WO2009016229A1 - Articulated pantograph device - Google Patents
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- WO2009016229A1 WO2009016229A1 PCT/EP2008/060053 EP2008060053W WO2009016229A1 WO 2009016229 A1 WO2009016229 A1 WO 2009016229A1 EP 2008060053 W EP2008060053 W EP 2008060053W WO 2009016229 A1 WO2009016229 A1 WO 2009016229A1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
- B25J9/106—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links
Definitions
- the present invention relates to an articulated device, in particular an articulated arm offering three degrees of freedom in translation, which can be implemented in a haptic interface or a robot manipulator.
- a haptic interface comprising three parallel pantographs connected at one end with a handle that can be manipulated by an operator is known from the document "A pantograph linkage Parallel Platform Master Hand Controller for Force-Reflection", G. L Long and C. Collins, pages 390 -395 in Proceedings of 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, France - May 1992.
- the ends of the pantographs opposite to that bearing the handle are connected to a mechanical transmission.
- the interface described in this document is a six degrees of freedom interface, comprising three pantographs in parallel, whose ends are fixed to a frame.
- This interface Generalized Master Controller in English terminology
- This interface is, by construction, well adapted to rotational movements, but does not allow to perform translations of large amplitude. In addition, nothing assures the homogeneity of the movements according to the different degrees of freedom from the control of the different actuators.
- US 4,437,635 discloses a device for handling a tool, this device comprises an arm formed by two pantographs in parallel, a common end carries a tool and the other ends are integral with linear actuators in three orthogonal directions from space.
- the purpose of using the two parallelograms in parallel here is to keep the orientation of the tool constant.
- a first actuator moves one end of each pantograph, a second actuator moves the other end of the pantographs.
- the third actuator supports the second actuator, the inertia of displacement in this direction is then greater, and the friction is increased.
- a robot comprising a single pantograph is also known from US 4 904 152, one of the three linear actuators also carrying one of the other two actuators.
- a pantograph with deformable parallelogram shown in FIGS. 1 and 2 is defined as a four-bar mechanism (AD, DM, CB, BE) plane, the properties of which are well known.
- the pantograph When deforming the parallelogram by actuating the joints between the bars, the pantograph deforms in its plane, while checking the following geometrical relations between the moving points with respect to each other:
- the displacements of two of the points among (A, B, M) define the displacement of the third.
- M the point usually chosen at the exit
- the displacements of the point M (dM) SO are homothetic of those of the point B ⁇ dB) with a ratio equal to k.
- the displacements of the point M (dM) SO nt also homothetic to those of the point A (dA) w ith a ratio of 1-k. This ratio is negative since k is greater than 1, which results in a turnaround of the figure as shown. If we divide the equation (eq.l) by k we get:
- Such a pantograph can be actuated from the point B, with the point A held fixed (see Figure 1), with a ratio of homothety between the relative displacements of the point B and the point M equal to k: it is the usual use of the pantograph as an enlarger.
- the pantograph can also be actuated from the point A, with the fixed point B, as shown in FIG. 2, with a homothetic ratio of 1-k between the relative displacements of the point A and the point M.
- the actuations from point A and point B can be combined to provide motion with three degrees of freedom.
- the aim of the present invention is to provide a spatial mechanism with three degrees of freedom whose movements of the exit point M (M is chosen for the rest of the sequence) are linearly related to the movements of the entry points A and B and whose actuators are fixed, for example on a frame.
- connection points of the pantograph In order for one of the connection points of the pantograph to have three independent degrees of freedom in space, it suffices to apply to the set of the other two points movements in three directions independent of space.
- ⁇ , ⁇ and ⁇ these three directions, that is to say the direction of the three actuators.
- a displacement of amplitude 1 along the axis ⁇ of B produces a displacement of amplitude k along the axis ⁇ of M.
- An amplitude displacement 1 along the axis ((respectively the axis (D) of A produces a displacement of amplitude - (k-1) along the axis ((respectively, the axis (D) of M. Which will mean that the motion will be reversed between the actuator and the active end and M.
- a displacement of amplitude 1 along the axis ⁇ of A produces a displacement of amplitude - (k-1) along the axis ⁇ of M.
- a displacement of amplitude 1 along the axis ⁇ (respectively the axis ( D) of B produces a displacement of amplitude k along the axis ⁇ (respectively the axis (D) of M.
- the object of the present invention is therefore to provide a three-dimensional device of freedom of movement offering a homogeneous movement in the three degrees of freedom and with low inertia.
- a device with three degrees of freedom in translation comprising at least two pantographs in series, the first pantograph carrying at one end an active member or working interface, the latter being movable in a first direction by a first actuator directly requesting the first pantograph, the second pantograph being directly connected to the first pantograph and biased directly in a second direction by a second actuator and in a third direction by a third actuator.
- the invention consists in moving a working end carried by a first pantograph connected directly to a linear actuator in a first direction, and transmitting the movements in the other two directions forming with the first direction three orthogonal directions by means of a second pantograph itself connected directly to a linear actuator in a second linear direction perpendicular to the first, the movement in the third direction being obtained by a third actuator.
- the actuators are then fixed, for example on an external frame and mechanically independent, i.e. no actuator is carried by another actuator.
- the third actuator is a third pantograph connected directly to the second pantograph and biased directly in a third direction by a third actuator, which allows choosing the connection points between the pantographs and the homothetic ratios of each of the pantographs to link the displacement of the active end to that of each of the actuators by identical relations.
- the amplitude of the displacement of the active end of the articulated device according to the invention in the three independent directions of the three actuators depends on the homothetic ratio of each pantograph, the location of each actuator on each pantograph, ie according to the point the pantograph to which it is connected, and the articulation of the pantographs between them.
- the homothetic ratio be the same in the three independent directions.
- a third pantograph as the third actuator.
- a first mechanism is made to independently actuate the two points of the first pantograph distinct from the active end in two directions with the same ratio of homothety and uses a third pantograph to make the third ratio of homothety equal to the ratios of homothety in the other two directions. If only two pantographs are used, and the homothety ratio is fixed in one direction, we can not make the homothetic ratios in the other two directions simultaneously equal to the first one. report, by fixing two actuators on the same pantograph, at two distinct points of the second pantograph.
- the present invention therefore mainly relates to an articulated device with three degrees of freedom in translation comprising an active end intended to interact with an external environment, a first pantograph and a second pantograph associated in series, the first pantograph being solicited directly at the level of one of its ends by a linear actuator, the second pantograph being biased at two of its ends by two actuators, the first, second and third actuators each having a direction of displacement orthogonal to the other two directions of displacement, the end active being carried by one end of the first pantograph, so that the relationship linking the movement of the active end in each of the directions of the actuators and the displacement of each of the actuators is invariable.
- the third actuator may be a pantograph itself biased at one end by an actuator, said third actuator.
- the third point of the second pantograph may be connected to the first point of the first pantograph which is not solicited directly by the first actuator, and the third point of the third pantograph may be connected to the first of the second pantograph which is not directly requested by the second actuator.
- pantographs advantageously have homothetic ratios which are linear or rational functions of each other, so that the displacement of the active end is proportional to the displacement of each of the actuators with a coefficient of proportionality equal in modulus in the three directions.
- the first pantograph having a homothety ratio equal to kl, the first actuator being connected directly to the second point of the first pantograph, and the second actuator being connected directly to the second point of the second pantograph, the second pantograph k has a homothetic ratio k2 equal to - so that
- the third pantograph can then be connected by its third point to the first point of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the second point being fixed, and the third pantograph can have a homothetic ratio k3 equal to (kl + 1) so that the linear functions connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
- the third pantograph is connected by its third point to the first point of the second pantograph, the third actuator being connected to the second point of the third pantograph, the first point of the third pantograph being fixed, and the third pantograph can have a report of homothety k3 equal to kl so that the linear functions connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
- the first pantograph having a homothetic ratio equal to k1
- the first actuator being connected directly to the second point of the first pantograph
- the second actuator being connected directly to the first point of the second pantograph
- pantograph has a homothetic ratio of k2 equal to - ⁇ - ⁇ - - so that
- the third pantograph can be connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the third point of the third pantograph, the first point A3 of the third pantograph being fixed, the third pantograph advantageously
- K linear connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
- the third pantograph is connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the third point of the third pantograph being fixed, the third pantograph has
- the first pantograph has a homothety ratio equal to kl, the first actuator being directly connected to the first point, and the second actuator being connected directly to the first point of the second pantograph, and the second pantograph having a ratio of homothety
- the third pantograph can be connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the third point of the third pantograph, the first point being fixed, the third pantograph advantageously has a homothetic ratio k3 equal to
- the third pantograph can be connected by its second point to the second point B2 of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the third point being fixed, the third pantograph has in another example a homothetic report k3 equal
- the second and third pantographs are arranged next to each other, the first pantograph extending away from the second and third pantographs.
- the connection connecting the first and the second pantograph can be performed by means of a gimbal.
