FR3151776A1

FR3151776A1 - Robot parallèle

Info

Publication number: FR3151776A1
Application number: FR2308323A
Authority: FR
Inventors: Léo VENUTI; Pierre-Bruno Marie Blanc; Benoit PEROCHON
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: 2023-08-01
Filing date: 2023-08-01
Publication date: 2025-02-07
Also published as: WO2025026971A1

Abstract

Robot parallèle (1) comprenant un bâti (2) relié à une plateforme mobile (3) par une pluralité d’actionneurs télescopiques (4.1-4.6) articulés sur le bâti (2) et la plateforme (3), le robot parallèle (1) comprenant un dispositif passif de rigidification (10) en torsion de la plateforme mobile (3) relativement au bâti (2) autour d’un premier axe de rotation (O1), Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

TITRE DE L’INVENTIONRobot parallèleà rigidité en torsionaméliorée

L’invention concerne le domaine de la robotique et plus précisément le domaine des robots parallèles ou des architectures parallèles.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les robots parallèles sont des machines robotiques composées de plusieurs chaînes cinématiques indépendantes, généralement des actionneurs télescopiques articulés en leurs deux extrémités sur un bâti et une plateforme mobile.

Ce type de robot est fréquemment utilisé dans l’industrie manufacturière pour réaliser des opérations d’assemblage, soudage, peinture ou la manipulation de charges lourdes ainsi qu’en chirurgie robotique en raison de la précision et de la complexité des mouvements requis pour des interventions chirurgicales. On retrouve également ce type de robots dans les simulateurs de vol pour une reproduction réaliste des sensations de vol lors de l'entraînement des pilotes ainsi que dans le positionnement dynamique des plateformes d’imprimantes 3D.

Leur architecture parallèle offre une grande précision et une excellente capacité à effectuer des mouvements complexes et précis. Cependant, de tels architectures, en raison notamment des articulations présentes en leurs extrémités, ne permettent pas d’effectuer des travaux précis exigeant une reprise de couple de torsion, en particulier autour d’axes sécants à un plan défini par les extrémités des actionneurs qui sont articulées sur la plateforme.

A cet effet, on prévoit un robot parallèle comprenant un bâti relié à une plateforme mobile par une pluralité d’actionneurs télescopiques articulés sur le bâti et la plateforme ; Selon l’invention, le robot parallèle comprend un dispositif passif de rigidification en torsion de la plateforme relativement au bâti autour d’un premier axe de rotation. Le dispositif passif de rigidification comprend un premier arbre relié en sa première extrémité au bâti par un premier accouplement, l’arbre étant relié en sa deuxième extrémité à la plateforme par un deuxième accouplement.

On obtient ainsi un robot parallèle dont la plateforme mobile 3 peut reprendre aisément des efforts en torsion autour de l’axe O1. Un tel robot 1 permet de mettre à profit les qualités de précision d’une architecture parallèle avec une capacité de reprendre des couples importants. Un tel robot est ainsi adapté pour la réalisation d’opérations d’usinage ou de perçage exigeant de reprendre des couples appliqués à la plateforme mobile, notamment autour du premier axe.

Selon d’autres modes de réalisation particuliers, non exclusifs et optionnels de l’invention :

le premier accouplement est agencé pour autoriser une rotation de l’arbre relativement au bâti autour d’un deuxième axe sensiblement orthogonal au premier axe et/ou le deuxième accouplement est agencé pour autoriser une rotation de l’arbre relativement au bâti autour d’un troisième axe sensiblement orthogonal au premier axe ;
l’arbre est un arbre télescopique ;
l’arbre est monté à coulissement relativement au bâti et/ou à la plateforme via un dispositif de guidage en coulissement ;
le dispositif de guidage en coulissement comprend un chariot coulissant relativement à une armature solidaire du bâti ou de la plateforme ;
le dispositif de guidage en coulissement comprend un deuxième arbre cannelé ;
le premier arbre est un arbre de transmission flexible ;
le premier arbre comprend une boucle de relaxation ;
le robot parallèle comprend un arbre supplémentaire de transmission d’un couple moteur à un effecteur solidaire de la plateforme ;
le premier arbre est creux et définit un logement interne, l’arbre supplémentaire étant un arbre supplémentaire flexible qui s’étend dans le logement interne ;
l’arbre supplémentaire est guidé à rotation par au moins un palier porté par le dispositif passif de rigidification.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier non limitatif de l’invention.

