vérins à câble pour entraîner l'élément rotatif au moyen d'un moteur dépor- té. Ce type d'élément longiligne est flexible tout en présentant une grande rigidité en torsion.

L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.5

Claims

REVENDICATIONS1. Vérin à câble comportant un dispositif vis-écrou (2,3) dont l'un des éléments est entraîné en rota- tion autour d'un axe de rotation (X) par un moteur (10) et l'autre des éléments est astreint à coulisser sans tourner autour de l'axe de rotation grâce à un dispositif anti-rotation, l'élément coulissant étant attelé à un câble (6) enroulé autour d'une poulie d'entraînement (7) de sorte qu'une rotation du moteur provoque le dé- placement linéaire de l'élément coulissant, celui-ci tirant sur le câble et faisant ainsi tourner la poulie d'entraînement, caractérisé en ce que le dispositif d'anti-rotation comporte au moins un élément longiligne (10,10') flexible mais rigide en torsion dont une pre- mière extrémité (11) est fixée à l'élément coulissant et une seconde extrémité (12) est fixée sur une partie fixe du vérin, de sorte que l'élément longiligne soit recourbé sensiblement dans un plan parallèle à l'axe de rota- tion.
2. Vérin à câble selon la revendication 1, dans lequel la première extrémité (11) et la deuxième extrémité (12) de l'élément longiligne sont fixées respectivement à l'élément coulissant et à la partie fixe du vérin de part et d'autre de l'axe de rotation. Ainsi, la courbe de l'élément longiligne se forme devant celui-ci, et l'encombrement du vérin s'en trouve réduit.
3. Vérin à câble selon la revendication 1, dans lequel le dispositif d'anti-rotation comporte deux élé- ments longilignes (10,10') dont les premières extrémités (11,11') sont fixées de façon diamétralement opposée sur l'élément coulissant, de sorte que les éléments longi-lignes recourbés s'étendent dans des plans parallèles.
4. Vérin à câble selon la revendication 3, dans les premières extrémités des éléments longilignes sont fixées à l'élément coulissant par l'intermédiaire d'un organe d'ancrage (13,13') rapporté sur l'élément coulis- sant.
5. Vérin à câble selon la revendication 3, dans lequel les premières et deuxièmes extrémités des éléments longilignes s'étendent de part et d'autres de l'axe de rotation.
6. Vérin à câble selon la revendication 1, dans lequel l'élément longiligne est un arbre de transmission flexible.
7. Ensemble de vérins à câble selon l'une des re- vendications précédentes, les vérins étant juxtaposés les uns par rapport aux autres de sorte que les axes de rotation de leurs dispositifs vis/écrou (2,3) respectifs soient parallèles entre eux et s'étendent dans un même plan, les éléments longilignes s'étendant dans des plans parallèles entre eux.
8. Ensemble de vérins à câble selon la revendication 6, dans lequel le plan de l'un des éléments longilignes de l'un des vérins converge vers l'axe de rotation du dispositif vis/écrou d'un vérin adjacent.25