- At least one of the first, second and third linear actuators may be of the pulley type, having a first and a second pulley of parallel axes around which is wound an endless flexible transmission member and a moving integral carriage of said transmission element, said carriage being connected to the at least one pantograph, the rotation in one direction of rotation or in another of the pulleys, causing the linear displacement of the carriage in the direction connecting the two pulleys.
- the pulley actuator may include a guide rail extending between the two pulleys and on which a sole of the carriage is slidably mounted.
- the present invention also relates to a robot manipulator comprising at least one articulated device according to the present invention.
- the present invention also relates to a haptic interface comprising at least one articulated device according to the present invention.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating the conventional use of a deformable parallelogram pantograph as a drawing enlarger
- FIG. 2 is a block diagram illustrating the inverted operation of a deformable parallelogram pantograph, the fixed point of the parallelogram being different from that of the parallelogram of FIG. 1,
- FIG. 3 is a block diagram illustrating the inhomogeneity of the movements of a pantograph with three degrees of freedom when an actuator is directly connected to one point of the pantograph and the two other actuators are directly connected to another point of the pantograph.
- FIG. 4 is a block diagram illustrating the inhomogeneity of the movements of a pantograph with three degrees of freedom, in which the points directly connected to an actuator and to two actuators are reversed relative to the pantograph of FIG. 3;
- FIG. 5 is a block diagram of a first embodiment of an articulated device according to the present invention comprising two pantographs,
- FIG. 6 is a block diagram of a first example of a second embodiment of an articulated device according to the invention, the articulated device comprising three pantographs in series,
- FIG. 7 is a block diagram of a second example of the second embodiment of an articulated device according to the invention.
- FIG. 8 is a schematic diagram of a third exemplary embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention.
- FIG. 9 is a perspective view of an articulated device according to the third embodiment of the present invention seen substantially from the front, where the three actuators are fixed on an external frame,
- FIG. 10 is a perspective view of a device similar to that of FIG. 9 according to a second substantially opposite angle of view seen from behind,
- FIG. 11 schematically illustrates a part of a device according to a second embodiment of the invention, using a cardan-type link
- FIG. 12 is a table summarizing the various possible configurations between three pantographs of the device according to FIG. invention, and the associated homothety ratios,
- FIG. 13 is a schematic representation of an exemplary linear actuator that can be used in the articulated device according to the invention.
- - Figure 14 is a schematic front view of a bidirectional positioner particularly suitable for articulated pantograph device;
- FIG. 15 is a perspective view of an articulated pantograph device with the positioner of FIG. 13 and that of FIG. 14. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
- first, second and third points we will designate by first, second and third points, the three aligned points of a pantograph not worn by the same bar, the second point being arranged axially between the first and the second point.
- the first point of the pantograph is the point Al
- the second point is the point Bl
- the third point the point Ml.
- Ml will also be designated the active end of the device since it is this end that will interact with the external environment.
- M1-A1M2-A2M3-A3 designates a three-pantograph mechanism, whose exit point at the first pantograph is the third point Ml, connected by its first point Al to the third point M2 of a second pantograph, even connected by its first point A2 to the third point M3 of a third pantograph, actuated by its first point A3.
- the articulated device comprises two pantographs 100 and 200 connected in series.
- this device can be designated M1-A1M2-A2-B2, which means that the device comprises two pantographs 100, 200, the first pantograph 100 homothety report kl whose exit point at Pantograph 1 level is the third point Ml, connected by its first point Al to the third point M2 of the second pantograph 200 of homothetic report k2, itself connected by its first A2 and second B2 points to actuators.
- the actuators are linear actuators each having a direction of displacement orthogonal to the directions of the other two actuators.
- the movements of the points are designated by the letter of the point.
- the ratio of homothety is kl.
- M2 k2B2 + (l-k2) A2
- M1 k1B1 + (l-k1) (k2B2 + (l-k2) A2).
- the ratio of homothety is (l-kl) k2.
- the actuators are fixed, for example on an external frame and mechanically independent.
- the articulated device comprises three pantographs 100, 200, 300 connected in series.
- the first pantograph comprises a first actuator in a direction ⁇ fixed directly to the second point Bi and this first pantograph has a homothetic ratio equal to ki, the second pantograph is connected at first point Ai of the first pantograph.
- This category of multi-pantographs is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Ai ...
- first pantograph comprises a first actuator directly attached to the point Ai and has a homothetic ratio equal to - (ki-1), and where the second pantograph is connected to the second point Bi of the first pantograph.
- This category of multi-pantograph is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Bi ...
- the multi-pantograph is of the Mi-AiM 2 -A 2 M 3 -A 3 type
- the second homothetic ratio pantograph 200 is connected to the first point.
- Ai of the first pantograph 100 by the third point M 2 and comprises an actuator in a direction ⁇ directly connected to the second point B 2 .
- the third pantograph 300 of report K3 is connected to the first point A2 of the second pantograph 200 by its third point M3.
- the second point B3 of the third pantograph 300 is fixed.
- This device with three pantographs corresponds to the device with two pantographs of FIG. 5, in which the third actuator A2 has been replaced by a third pantograph 300 connected directly to an actuator in A3.
- the third point M 3 of the third pantograph is connected to the first point A 2 of the second pantograph, and the third actuator in a direction est is connected to the first point A 3 of the third pantograph, the second point B 3 of the third third pantograph being fixed.
- k 3 equal to (ki + 1), so that:
- FIG. 7 illustrates a second exemplary embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention, of the Mi-AiM 2 -A 2 M 3 -B 3 type .
- the first two pantographs and their respective actuators are positioned as in the example of Figure 6, with the third point M 3 of the third pantograph connected to the first point A 2 of the second pantograph, but the third actuator in a direction ⁇ is connected to the second point B 3 of the third pantograph, the first point A 3 of the third pantograph being fixed.
- FIG. 8 illustrates a third exemplary embodiment of a triple pantograph according to the invention, of the Mi-AiM 2 -B 2 B 3 -M 3 type.
- the first two pantographs are hinged together as in FIG. 5, but the second actuator is directly connected to the first point A 2 of the second pantograph.
- the homothety ratio k 2 equal to (2.ki-1) / (ki-1) so that the linear functions connecting the displacement of the active end to that of each of the first and second actuators have the same proportionality coefficient equal to ki in module:
- the second point B 3 of the third pantograph is connected to the point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the third point M 3 of the third pantograph, the first point A 3 of the third pantograph being fixed.
- the homothety ratio k 3 equal to (2k r l) / (ki), so that:
- the configuration of the first two pantographs is identical to that of the third embodiment of FIG. realization, and the third pantograph is also connected by its second point B 3 to the second point B 2 of the second pantograph, but the third actuator is attached to the first point A 3 of the third pantograph, the third point M 3 of the third pantograph being fixed.
- the homothety ratio k 3 equal to (2ki-1) / (ki-1), so that:
- the first pantograph comprises a first actuator fixed directly to the point Ai and has a ratio of homothety equal to - (k r 1), and where the second pantograph is connected to the second point Bi of the first pantograph.
- This category of multi-pantograph is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Bi ...
- the first two pantographs are articulated to each other by a connection between the second point Bi of the first pantograph, and the third point M 2 of the second pantograph, and the second actuator is directly connected to the first point A 2 of the second pantograph.
- k 2 equal to (2.ki-1) / (ki) so that the linear functions connecting the displacement of the active end to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to k r l in module:
- the second point B 3 of the third pantograph is connected to the second point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the third point M 3 of the third pantograph, the first point A 3 third pantograph being fixed.
- the homothety ratio k 3 equal to (2.k r l) / (k r l), so that:
- the type Mi-BiM 2 _B 2 B 3 -A 3 / the first two pantographs are hinged together and actuated in a similar manner the second point B 3 of the third pantograph is connected to the second point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the first point A 3 of the third pantograph, the third point M 3 of the third pantograph being fixed.
- the homothety ratio k 3 equal to (2.k r l) / (ki), so that:
- FIG. 9 to 11 we can see an embodiment of the device according to the third embodiment of the present invention, comprising an articulated member 2 mounted on a frame.
- the articulated limb 2 has an end 6, called thereafter active end.
- This can, in the case of a robot manipulator, carry a tool, for example a clamp, or, in the case of a haptic interface, for example carry a handle to control a robot manipulator, for example the type of the invention.
- the arm comprises three pantographs 100, 200, 300 with deformable parallelograms which will be described successively.
- the first pantograph 100 comprises a first pair of arms 102, 104 parallel to each other and a second pair of arms 106, 108 parallel to each other.
- the arm 102 is rotatably mounted by a first end 102.1 on a first end 106.1 of the arm 106
- the arm 104 is rotatably mounted by a first end 104.1 on the arm 106 between the end 106.1 connected to the arm 102 and a end 106.2 free of the arm 106 and forming the active end 6.