Il sera fait référence aux figures jointes parmi lesquelles :

la est une représentation schématique en perspective d’un robot parallèle selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

la est une représentation schématique en vue de face du dispositif de rigidification du robot parallèle de la ;

la est une représentation schématique en vue de face d’un deuxième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention ;

la est une représentation schématique en vue de face d’un troisième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention;

la est une représentation schématique en vue de face d’un quatrième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention;

la est une représentation schématique en vue de face d’un cinquième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention;

la est une représentation schématique en vue de face d’un sixième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention ;

la est une représentation schématique en vue de face d’un septième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention ;

la est une représentation schématique en perspective d’un détail du dispositif de rigidification de la ;

la est une représentation schématique en vue de face d’un huitième mode de réalisation du dispositif de rigidification selon l’invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Selon un premier mode de réalisation de l’invention, et en référence aux figures 1 et 2, le robot parallèle selon l’invention, désigné 1, comprend un bâti 2 relié à une plateforme mobile 3 par une pluralité d’actionneurs télescopiques – ici six vérins électriques 4.1 à 4.6 articulés en chacune de leurs extrémités sur le bâti 2 et la plateforme 3. Ainsi les extrémités inférieures 5.1 à 5.6 respectives des actionneurs 4.1 à 4.6 sont articulées sur le bâti 2 et les extrémités supérieures 6.1 à 6.6 respectives des actionneurs 4.1 à 4.6 sont articulées sur la plateforme 3. Les vérins 4.1 à 4.6 sont reliés à une unité de commande et de contrôle 90 qui les alimente en énergie électrique et récupère les informations de déploiement des vérins 4.1 à 4.6 via des capteurs intégrés aux vérins 4.1 et 4.6.

Le robot 1 comprend un dispositif passif de rigidification en torsion 10 de la plateforme 3 relativement au bâti 2 autour d’un premier axe de rotation O1. L’axe de rotation O1 relie, ici, un premier isobarycentre 2.1 des extrémités inférieures 5.1 à 5.6 et un deuxième isobarycentre 3.1 des extrémités supérieures 6.1 à 6.6 lorsque le robot parallèle est en situation de repos ou position neutre ; L’axe O1 est, classiquement, orthogonal à la plateforme 3 dans toutes les configurations du robot 1. Le dispositif est dit passif en ce qu’il ne requiert aucun apport d’énergie extérieure pour pouvoir réaliser son action de rigidification.

Comme visible en , le dispositif 10 comprend un premier arbre 11 relié en sa première extrémité 11.1 au bâti 2 par un premier accouplement 12. L’arbre 11 est également relié en sa deuxième extrémité 11.2 à la plateforme 3 par un deuxième accouplement 13. L’arbre 11 est, ici, un arbre télescopique assurant une liaison glissière et qui comprend une portion mâle 11.10 engagée à coulissement dans une portion femelle 11.20. La portion mâle 11.10 comprend un téton 11.11 qui est engagé dans une rainure 11.21 de la portion femelle 11.20.

Les accouplements 12 et 13 sont, ici, des accouplements flexibles à soufflet métallique qui réalisent une liaison de type cardan de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3. Une liaison de type cardan est un joint d’accouplement qui autorise un décalage angulaire entre les deux éléments accouplés. Dans le cadre de l’invention , le joint peut être homocinétique ou hétérocinétique. L’accouplement 12 est, à minima, agencé pour autoriser une rotation de l’arbre 11 relativement au bâti 2 autour d’un deuxième axe O2 sensiblement orthogonal au premier axe O1. L’accouplement 13 est agencé pour autoriser une rotation de l’arbre relativement au bâti autour d’un troisième axe O3 sensiblement orthogonal au premier axe O1, et, ici, sensiblement orthogonal au deuxième axe O2.

Comme visible en , l’accouplement 12 comprend une première portion 12.1 de premier accouplement 12 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec le bâti 2 et l’accouplement 13 comprend une deuxième portion 13.1 de deuxième accouplement 13 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec la plateforme 3.

On obtient ainsi un robot parallèle 1 dont la plateforme mobile 3 peut reprendre aisément des efforts en torsion autour de l’axe O1. Un tel robot 1 permet de mettre à profit les qualités de précision d’une architecture parallèle avec une capacité de reprendre des couples importants. Un tel robot est ainsi adapté pour la réalisation d’opérations d’usinage ou de perçage exigeant de reprendre des couples appliqués à la plateforme mobile.

Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à celle-ci dans la description qui suit d’un deuxième, troisième, quatrième, cinquième,sixième, septième et huitième modes de réalisation de l’invention.

Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention représenté en , le premier accouplement 12 et le deuxième accouplement 13 sont des accouplements de type joint de cardan qui réalisent une liaison en rotation de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3.