- the arm 108 is, in turn, rotatably mounted by a first end 108.1 on a second end 104.2 of the arm 104, and by a second end 108.2, on the arm 102 between the first end 102.1 and a second end 102.2.
- the articulation between the arm 102 and the arm 106 is marked Di.
- the articulation between the arm 102 and the arm 108 is marked Ci.
- the articulation between the arm 104 and the arm 108 is marked Bi.
- the articulation between the arm 104 and the arm 106 is marked Ei.
- the active end 6 is marked Mi.
- the device according to the present invention also comprises a linear actuator 110 connected to the joint Bi.
- the linear actuator 110 is intended to move the articulation Bi in the first direction Y.
- the linear actuator 110 may be of the pulley type. It can also be, for example rack or worm type.
- the first pantograph 100 and the second pantograph 200 are connected at one end 102.2 of the arm 102 and one end 202.2 of an arm 202 in the example shown by a ball joint 8 providing a great freedom of movement between the two pantographs 100, 200.
- the articulation between the first 100 and the second 200 pantographs is marked Ai.
- the first pantograph 100 makes it possible to perform a homothety of center B1 and of ratio ki, the mathematical expression of which is as follows:
- a 1 M 1 U 1 A 1 B 1.
- any displacement applied to the point Bi when Ai is fixed, causes a displacement at the point Mi of the same direction and amplitude proportional to the displacement value of the point Bi, the proportionality coefficient being equal to ki: the ratio of homothety between Bi and Mi.
- any displacement of a distance y in Bi in the direction Y, caused by the first actuator 110 moves the point Mi by a distance ki.y cf (equation I) in the direction Y.
- the second pantograph 200 comprises a first pair of arms 202, 204 parallel to each other and a second pair of arms 206, 208 parallel to each other.
- the arm 202 is rotatably mounted by a first end 202.1 on a first end 206.1 of the arm 206
- the arm 204 is rotatably mounted by a first end 204.1 on the arm 206 between the end 206.1 connected to the arm 202 and a other end 206.2 of the arm 206.
- the arm 208 is, in turn, rotatably mounted by a first end 208.1 on a second end 204.2 of the arm 204 and a second end 208.2 on the arm 202 between the first end 202.1 and a second end 202.2 connected to the end 102.2 of the arm 102 of the first pantograph 100.
- the articulation between the arm 202 and the arm 206 is marked D 2 .
- the articulation between the arm 202 and the arm 208 is marked E 2 .
- the articulation between the arm 204 and the arm 208 is marked B 2 .
- a second linear actuator 210 is provided at the end 206.2 of the arm 202, the articulation between the arm 206 and the linear actuator is designated A 2 .
- the second actuator 210 ensures a displacement of the articulation A 2 in a direction X orthogonal to the direction Y of the first actuator 110.
- the actuator 210 may be of the same type as the first actuator 110, it may be identical or not.
- the homothety ratio k 2 of the second pantograph 200 of center B 2 is defined as follows:
- a 2 M 2 k 2 .A 2 B 2.
- the displacement of the point Mi in the direction X is then of amplitude (M-Mk 2 -I).
- the third pantograph 300 comprises a first pair of arms 302, 304 parallel to each other and a second pair of arms 306, 308 parallel to each other.
- the arm 302 is rotatably mounted by a first end 302.1 on a first end 306.1 of the arm 306, the arm 304 is rotatably mounted by a first end 304.1 on the arm 306 between the end 306.1 connected to the arm 302 and an arm 306. end 306.2 of the arm 306 connected to the end 206.2 of the arm 202 of the second pantograph 200.
- the arm 308 is rotatably mounted by a first end 308.1 on a second end 304.2 of the arm 304 and a second end 308.2 on the arm 302 between the first end 302.1 and a second end 302.2.
- the articulation between the arm 302 and the arm 306 is marked D 3 .
- the articulation between the arm 302 and the arm 308 is marked E 3 .
- the articulation between the arm 304 and the arm 308 is marked B 3 .
- the articulation between the arm 304 and the arm 306 is marked C 3 .
- the second 200 and the third 300 pantographs are arranged substantially parallel to each other.
- the arm 306 is rotatably mounted on the frame of the device substantially facing the movable articulation A 2 and fixed relative to the articulation A 2 .
- the hinge B 3 is disposed vis-à-vis the joint B 2 and integral in motion thereof.
- the device comprises a third linear actuator 310 of Z direction, orthogonal to the first Y and second X directions of the first 110 and second 210 actuators, connected to the end 302.2 of the arm 302, the connection being marked M 3 .
- the third actuator 310 then provides a displacement along the Z axis, vertical in the example shown.
- the homothety ratio k 3 of the third pantograph 300 of center B2 is defined as follows:
- a 3 M 3 Ic 3 A 3 B 3 .
- the articulation M 3 is moved, the articulation B 3 being mobile and the articulation A 3 being fixed.
- the articulation M 3 causes a displacement in B 3 of an amplitude - xz in the k 3 direction Z.
- the universal joint 10 comprises a fork 12 mounted rotatably at the end of the arm 102 of the first pantograph 100 and a second fork 14 rotatably mounted on the arm 202 of the second pantograph 200.
- This embodiment allows the occurrence of a self-alignment phenomenon to ensure the function of a ball joint with, in addition, a movement of at least one half-solid angle, which increases the working space .
- the device according to the present invention makes it possible to realize a robot manipulator or haptic interface whose relations between the actuators and the active end are linear and invariable regardless of the position of the end Mi.
- these relationships can in in addition to being made all identical, ie having the same coefficient of proportionality.
- the triple pantograph used is of the Mi-AiM 2 -B 2 B 3 -M 3 type .
- We choose a first pantograph with a value ki 2.
- a linear actuator that can be implemented in a device of the present invention.
- the actuator 400 comprises a first 402 and a second pulley 404 of the same diameter disposed at a distance from one another, the axes of rotation of the pulleys being parallel.
- a belt 406 is wrapped around the pulleys 402, 404 and is driven by them.
- the actuator also comprises a carriage 408 integral in motion of the belt 406 and is able to move between the two pulleys 402, 404 in an axial direction W.
- guide means 410 of the carriage 408 in the direction W are provided. They are formed, in the example shown, by a rail 410 extending between the two pulleys 402, 404 of axis parallel to the axis W, and on which a sole 409 of the carriage 408 slides, the sole 409 is provided of a form for receiving the rail 410.
- the carriage 408 comprises for example a passage 412 of dimensions adjusted to those of the rail 410.
- the carriage can be attached to the arm 206 of the second pantograph by the Al joint.
- An actuator could be provided with pulleys of different diameter, it should in this case pulleys rotating at different speeds.
- the actuator 400 can also be used for the actuators 110 and 310.
- the positioner 512 comprises two pulleys 516, 518 of parallel axes, the pulley centers 516, 518 being aligned in a first direction X1. These axes are orthogonal to the direction Xl.
- Each pulley 516, 518 is rotatably mounted on a frame 520.
- the positioner 512 also comprises a belt 20 wound around the pulleys 516, 518. It will be understood that the belt 520 forming transmission means may also be formed, for example by a chain.
- pulleys are able to be rotated by external means, for example by one or more motors or manually, to move the belt 520. They will be called driving pulleys thereafter.
- the positioner 512 also comprises a carriage 522 comprising four return pulleys 524.1 to 524.4 in the example shown, mounted free to rotate on the carriage and around which the belt 520 travels, a rod 526 of longitudinal axis Z1 mounted to move in translation according to its axis Z1 on the carriage 522, a first end 526.1 is provided with a pulley 528 rotatably mounted on the rod 526, and a second longitudinal end 526.2 is connected to the point F.
- the end F of the rod forms the active end of the positioner intended to be connected to a member to move.
- the carriage 522 has in the example shown substantially in the shape of a rectangular parallelepiped whose mediators are parallel to the axes Xl and Zl.
- the pulleys 524.1 to 524.4 are mounted at the four corners of the carriage 522.
- the belt 520 has a first end 520.1 fixed to the rod 526 at its second longitudinal end 526.2 and a second end 520.2 also fixed to the second longitudinal end 526.2 of the rod 526.
- the belt follows the following path: it is fixed by its end 520.1 to the second end 526.2 of the rod 526, runs along the axis Z1 to the deflection pulley 524.1, then travels along the axis X1 to the drive pulley 516, wraps around it to start in the opposite direction in the direction of the axis Xl to to the pulley 524.2.
- the belt 520 then bifurcates at a right angle and travels to the pulley 528 mounted on the rod 526, starts in the opposite direction and travels to the pulley 524.3, where it forks at right angles and travels along the Xl axis up to the drive pulley 518 on which it winds to start in the opposite direction along the axis Xl. It then wraps around the pulley 524.4, forks at right angles, travels along the axis Z1 to the second end 526.2 of the rod 526 to which it is attached.
- the belt 520 then substantially forms a cross.
- the point H moves along the axis X1 only, along the axis Z1 only or in an intermediate direction.