L’accouplement 12 comprend une portion 12.1 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec le bâti 2 et l’accouplement 13 comprend une deuxième portion 13.1 de deuxième accouplement 13 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec la plateforme 3.

L’accouplement 12 est agencé pour autoriser une rotation de l’arbre 11 relativement au bâti 2 autour d’un deuxième axe O2 sensiblement orthogonal au premier axe O1. L’accouplement 13 est agencé pour autoriser une rotation de l’arbre relativement au bâti autour d’un troisième axe O3 sensiblement orthogonal au premier axe O1, et, ici, sensiblement orthogonal au deuxième axe O2. L’accouplement 12 est également agencé pour autoriser une rotation de l’arbre 11 relativement au bâti 2 autour d’un quatrième axe O4 sensiblement orthogonal au premier axe O1 et au deuxième axe O2. L’accouplement 13 est également agencé pour autoriser une rotation de l’arbre 11 relativement à la plateforme 3 autour d’un cinquième axe O5 sensiblement orthogonal au premier axe O1 et au troisième axe O3.

L’arbre 11 est, ici, un arbre monobloc de longueur fixe. La portion 12.1 de l’accouplement 12 est montée à coulissement relativement au bâti 2 via un dispositif de guidage en coulissement 20. Le dispositif 20 comprend un chariot 21 coulissant relativement à une armature 22 solidaire du bâti 2. Pour ce faire, le chariot 21 comprend trois bras 23 (dont seul deux sont visibles en ) s’étendant à cent-vingt degrés l’un de l’autre et dont les extrémités 24 sont pourvues de douilles à billes 25 engagées sur des arbres 26 solidaires de l’armature 22. La gestion du coulissement de l’arbre 11 relativement au bâti 2 selon ce mode de réalisation permet de reprendre plus efficacement les efforts tranchants dû à la torsion et autorise ainsi une augmentation du bras de levier de torsion

Selon un troisième mode de réalisation représenté en , l’arbre 11 est un arbre de transmission flexible et le dispositif de guidage 20 comprend un deuxième arbre cannelé 30 coopérant avec une douille cannelée 31 solidaire du bâti 2. Au sens de la présente demande, un arbre 11 est flexible lorsqu’il est déformable selon une direction sensiblement orthogonale à un axe de rotation de l’arbre 11 sans provoquer une sollicitation notable des actionneurs 4.1 à 4.6 du robot 1 (inférieure à dix pourcents de la puissance nominale de l’actionneur).

Les accouplements 12 et 13 correspondent, ici, respectivement aux portions 11.20 et 11.30 de l’arbre 11 qui se trouvent à proximité respectivement des extrémités 11.1 et 11.2 de l’arbre 11.

Les accouplements 12 et 13 réalisent une liaison de type cardande l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3. L’accouplement 12 comprend une première portion 12.1 de premier accouplement 12 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec le bâti 2 et l’accouplement 13 comprend une deuxième portion 13.1 de deuxième accouplement 13 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec la plateforme 3.

Selon un quatrième mode de réalisation représenté en , l’arbre 11 est un arbre de transmission flexible identique à celui du deuxième mode de réalisation et le dispositif de guidage 20 comprend le chariot 21 et l’armature 22 selon le deuxième mode de réalisation de l’invention.

Selon un cinquième mode de réalisation représenté en , l’arbre 11 est un arbre de transmission flexible identique à celui du deuxième mode de réalisation. L’arbre 11 est, selon le quatrième mode de réalisation, encastré en ses deux extrémités 11.1 et 11.2 respectivement sur le bâti 2 et la plateforme 3. L’arbre 11 comprend une boucle de relaxation 40. La boucle de relaxation 40 comprend une succession de deux inflexions 41 et 42 de l’arbre flexible 11 qui autorisent un déplacement relatif des extrémités 11.1 et 11.2 de l’arbre 11 selon une direction sensiblement parallèle à l’axe O1. Les accouplements 12 et 13 correspondent, ici, respectivement aux portions 11.20 et 11.30 de l’arbre 11 qui se trouvent à proximité respectivement des extrémités 11.1 et 11.2 de l’arbre 11.

Les accouplements 12 et 13 réalisent une liaison de type cardan de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3. L’accouplement 12 comprend une première portion 12.1 de premier accouplement 12 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec le bâti 2 et l’accouplement 13 comprend une deuxième portion 13.1 de deuxième accouplement 13 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec la plateforme 3.

Selon un sixième mode de réalisation représenté en , l’arbre 11 est creux et définit un logement interne 50. L’arbre 11 est relié en sa première extrémité 11.1 au bâti 2 par l’accouplement 12 et en sa deuxième extrémité 11.2 à la plateforme 3 par l’accouplement 13.