- the drive pulleys 516, 518 are rotatably mounted on a chassis comprising a post 530 extending between the two pulleys. The amount advantageously forms a guide rail for the carriage 522, as is particularly visible in FIG. 14.
- the rod 526 is slidably mounted in a groove of the carriage, the groove being of axis Z1, thereby forming a guide rail for the rod 526.
- Tx (H) - (R516 ⁇ 516 + R518 ⁇ 518) / 2 (I)
- TZ (H) - (R16 ⁇ 516 - R18 ⁇ 518) / 2 (II) R516, R518 being respectively the spokes of the driving pulleys 516, 518,
- A516, ⁇ 518 being respectively the rotation angles of the pulleys 516, 518.
- the masses of the actuators do not intervene in the inertia of the system because they are fixed.
- TxI (H) - R '( ⁇ 516 + ⁇ 518) / 2 (I)
- a displacement of H along the axis X1 only is obtained by rotating the two drive pulleys 516, 518 in the same direction and at an angle of the same amplitude.
- a displacement along the Zl axis only is obtained by rotating the two drive pulleys 516, 518 in opposite directions and at an angle of the same amplitude.
- FIG. 14 shows a pantograph device actuated by a positioner according to FIG. 13 and a positioner according to FIG. 14.
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Abstract
Description
DISPOSITIF ARTICULE A PANTOGRAPHES ARTICULATED PANTOGRAPHER DEVICE
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEURTECHNICAL FIELD AND PRIOR ART
La présente invention se rapporte à un dispositif articulé, notamment un bras articulé offrant trois degrés de liberté en translation, pouvant être mis en œuvre dans une interface haptique ou un robot télémanipulateur.The present invention relates to an articulated device, in particular an articulated arm offering three degrees of freedom in translation, which can be implemented in a haptic interface or a robot manipulator.
Une interface haptique comportant trois pantographes en parallèle reliés par une extrémité comportant une poignée manipulable par un opérateur est connu du document « A pantograph linkage Parallel Platform Master Hand Controller for Force-Reflection », G. L Long and C. L Collins, pages 390-395 dans Proceedings of 1992 IEEE International Conférence on Robotics and Automation , Nice, France - May 1992. Les extrémités des pantographes opposées à celle portant la poignée sont reliées à une transmission mécanique. L'interface décrite dans ce document est une interface à six degrés de liberté, comprenant trois pantographes en parallèle, dont les extrémités sont fixées à un bâti. Cette interface (Generalized Master Controller en terminologie anglo- saxonne) est, par construction, bien adaptée aux mouvements de rotation, mais ne permet pas d'effectuer des translations de grande amplitude. De plus, rien n'assure l'homogénéité des déplacements selon les différents degrés de liberté à partir du pilotage des différents actionneurs.A haptic interface comprising three parallel pantographs connected at one end with a handle that can be manipulated by an operator is known from the document "A pantograph linkage Parallel Platform Master Hand Controller for Force-Reflection", G. L Long and C. Collins, pages 390 -395 in Proceedings of 1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nice, France - May 1992. The ends of the pantographs opposite to that bearing the handle are connected to a mechanical transmission. The interface described in this document is a six degrees of freedom interface, comprising three pantographs in parallel, whose ends are fixed to a frame. This interface (Generalized Master Controller in English terminology) is, by construction, well adapted to rotational movements, but does not allow to perform translations of large amplitude. In addition, nothing assures the homogeneity of the movements according to the different degrees of freedom from the control of the different actuators.
Le document US 4 437 635 décrit un dispositif permettant la manipulation d'un outil, ce dispositif comporte un bras formé par deux pantographes en parallèle, dont une extrémité commune porte un outil et les autres extrémités sont solidaires d'actionneurs linéaires selon trois directions orthogonales de l'espace. L'utilisation des deux parallélogrammes en parallèle a pour objet ici de maintenir constante l'orientation de l'outil. Un premier actionneur déplace une extrémité de chaque pantographe, un deuxième actionneur déplace l'autre extrémité des pantographes. Le troisième actionneur supporte le deuxième actionneur, l'inertie de déplacement dans cette direction est alors plus importante, et les frottements sont augmentés.US 4,437,635 discloses a device for handling a tool, this device comprises an arm formed by two pantographs in parallel, a common end carries a tool and the other ends are integral with linear actuators in three orthogonal directions from space. The purpose of using the two parallelograms in parallel here is to keep the orientation of the tool constant. A first actuator moves one end of each pantograph, a second actuator moves the other end of the pantographs. The third actuator supports the second actuator, the inertia of displacement in this direction is then greater, and the friction is increased.
Un robot comportant un seul pantographe est également connu du document US 4 904 152, un des trois actionneurs linéaires portant également un des deux autres actionneurs.A robot comprising a single pantograph is also known from US 4 904 152, one of the three linear actuators also carrying one of the other two actuators.
Il a été proposé, notamment pour résoudre ce problème, un robot parallèle appelé « orthoglide » comportant trois actionneurs linéaires fixes déplaçant des bras articulés se reliant en une extrémité de travail.It has been proposed, in particular to solve this problem, a parallel robot called "orthoglide" comprising three fixed linear actuators moving articulated arms connecting to a working end.
Cependant la relation reliant le mouvement linéaire de l'actionneur et celui de l'interface de travail n'est pas invariable en fonction de la position de l'interface de travail. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif articulé pour télémanipulateur ou interface haptique à trois degrés de liberté en translation, ayant une relation linéaire invariable entre la position de chaque actionneur et celle de l'interface de travail, permettant d'avoir une homogénéité du comportement du dispositif dans les trois directions de l'espace. Un second but de l'invention est de proposer un dispositif articulé actionné à partir d'actionneurs fixes pour minimiser les masses mobiles.However, the relation connecting the linear movement of the actuator and that of the working interface is not invariable as a function of the position of the working interface. It is therefore an object of the present invention to provide an articulated device for manipulator or haptic interface with three degrees of freedom in translation, having an invariable linear relationship between the position of each actuator and that of the working interface, allowing to have a homogeneity of the behavior of the device in the three directions of the space. A second object of the invention is to provide an articulated device actuated from fixed actuators to minimize the moving masses.
L'utilisation d'un simple pantographe à parallélogramme déformable semble intéressante, mais ne permet pas de résoudre simultanément tous ces problèmes, pour un système à trois degrés de liberté, comme nous allons l'expliquer maintenant en relation avec les figures 1 à 4 représentant des dispositifs de l'état de la technique.The use of a simple pantograph deformable parallelogram seems interesting, but does not solve all these problems simultaneously, for a system with three degrees of freedom, as we will now explain in relation to Figures 1 to 4 representing devices of the state of the art.
Dans la suite de la présente demande, un pantographe à parallélogramme déformable représenté sur les figures 1 et 2, est défini comme un mécanisme à quatre barres (AD, DM, CB, BE) plan, dont les propriétés sont bien connues. Notamment, les segments CD, DE, EB et BC forment un parallélogramme (CD = BE, CB = DE) et les points A, B et M sont alignés, de manière à ce que le point M effectue une trajectoire linéaire en fonction des mouvements de A ou de B. Par construction du parallélogramme, on a : In the remainder of the present application, a pantograph with deformable parallelogram shown in FIGS. 1 and 2 is defined as a four-bar mechanism (AD, DM, CB, BE) plane, the properties of which are well known. In particular, the segments CD, DE, EB and BC form a parallelogram (CD = BE, CB = DE) and the points A, B and M are aligned, so that the point M performs a linear trajectory according to the movements of A or B. By construction of the parallelogram, we have:
On nomme k ce rapport. Les longueurs de chaque barre sont fixes. On considère par la suite que k est supérieur à 1 (A et C ne sont pas confondus). Les points de connexion externe (port) sont les points A, B et M.This report is named. The lengths of each bar are fixed. It is later assumed that k is greater than 1 (A and C are not merged). The external connection points (port) are points A, B and M.
Lorsqu'on déforme le parallélogramme par actionnement des articulations entre les barres, le pantographe se déforme dans son plan, tout en vérifiant les relations géométriques suivantes entre les points mobiles les uns par rapport aux autres :When deforming the parallelogram by actuating the joints between the bars, the pantograph deforms in its plane, while checking the following geometrical relations between the moving points with respect to each other:
JD ~DM JD + ~DM , AC DE AC + DEJD ~ DM JD + ~ DM, AC FROM AC + FROM
Puisque DE = CB on en déduit r — ==r- = kSince DE = CB we deduce r - == r - = k
AC + CB d'où la relation AM = kAB du pantographe entre les points mobiles A, B et M.AC + CB hence the relation AM = kAB of the pantograph between the moving points A, B and M.
Les déplacements relatifs des points A, B et M sont liés par la relation suivante : d~M -d~A-k{dB-dA) = ZThe relative displacements of the points A, B and M are linked by the following relation: d ~ M -d ~ Ak {dB-dA) = Z
dM -ItJB - (I - k)dλ = 0 (eq.i)dM -ItJB - (I - k) dλ = 0 (eq .i)
Les déplacements de deux des points parmi (A, B, M) définissent le déplacement du troisième. En considérant M le point habituellement choisi en sortie, les déplacements du point M ( dM ) SOnt homothétiques de ceux du point B { dB ) avec un rapport égal à k. Les déplacements du point M ( dM ) SOnt également homothétiques de ceux du point A ( dA) avec un rapport égal à 1-k. Ce rapport est négatif puisque k est supérieur à 1, il en résulte alors un retournement de figure comme cela est représenté. Si l'on divise l'équation (eq.l) par k on obtient :The displacements of two of the points among (A, B, M) define the displacement of the third. Considering M the point usually chosen at the exit, the displacements of the point M (dM) SO are homothetic of those of the point B {dB) with a ratio equal to k. The displacements of the point M (dM) SO nt also homothetic to those of the point A (dA) w ith a ratio of 1-k. This ratio is negative since k is greater than 1, which results in a turnaround of the figure as shown. If we divide the equation (eq.l) by k we get:
1 — - → C\ — k} — • - -dM - dB -± — -1- JA = O k k1 - - → C \ - k} - • - -dM - dB - ± - - 1 - JA = O kk
Dans ce cas, les mouvements de B sont reliés à ceux de M par le rapport 1/k : cela correspond au mode inverse ou réducteur.In this case, the movements of B are connected to those of M by the ratio 1 / k: this corresponds to the inverse or reducing mode.
On remarque également que si dB = dA = d alors dM = d . Par la suite, pour simplifier l'écriture dM sera noté M.We also note that if dB = dA = d then dM = d. Subsequently, to simplify the writing dM will be noted M.
Un tel pantographe peut être actionné à partir du point B, avec le point A maintenu fixe (cf. figure 1), avec un rapport d'homothétie entre les déplacements relatifs du point B et du point M égal à k : il s'agit de l'utilisation habituelle du pantographe comme agrandisseur. Le pantographe peut aussi être actionné à partir du point A, avec le point B maintenu fixe, comme représenté sur la figure 2, avec un rapport d'homothétie de 1-k entre les déplacements relatifs du point A et du point M. Les actionnements à partir du point A et du point B peuvent être combinés pour fournir un mouvement à trois degrés de liberté.Such a pantograph can be actuated from the point B, with the point A held fixed (see Figure 1), with a ratio of homothety between the relative displacements of the point B and the point M equal to k: it is the usual use of the pantograph as an enlarger. The pantograph can also be actuated from the point A, with the fixed point B, as shown in FIG. 2, with a homothetic ratio of 1-k between the relative displacements of the point A and the point M. The actuations from point A and point B can be combined to provide motion with three degrees of freedom.
Nous rappelons que le but de la présente invention est d'offrir un mécanisme spatial à trois degrés de liberté dont les déplacements du point de sortie M (on choisit M pour toute la suite) sont reliés linéairement aux déplacements des points d'entrée A et B et dont les actionneurs sont fixes, par exemple sur un bâti.We recall that the aim of the present invention is to provide a spatial mechanism with three degrees of freedom whose movements of the exit point M (M is chosen for the rest of the sequence) are linearly related to the movements of the entry points A and B and whose actuators are fixed, for example on a frame.
Pour qu'un des points de connexion du pantographe ait trois degrés de liberté indépendants dans l'espace, il suffit d'appliquer à l'ensemble des deux autres points des mouvements suivant trois directions indépendantes de l'espace. Nous allons noter ©, © et © ces trois directions, c'est-à-dire la direction des trois actionneurs.In order for one of the connection points of the pantograph to have three independent degrees of freedom in space, it suffices to apply to the set of the other two points movements in three directions independent of space. We will note ©, © and © these three directions, that is to say the direction of the three actuators.
Il est à noter qu'il n'est pas nécessaire de choisir les directions dans l'espace. Elles sont interchangeables. En outre, quels que soient les déplacements de A et B dans l'espace les points A, B, C, D, E, M restent coplanaires. Mais ce plan peut tourner autour de la droite AB sans changer la position de M.It should be noted that it is not necessary to choose directions in space. They are interchangeable. Moreover, whatever the displacements of A and B in space the points A, B, C, D, E, M remain coplanar. But this plane can turn around the right AB without changing the position of M.
Il y a plusieurs façons possibles de répartir les trois mouvements de translation dans des directions bien définies aux points A et B. On notera P(Φ) le déplacement du point P suivant la directionThere are several possible ways to divide the three translational movements in well defined directions at points A and B. Note P (Φ) the displacement of the point P in the direction
©, resp. P(@)et P(®)suivant les directions © et (D.©, resp. P (@) and P (®) following the directions © and (D.
1) © en B, © et © en A alors1) © in B, © and © in A then
M = k.B(©)+ (l-k).(A(©)+A(®))M = k.B ()) + (l-k). (A ()) + A ()))
2) © en A, © et ® en B alors M = (l-k).A(©)+ k.(B(©)+B(®))2) © in A, © and ® in B so M = (l-k) .A (©) + k. (B (©) + B (®))
3) ©, © et © en A alors3) ©, © and © in A then
M = (l-k).(A(Φ)+A(©)+A(®))M = (l-k). (A (Φ) + A ()) + A ()))
4) ©, © et © en B alors4) ©, © and © in B then
M = k.(B(Φ)+B(©)+B(®)) Les cas 3) et 4) qui consistent à déplacer un seul point suivant trois directions indépendantes avec des actionneurs reliés directement à la base ne sont pas réalisables simplement.M = k. (B (Φ) + B (©) + B (®)) Cases 3) and 4) that consist of moving a single point in three independent directions with actuators connected directly to the base are not feasible simply.
Par exemple, sur la figure 3, nous avons choisi d'appliquer un déplacement suivant un seul axe (axe ©) au point B et suivant deux axes perpendiculaires (© et ©) au point A.For example, in Figure 3, we chose to apply a displacement along a single axis (axis ©) at point B and along two perpendicular axes (© and ©) at point A.
Un déplacement d'amplitude 1 suivant l'axe © de B produit un déplacement d'amplitude k suivant l'axe © de M. Un déplacement d'amplitude 1 suivant l'axe © (respectivement l'axe (D) de A produit un déplacement d'amplitude -(k-1) suivant l'axe © (respectivement, l'axe (D) de M. Ce qui signifiera que le mouvement sera inversé entre l'actionneur et l'extrémité active et M. Dans la configuration standard d'un pantographe tel que présenté en figure 3 avec un actionneur suivant l'axe © au point B et deux actionneurs selon les axes perpendiculaires © et © placés au point A, il reste à fournir un moyen pour que les actionneurs © et © soient fixes, et que les déplacements du point M aient le même rapport d'homothétie dans les trois directions ®, © et ®.A displacement of amplitude 1 along the axis © of B produces a displacement of amplitude k along the axis © of M. An amplitude displacement 1 along the axis ((respectively the axis (D) of A produces a displacement of amplitude - (k-1) along the axis ((respectively, the axis (D) of M. Which will mean that the motion will be reversed between the actuator and the active end and M. In the standard configuration of a pantograph as shown in Figure 3 with an actuator along the axis © at point B and two actuators along the perpendicular axes © and © placed at point A, it remains to provide a means for the actuators © and © to be fixed, and that the displacements of the point M have the same ratio of homothety in the three directions ®, © and ®.
De manière similaire, sur la figure 4, nous avons choisi d'appliquer un déplacement suivant un seul axe (axe ©) au point A et suivant deux axes perpendiculaires (© et (D) au point B.Similarly, in FIG. 4, we chose to apply a displacement along a single axis (axis)) at point A and following two perpendicular axes (et and (D) at point B.
Un déplacement d'amplitude 1 suivant l'axe © de A produit un déplacement d'amplitude -(k-1) suivant l'axe © de M. Un déplacement d'amplitude 1 suivant l'axe © (respectivement l'axe (D) de B produit un déplacement d'amplitude k suivant l'axe © (respectivement l'axe (D) de M.A displacement of amplitude 1 along the axis © of A produces a displacement of amplitude - (k-1) along the axis © of M. A displacement of amplitude 1 along the axis © (respectively the axis ( D) of B produces a displacement of amplitude k along the axis © (respectively the axis (D) of M.
Aucun des cas de figures illustrés par les figures 3 et 4 ne permet donc pas de répartir trois degrés de liberté sur deux points d'actionnement d'un pantographe simple et d'obtenir un déplacement homogène (avec le même coefficient de proportionnalité) dans les trois directions.None of the cases illustrated in FIGS. 3 and 4 therefore makes it possible to distribute three degrees of freedom over two operating points of a single pantograph and to obtain a homogeneous displacement (with the same coefficient of proportionality) in the three directions.