L’arbre 11 est ici un arbre monobloc de longueur fixe. Les accouplements 12 et 13 sont, ici, des accouplements flexibles à soufflet métallique qui réalisent une liaison de type cardan de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3.

La portion 12.1 de l’accouplement 12 est montée à coulissement relativement au bâti 2 via un dispositif de guidage en coulissement 20. Le dispositif 20 comprend un chariot 21 coulissant relativement à une armature 22 solidaire du bâti 2. Le chariot 21 comprend trois bras 23 (dont seul deux sont visibles en ) s’étendant à cent-vingt degrés l’un de l’autre et dont les extrémités 24 sont pourvues de douilles à billes 25 engagées sur des arbres 26 solidaires de l’armature 22.

La première portion 12.1 de l’accouplement 12 et la deuxième portion 13.1 de l’accouplement 13 ainsi que la troisième portion 12.2 de l’accouplement 12 rigidement reliée à la première extrémité 11.1 de l’arbre 11 et la quatrième portion 13.2 de l’accouplement 13 rigidement reliée à la deuxième extrémité 11.2 de l’arbre 11 comprennent chacune un alésage central d’accueil d’un arbre de transmission supplémentaire flexible 60 qui s’étend dans le logement interne 50. La première portion 12.1 comprend ainsi un premier lamage 70 d’accueil d’un premier palier 71 de guidage en rotation de l’arbre 60. La deuxième portion 13.1 comprend un deuxième lamage 72 d’accueil d’un deuxième palier 73 de guidage en rotation de l’arbre 60. La troisième portion 12.2 comprend un deuxième lamage 72 d’accueil d’un deuxième palier 73 de guidage en rotation de l’arbre 60. De manière homologue, la troisième portion 12.2 comprend un troisième lamage 74 d’accueil d’un troisième palier 75 de guidage en rotation de l’arbre 60. La quatrième portion 13.4 comprend un quatrième lamage 76 d’accueil d’un quatrième palier 77 de guidage en rotation de l’arbre 60.

Une tête de fraisage 80 solidaire de la plateforme 3 est reliée à l’extrémité supérieure 61 de l’arbre 60. L’extrémité inférieure 62 de l’arbre 60 est reliée à un moteur 85 d’actionnement de la tête de fraisage 80 et qui est monté sur le chariot 21. L’arbre 60 transmet ainsi un couple moteur depuis le moteur 85 jusqu’à la tête de fraisage 80.

On obtient ainsi un robot parallèle 1 dont la plateforme mobile 3 est reliée par un dispositif passif de rigidification en rotation 10 au bâti 2 et qui est ainsi en mesure d’effectuer des opérations requérant la reprise de couples appliqués sur la plateforme 3, comme par exemple des opérations de perçage ou d’usinage.

Selon un septième mode de réalisation de l’invention représenté en figures 8 et 9, le premier accouplement 12 est un accouplement de type joint de Oldham et le deuxième accouplement 13 est un accouplement encastré. Les accouplements 12 et 13 réalisent ainsi une liaison en rotation de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3.

L’accouplement 12 comprend une portion 12.1 rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec le bâti 2 et l’accouplement 13 comprend une deuxième portion 13.1 de deuxième accouplement 13-ici la portion femelle 11.20 de l’arbre 11- rigidement solidaire en rotation autour de l’axe O1 avec la plateforme 3.

Selon un huitième mode de réalisation de l’invention représenté en figures 10, le premier accouplement 12 et le deuxième accouplement 13 sont des accouplements de type pivot glissant qui réalisent une liaison en rotation de l’arbre 11 sur le bâti 2 et la plateforme 3. Le pivot glissant du premier accouplement 12 est un pivot glissant d’axe O12 sensiblement parallèle à l’axe O2, et le pivot glissant du deuxième accouplement 13 est un pivot glissant d’axe O13 sensiblement parallèle à l’axe O3. L’arbre 11 est ici l’arbre télescopique du premier mode de réalisation.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