Afin de remédier au problème de non homogénéité, il a été proposé des actionneurs utilisant différents réducteurs adaptés, pour compenser la différence de rapport entre les mouvements appliqués en A et ceux en B, et pour obtenir des mouvements homogènes en trois dimensions au point M .In order to remedy the problem of inhomogeneity, it has been proposed actuators using different adapted reducers, to compensate for the difference in ratio between the movements applied in A and those in B, and to obtain homogeneous movements in three dimensions at the point M.
Le but de la présente invention est donc d'offrir un dispositif à trois de grés de liberté offrant un déplacement homogènes dans les trois degrés de liberté et offrant une faible inertie. EXPOSÉ DE L'INVENTIONThe object of the present invention is therefore to provide a three-dimensional device of freedom of movement offering a homogeneous movement in the three degrees of freedom and with low inertia. STATEMENT OF THE INVENTION
Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif à trois degrés de liberté en translation comportant au moins deux pantographes en série, le premier pantographe portant à une extrémité un organe actif ou interface de travail, ce dernier étant mobile dans une première direction par un premier actionneur sollicitant directement le premier pantographe, le deuxième pantographe étant relié directement au premier pantographe et sollicité directement selon une deuxième direction par un deuxième actionneur et selon une troisième direction par un troisième actionneur. En d'autres termes, l'invention consiste à déplacer une extrémité de travail portée par un premier pantographe relié directement à un actionneur linéaire selon une première direction, et à transmettre les mouvements selon les deux autres directions formant avec la première direction trois directions orthogonales, par l'intermédiaire d'un deuxième pantographe relié lui-même directement à un actionneur linéaire selon une deuxième direction linéaire perpendiculaire à la première, le mouvement selon la troisième direction étant obtenu par un troisième actionneur.The previously stated goal is achieved by a device with three degrees of freedom in translation comprising at least two pantographs in series, the first pantograph carrying at one end an active member or working interface, the latter being movable in a first direction by a first actuator directly requesting the first pantograph, the second pantograph being directly connected to the first pantograph and biased directly in a second direction by a second actuator and in a third direction by a third actuator. In other words, the invention consists in moving a working end carried by a first pantograph connected directly to a linear actuator in a first direction, and transmitting the movements in the other two directions forming with the first direction three orthogonal directions by means of a second pantograph itself connected directly to a linear actuator in a second linear direction perpendicular to the first, the movement in the third direction being obtained by a third actuator.
Les actionneurs sont alors fixes, par exemple sur un bâti externe et mécaniquement indépendants, i.e. aucun actionneur n'est porté par un autre actionneur.The actuators are then fixed, for example on an external frame and mechanically independent, i.e. no actuator is carried by another actuator.
Par ailleurs, on peut relier de manière simple par une relation qui s'exprime par une fonction linéaire, le déplacement de l'extrémité active à celui de chaque actionneur, en fonction des points de liaison des pantographes entre eux et des rapports d'homothétie de chaque pantographe, cette relation étant invariable quelle que soit la position prise par l'extrémité active.Moreover, it is possible to simply connect by a relation expressed by a linear function, the displacement of the active end to that of each actuator, as a function of the connection points of the pantographs with each other and of the homothety ratios. of each pantograph, this relation being invariable regardless of the position taken by the active end.
Une telle structure permet en effet de minimiser la taille et le couple de chaque actionneur, d'utiliser le même type d'actionneur pour chaque direction et de réduire le poids total de la structure. De manière particulièrement avantageuse, le troisième actionneur est un troisième pantographe relié directement au deuxième pantographe et sollicité directement selon une troisième direction par un troisième actionneur, ce qui permet en choisissant les points de liaison entre les pantographes et les rapports d'homothétie de chacun des pantographes de relier le déplacement de l'extrémité active à celui de chacun des actionneurs par des relations identiques.Such a structure makes it possible to minimize the size and the torque of each actuator, to use the same type of actuator for each direction and to reduce the total weight of the structure. In a particularly advantageous manner, the third actuator is a third pantograph connected directly to the second pantograph and biased directly in a third direction by a third actuator, which allows choosing the connection points between the pantographs and the homothetic ratios of each of the pantographs to link the displacement of the active end to that of each of the actuators by identical relations.
Dans ces conditions, un déplacement identique de chacun des actionneurs ©, © et © provoquera un déplacement identique de l'extrémité active dans chacune des directions Φ, © et (D.Under these conditions, an identical displacement of each of the actuators ©, © and © will cause an identical displacement of the active end in each of the directions Φ, © and (D.
Plusieurs combinaisons sont ainsi possibles, et rentrent dans le cadre de la présente invention.Several combinations are thus possible, and are within the scope of the present invention.
L'amplitude du déplacement de l'extrémité active du dispositif articulé selon l'invention dans les trois directions indépendantes des trois actionneurs dépend du rapport d'homothétie de chaque pantographe, de l'emplacement de chaque actionneur sur chaque pantographe, i.e. suivant le point du pantographe auquel il est relié, et de l'articulation des pantographes entre eux.The amplitude of the displacement of the active end of the articulated device according to the invention in the three independent directions of the three actuators depends on the homothetic ratio of each pantograph, the location of each actuator on each pantograph, ie according to the point the pantograph to which it is connected, and the articulation of the pantographs between them.
Il est particulièrement souhaitable que le rapport d'homothétie soit le même dans les trois directions indépendantes. Cela est rendu possible en utilisant un troisième pantographe comme troisième actionneur. En effet, à l'aide des deux premiers pantographes en série, on réalise un premier mécanisme permettant d'actionner de façon indépendante les deux points du premier pantographes distinct de l'extrémité active dans deux directions avec le même rapport d'homothétie et on utilise un troisième pantographe pour rendre le troisième rapport d'homothétie égal aux rapports d'homothétie dans les deux autres directions. Si on n'utilise que deux pantographes, et que l'on fixe le rapport d'homothétie dans une direction, on ne peut pas rendre les rapports d'homothétie dans les deux autres directions simultanément égaux au premier rapport, en fixant deux actionneurs sur un même pantographe, en deux points distincts du deuxième pantographe.It is particularly desirable that the homothetic ratio be the same in the three independent directions. This is made possible by using a third pantograph as the third actuator. Indeed, with the aid of the first two pantographs in series, a first mechanism is made to independently actuate the two points of the first pantograph distinct from the active end in two directions with the same ratio of homothety and uses a third pantograph to make the third ratio of homothety equal to the ratios of homothety in the other two directions. If only two pantographs are used, and the homothety ratio is fixed in one direction, we can not make the homothetic ratios in the other two directions simultaneously equal to the first one. report, by fixing two actuators on the same pantograph, at two distinct points of the second pantograph.
La présente invention a alors principalement pour objet un dispositif articulé à trois degrés de liberté en translation comportant une extrémité active destinée à interagir avec un environnement extérieur, un premier pantographe et un deuxième pantographe associés en série, le premier pantographe étant sollicité directement au niveau d'une de ses extrémités par un actionneur linéaire, le deuxième pantographe étant sollicité au niveau de deux de ses extrémités par deux actionneurs , les premier, deuxième et troisième actionneurs ayant chacun une direction de déplacement orthogonale aux deux autres directions de déplacement, l'extrémité active étant portée par une extrémité du premier pantographe, de sorte que la relation liant le déplacement de l'extrémité active dans chacune des directions des actionneurs et le déplacement de chacun des actionneurs soit invariable. Le troisième actionneur peut être un pantographe lui-même sollicité à une de ses extrémité par un actionneur, dit troisième actionneur.The present invention therefore mainly relates to an articulated device with three degrees of freedom in translation comprising an active end intended to interact with an external environment, a first pantograph and a second pantograph associated in series, the first pantograph being solicited directly at the level of one of its ends by a linear actuator, the second pantograph being biased at two of its ends by two actuators, the first, second and third actuators each having a direction of displacement orthogonal to the other two directions of displacement, the end active being carried by one end of the first pantograph, so that the relationship linking the movement of the active end in each of the directions of the actuators and the displacement of each of the actuators is invariable. The third actuator may be a pantograph itself biased at one end by an actuator, said third actuator.
Le troisième point du second pantographe peut être relié au premier point du premier pantographe qui n'est pas sollicité directement par le premier actionneur, et le troisième point du troisième pantographe peut être relié au premier du second pantographe qui n'est pas sollicité directement par le second actionneur.The third point of the second pantograph may be connected to the first point of the first pantograph which is not solicited directly by the first actuator, and the third point of the third pantograph may be connected to the first of the second pantograph which is not directly requested by the second actuator.
Les pantographes ont avantageusement des rapports d'homothétie qui sont des fonctions linéaires ou rationnelles les uns des autres, de manière à ce que le déplacement de l'extrémité active soit proportionnel au déplacement de chacun des actionneurs avec un coefficient de proportionnalité égal en module dans les trois directions.The pantographs advantageously have homothetic ratios which are linear or rational functions of each other, so that the displacement of the active end is proportional to the displacement of each of the actuators with a coefficient of proportionality equal in modulus in the three directions.
Dans un exemple de réalisation, le premier pantographe ayant un rapport d'homothétie égal à kl, le premier actionneur étant relié directement au deuxième point du premier pantographe, et le second actionneur étant relié directement au deuxième point du deuxième pantographe, le second k pantographe a un rapport d'homothétie k2 égal à — de manière à ce queIn an exemplary embodiment, the first pantograph having a homothety ratio equal to kl, the first actuator being connected directly to the second point of the first pantograph, and the second actuator being connected directly to the second point of the second pantograph, the second pantograph k has a homothetic ratio k2 equal to - so that
les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.the linear functions connecting the displacement of the active end to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
Le troisième pantographe peut alors être relié par son troisième point au premier point du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au premier point du troisième pantographe, le deuxième point étant fixe, et le troisième pantographe peut avoir un rapport d'homothétie k3 égal à (kl + 1) de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.The third pantograph can then be connected by its third point to the first point of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the second point being fixed, and the third pantograph can have a homothetic ratio k3 equal to (kl + 1) so that the linear functions connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
En variante, le troisième pantographe est relié par son troisième point au premier point du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au deuxième point du troisième pantographe, le premier point du troisième pantographe étant fixe, et le troisième pantographe peut avoir un rapport d'homothétie k3 égal à kl de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.Alternatively, the third pantograph is connected by its third point to the first point of the second pantograph, the third actuator being connected to the second point of the third pantograph, the first point of the third pantograph being fixed, and the third pantograph can have a report of homothety k3 equal to kl so that the linear functions connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
Dans un autre exemple de réalisation, le premier pantographe ayant un rapport d'homothétie égal à kl, le premier actionneur étant relié directement au deuxième point du premier pantographe, et le second actionneur étant relié directement au premier point du deuxième pantographe, le secondIn another embodiment, the first pantograph having a homothetic ratio equal to k1, the first actuator being connected directly to the second point of the first pantograph, and the second actuator being connected directly to the first point of the second pantograph, the second
pantographe a un rapport d'homothétie k2 égal à -^-^ — - de manière à ce quepantograph has a homothetic ratio of k2 equal to - ^ - ^ - - so that
les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.the linear functions connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
Le troisième pantographe peut être relié par son deuxième point au deuxième point du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au troisième point du troisième pantographe, le premier point A3 du troisième pantographe étant fixe, le troisième pantographe a avantageusementThe third pantograph can be connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the third point of the third pantograph, the first point A3 of the third pantograph being fixed, the third pantograph advantageously
un rapport d'homothétie k3 égal à -^—^ — - de manière à ce que les fonctionsa homothetic ratio k3 equal to - ^ - ^ - - so that the functions
K linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.K linear connecting the displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
Dans le cas où le troisième pantographe est relié par son deuxième point au deuxième point du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au premier point du troisième pantographe, le troisième point du troisième pantographe étant fixe, le troisième pantographe aIn the case where the third pantograph is connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the third point of the third pantograph being fixed, the third pantograph has
avantageusement un rapport d'homothétie k3 égal à — — de manière à ceadvantageously a homothety ratio k3 equal to - - so that
que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active (Ml) à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à kl en module.that the linear functions connecting the displacement of the active end (Ml) to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to kl in module.
Dans un autre exemple, le premier pantographe a un rapport d'homothétie égal à kl, le premier actionneur étant relié directement au premier point, et le second actionneur étant relié directement au premier point du deuxième pantographe, et le second pantographe a un rapport d'homothétie k2In another example, the first pantograph has a homothety ratio equal to kl, the first actuator being directly connected to the first point, and the second actuator being connected directly to the first point of the second pantograph, and the second pantograph having a ratio of homothety
égal à -^- J — - de manière à ce que les fonctions linéaires reliant leequal to - ^ - J - - so that the linear functions connecting the
K déplacement de l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à (kι -1) en module. Le troisième pantographe peut être relié par son deuxième point au deuxième point du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au troisième point du troisième pantographe, le premier point étant fixe, le troisième pantographe a avantageusement un rapport d'homothétie k3 égal àK displacement of the active end of the first pantograph to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to (k ι -1) in module. The third pantograph can be connected by its second point to the second point of the second pantograph, the third actuator being connected to the third point of the third pantograph, the first point being fixed, the third pantograph advantageously has a homothetic ratio k3 equal to
— — de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de- - so that the linear functions connecting the displacement of
(*i - l) l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à (^1 -1) en module.(* i - l) the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to (^ 1 -1) in module.
Le troisième pantographe peut relié par son deuxième point au deuxième point B2 du second pantographe, le troisième actionneur étant relié au premier point du troisième pantographe, le troisième point étant fixe, le troisième pantographe a dans un autre exemple un rapport d'homothétie k3 égalThe third pantograph can be connected by its second point to the second point B2 of the second pantograph, the third actuator being connected to the first point of the third pantograph, the third point being fixed, the third pantograph has in another example a homothetic report k3 equal
(2I1 - I) de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de(2I 1 - I) so that the linear functions connecting the displacement of
(*l ) l'extrémité active du premier pantographe à celui de chacun des premiers, deuxième et troisième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à (kι -1) en module.(* l) the active end of the first pantograph to that of each of the first, second and third actuators have the same coefficient of proportionality equal to (k ι -1) in module.
Dans un exemple de réalisation, le deuxième et le troisième pantographe sont disposés l'un à côté de l'autre, le premier pantographe s'étendant en éloignement des deuxième et troisième pantographes. La liaison raccordant le premier et le deuxième pantographe peut être réalisée au moyen d'un cardan.In an exemplary embodiment, the second and third pantographs are arranged next to each other, the first pantograph extending away from the second and third pantographs. The connection connecting the first and the second pantograph can be performed by means of a gimbal.
Au moins un parmi le premier, le deuxième et le troisième actionneur linéaire peut être du type à poulies, comportant un première et une deuxième poulie d'axes parallèles autour desquelles est enroulé un élément de transmission flexible sans fin et un chariot solidaire en mouvement dudit élément de transmission, ledit chariot étant relié à le au moins un pantographe, la rotation dans un sens de rotation ou dans un autre des poulies, provoquant le déplacement linéaire du chariot selon la direction reliant les deux poulies.At least one of the first, second and third linear actuators may be of the pulley type, having a first and a second pulley of parallel axes around which is wound an endless flexible transmission member and a moving integral carriage of said transmission element, said carriage being connected to the at least one pantograph, the rotation in one direction of rotation or in another of the pulleys, causing the linear displacement of the carriage in the direction connecting the two pulleys.
L'actionneur à poulies peut comporter un rail de guidage s'étendant entre les deux poulies et sur lequel une semelle du chariot est montée à coulissement.The pulley actuator may include a guide rail extending between the two pulleys and on which a sole of the carriage is slidably mounted.
La présente invention a également pour objet un robot télémanipulateur comportant au moins un dispositif articulé selon la présente invention.The present invention also relates to a robot manipulator comprising at least one articulated device according to the present invention.