En particulier,

bien qu’ici la plateforme comprenne six vérins électriques, l’invention s’applique également à d’autres types d’actionneurs linéaires comme par exemple des vérins hydrauliques ou des moteurs linéaires. Le nombre d’actionneurs composant la pluralité est dépendant du nombre de degrés de liberté dont le contrôle est souhaité et peut varier de deux à plus de six ;
bien qu’ici l’arbre 11 comprenne un guidage à coulissement d’une portion mâle dans une portion femelle à l’aide d’un ensemble téton/rainure, l’invention s’applique également à d’autres types d’arbre coulissant comme par exemple un arbre comprenant des cannelures avec réglage de jeu, un arbre cannelé à billes ou un arbre comprenant des patins à billes engagés dans des rails ;
bien qu’ici l’arbre soit monté à coulissement relativement au bâti, ; l’invention s’applique également à un arbre monté à coulissement relativement à la plateforme ;
bien qu’ici le chariot comprenne trois bras, l’invention s’applique également à un chariot pourvu d’un nombre différents de bras pour son guidage à coulissement relativement à l’armature comme par exemple un seul bras, deux ou plus de trois ;
bien qu’ici, le chariot soit guidé à coulissement relativement à l’armature à l’aide de douilles à billes engagées sur des arbres, l’inventions ‘applique également à d’autres moyens de guidage linéaire comme par exemple des patins de toutes formes et des rails correspondants, des galets ou des queues d’aronde, un arbre cannelé ;
bien qu’ici le guidage par cannelures ait été décrit en combinaison avec un arbre flexible, l’invention s’applique également à un guidage par cannelure et un arbre rigide monté sur cardan ;
bien qu’ici le guidage par cannelures ait été décrit en combinaison avec un arbre flexible, l’invention s’applique également à un guidage par cannelure et un arbre rigide monté sur cardan ;
bien qu’ici l’arbre supplémentaire s’étende dans le logement interne, l’invention s’applique également à un arbre supplémentaire déporté et qui serait découplé du dispositif de rigidification ;
bien qu’ici l’arbre supplémentaire soit guidé en rotation à l’aide de quatre paliers, l’invention s’applique également à un arbre supplémentaire qui serait monté libre, sans guidage en rotation et/ou en translation ;
bien qu’ici la plateforme mobile porte une tête de fraisage, l’invention s’applique également à d’autres types d’effecteur solidaire de la plateforme comme par exemple une perceuse, une disqueuse un dispositif de préhension ou un palpeur ;
- bien qu’ici l’armature soit solidaire du bâti, l’invention s’applique également à une armature solidaire de la plateforme ;
- bien qu’ici le moteur d’actionnement soit solidaire du chariot, l’inventions ‘applique également à d’autres types de montage du moteur d’actionnement comme par exemple un moteur monté à coulissement à l’aide d’une liaison glissière relativement au bâti.

Claims

Robot parallèle (1) comprenant un bâti (2) relié à une plateforme mobile (3) par une pluralité d’actionneurs télescopiques (4.1-4.6) articulés sur le bâti (2) et la plateforme (3),
le robot parallèle (1) comprenant un dispositif passif de rigidification (10) en torsion de la plateforme mobile (3) relativement au bâti (2) autour d’un premier axe de rotation (O1),
le dispositif passif de rigidification (10) comprenant un premier arbre (11) relié en sa première extrémité (11.1) au bâti par un premier accouplement (12) , le premier arbre (11) étant relié en sa deuxième extrémité (11.2) à la plateforme mobile (3) par un deuxième accouplement (13).
Robot parallèle (1) selon la revendication 1, dans lequel le premier accouplement (12) est agencé pour autoriser une rotation du premier arbre (11) relativement au bâti (2) autour d’un deuxième axe (O2) sensiblement orthogonal au premier axe (O1) et/ou le deuxième accouplement (13) est agencé pour autoriser une rotation du premier arbre (11) relativement au bâti (2) autour d’un troisième axe (O3) sensiblement orthogonal au premier axe (O1).
Robot parallèle (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier arbre (11) est un arbre télescopique.
Robot parallèle (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier arbre (11) est un arbre de transmission flexible.
Robot parallèle (1) selon la revendication 4, dans lequel le premier arbre (11) comprend une boucle de relaxation (40).
Robot parallèle (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier arbre (11) est monté à coulissement relativement au bâti (2) et/ou à la plateforme (3) via un dispositif de guidage en coulissement (20).
Robot parallèle (1) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de guidage en coulissement (20) comprend un chariot (21) coulissant relativement à une armature (22) solidaire du bâti (2) ou de la plateforme (3).
Robot parallèle (1) selon la revendication 6, dans lequel le dispositif de guidage en coulissement (20) comprend un deuxième arbre cannelé (30).
Robot parallèle (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un arbre supplémentaire (60) de transmission d’un couple moteur à un effecteur (80) solidaire de la plateforme (3).
Robot parallèle (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier arbre (11) est creux et définit un logement interne (50), l’arbre supplémentaire (60) étant un arbre flexible qui s’étend dans le logement interne (50).
Robot parallèle (1) selon la revendication 10, dans lequel l’arbre supplémentaire (60) est guidé à rotation par au moins un palier (71, 73, 75, 77) porté par le dispositif passif de rigidification (10).