La présente invention a également pour objet une interface haptique comportant au moins un dispositif articulé selon la présente invention.The present invention also relates to a haptic interface comprising at least one articulated device according to the present invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe illustrant l'utilisation classique d'un pantographe à parallélogramme déformable comme agrandisseur de dessin,The present invention will be better understood from the following description and the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a block diagram illustrating the conventional use of a deformable parallelogram pantograph as a drawing enlarger,
- la figure 2 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement inversé d'un pantographe à parallélogramme déformable, le point fixe du parallélogramme étant différent de celui du parallélogramme de la figure 1,FIG. 2 is a block diagram illustrating the inverted operation of a deformable parallelogram pantograph, the fixed point of the parallelogram being different from that of the parallelogram of FIG. 1,
- la figure 3 est un schéma de principe illustrant l'inhomogénéité des déplacements d'un pantographe à trois degrés de liberté lorsqu'un actionneur est directement relié à un point du pantographe et les deux autres actionneurs sont directement reliés à un autre point du pantographe, - la figure 4 est un schéma de principe illustrant l'inhomogénéité des déplacements d'un pantographe à trois degrés de liberté, dans lequel les points reliés directement à un actionneur et à deux actionneurs sont inversés par rapport au pantographe de la figure 3, - la figure 5 est un schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif articulé selon la présente invention comportant deux pantographes,FIG. 3 is a block diagram illustrating the inhomogeneity of the movements of a pantograph with three degrees of freedom when an actuator is directly connected to one point of the pantograph and the two other actuators are directly connected to another point of the pantograph. FIG. 4 is a block diagram illustrating the inhomogeneity of the movements of a pantograph with three degrees of freedom, in which the points directly connected to an actuator and to two actuators are reversed relative to the pantograph of FIG. 3; FIG. 5 is a block diagram of a first embodiment of an articulated device according to the present invention comprising two pantographs,
- la figure 6 est un schéma de principe d'un premier exemple d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention, le dispositif articulé comportant trois pantographes en série,FIG. 6 is a block diagram of a first example of a second embodiment of an articulated device according to the invention, the articulated device comprising three pantographs in series,
- la figure 7 est un schéma de principe d'un second exemple du deuxième mode de réalisation d'un dispositif articulé selon l'invention,FIG. 7 is a block diagram of a second example of the second embodiment of an articulated device according to the invention,
- la figure 8 est un schéma de principe d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif articulé à trois pantographes selon l'invention,FIG. 8 is a schematic diagram of a third exemplary embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention,
- la figure 9 est une vue en perspective d'un dispositif articulé selon le troisième exemple de réalisation de la présente invention vue sensiblement de devant, où les trois actionneurs sont fixés sur un bâti externe,FIG. 9 is a perspective view of an articulated device according to the third embodiment of the present invention seen substantially from the front, where the three actuators are fixed on an external frame,
- la figure 10 est une vue en perspective d'un dispositif similaire à celui de la figure 9 selon un deuxième angle de vue sensiblement opposé vue de derrière,FIG. 10 is a perspective view of a device similar to that of FIG. 9 according to a second substantially opposite angle of view seen from behind,
- la figure 11 illustre schématiquement une partie d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, utilisant une liaison de type cardan, - la figure 12 est un tableau récapitulant les différentes configurations possibles entre trois pantographes du dispositif selon l'invention, et les rapports d'homothétie associés,FIG. 11 schematically illustrates a part of a device according to a second embodiment of the invention, using a cardan-type link, FIG. 12 is a table summarizing the various possible configurations between three pantographs of the device according to FIG. invention, and the associated homothety ratios,
- la figure 13 est une représentation schématique d'un exemple d'actionneur linéaire utilisable dans le dispositif articulé selon l'invention ; - la figure 14 est une vue de face schématique d'un positionneur bidirectionnelle particulièrement adapté à dispositif articulé à pantographe ;FIG. 13 is a schematic representation of an exemplary linear actuator that can be used in the articulated device according to the invention; - Figure 14 is a schematic front view of a bidirectional positioner particularly suitable for articulated pantograph device;
- la figure 15 est une vue en perspective d'un dispositif articulé à pantographe avec le positionneur de la figure 13 et celui de la figure 14. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSFIG. 15 is a perspective view of an articulated pantograph device with the positioner of FIG. 13 and that of FIG. 14. DETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Nous allons maintenant décrire en détails plusieurs modes de réalisation de l'invention en lien avec les figures 5-11.We will now describe in detail several embodiments of the invention in connection with Figures 5-11.
Dans toute la description qui va suivre nous désignerons par premier, deuxième et troisième points, les trois points alignés d'un pantographe non portés par une même barre, le deuxième point étant disposé axialement entre le premier et le deuxième point.Throughout the following description we will designate by first, second and third points, the three aligned points of a pantograph not worn by the same bar, the second point being arranged axially between the first and the second point.
Par exemple sur la figure 5, le premier point du pantographe est le point Al, le deuxième point est le point Bl et le troisième point le point Ml. Dans ce cas, Ml sera également désigné l'extrémité active du dispositif puisque c'est cette extrémité qui va interagir avec l'environnement extérieur.For example in Figure 5, the first point of the pantograph is the point Al, the second point is the point Bl and the third point the point Ml. In this case, Ml will also be designated the active end of the device since it is this end that will interact with the external environment.
La désignation d'un mécanisme multi-pantographe se fera par l'énumération des points de connexion des pantographes entre eux.The designation of a multi-pantograph mechanism will be done by the enumeration of the connection points of the pantographs between them.
Par exemple, M1-A1M2-A2M3-A3 désigne un mécanisme à trois pantographes, dont le point de sortie au niveau du premier pantographe est le troisième point Ml, connecté par son premier point Al au troisième point M2 d'un deuxième pantographe, lui-même connecté par son premier point A2 au troisième point M3 d'un troisième pantographe, actionné par son premier point A3. Sur la figure 5, on peut voir un premier mode de réalisation de la présente invention dans lequel le dispositif articulé comporte deux pantographes 100 et 200 reliés en série.For example, M1-A1M2-A2M3-A3 designates a three-pantograph mechanism, whose exit point at the first pantograph is the third point Ml, connected by its first point Al to the third point M2 of a second pantograph, even connected by its first point A2 to the third point M3 of a third pantograph, actuated by its first point A3. In Figure 5, we can see a first embodiment of the present invention wherein the articulated device comprises two pantographs 100 and 200 connected in series.
Selon la nomenclature décrite ci-dessus, ce dispositif peut être désigné M1-A1M2-A2-B2, ce qui signifie que le dispositif comporte deux pantographes 100, 200, le premier pantographe 100 de rapport d'homothétie kl dont le point de sortie au niveau du pantographe 1 est le troisième point Ml, connecté par son premier point Al au troisième point M2 du deuxième pantographe 200 de rapport d'homothétie k2, lui-même connecté par ses premier A2 et deuxième B2 points à des actionneurs. Les actionneurs sont des actionneurs linéaires ayant chacun une direction de déplacement orthogonale aux directions des deux autres actionneurs.According to the nomenclature described above, this device can be designated M1-A1M2-A2-B2, which means that the device comprises two pantographs 100, 200, the first pantograph 100 homothety report kl whose exit point at Pantograph 1 level is the third point Ml, connected by its first point Al to the third point M2 of the second pantograph 200 of homothetic report k2, itself connected by its first A2 and second B2 points to actuators. The actuators are linear actuators each having a direction of displacement orthogonal to the directions of the other two actuators.
Les déplacements des points sont désignés par la lettre du point.The movements of the points are designated by the letter of the point.
On peut écrire :We can write :
Ml = klBl + (l-kl)Al ou Ml = klBl + (l-kl)M2. Lorsque l'actionneur en Bl est actionné, le rapport d'homothétie est kl. M2 = k2B2 + (l-k2)A2, d'où Ml = klBl + (l-kl)(k2B2 + (l-k2)A2).M1 = k1B1 + (1-k1) A1 or M1 = k1B1 + (1-k1) M2. When the actuator B1 is actuated, the ratio of homothety is kl. M2 = k2B2 + (l-k2) A2, whence M1 = k1B1 + (l-k1) (k2B2 + (l-k2) A2).
Lorsque l'actionneur en B2 est actionné, le rapport d'homothétie est (l-kl)k2.When the actuator B2 is actuated, the ratio of homothety is (l-kl) k2.
Lorsque l'actionneur en A2 est déplacé, le rapport d'homothétie de la combinaison des pantographes 100 et 200 est :(l-kl)(l-k2).When the actuator at A2 is moved, the homothetic ratio of the combination of the pantographs 100 and 200 is: (l-kl) (l-k2).
Les actionneurs sont fixes, par exemple sur un bâti externe et mécaniquement indépendants.The actuators are fixed, for example on an external frame and mechanically independent.
Grâce à cette configuration, on peut donc relier de manière simple par une relation qui s'exprime par une fonction linéaire ou rationnelle, le déplacement de l'extrémité active Ml à celui de chaque actionneur, en fonction des points de liaison des pantographes entre eux et des rapports d'homothétie de chaque pantographe, cette relation étant invariable quelle que soit la position prise par l'extrémité active.With this configuration, it is therefore possible to simply connect in a relation expressed by a linear or rational function, the displacement of the active end M1 to that of each actuator, as a function of the connection points of the pantographs with each other. and ratios of homothety of each pantograph, this relation being invariable whatever the position taken by the active end.
Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif articulé comporte trois pantographes 100, 200, 300 reliés en série.According to a second embodiment, the articulated device comprises three pantographs 100, 200, 300 connected in series.
Selon une première catégorie d'exemples de réalisation de l'invention, le premier pantographe comporte un premier actionneur dans une direction © fixé directement au deuxième point Bi et ce premier pantographe a un rapport d'homothétie égal à ki, le deuxième pantographe est relié au premier point Ai du premier pantographe. Cette catégorie de multi-pantographes est désignée selon la nomenclature établie plus haut du type : Mi-Ai...According to a first category of exemplary embodiments of the invention, the first pantograph comprises a first actuator in a direction © fixed directly to the second point Bi and this first pantograph has a homothetic ratio equal to ki, the second pantograph is connected at first point Ai of the first pantograph. This category of multi-pantographs is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Ai ...
Par symétrie, on peut aussi concevoir une seconde catégorie d'exemples de réalisation de l'invention, où le premier pantographe comporte un premier actionneur fixé directement au point Ai et a un rapport d'homothétie égal à -(ki-1), et où le deuxième pantographe est relié au deuxième point Bi du premier pantographe. Cette catégorie de multi-pantographes est désignée selon la nomenclature établie plus haut du type : Mi-Bi...By symmetry, it is also conceivable a second category of embodiments of the invention, wherein the first pantograph comprises a first actuator directly attached to the point Ai and has a homothetic ratio equal to - (ki-1), and where the second pantograph is connected to the second point Bi of the first pantograph. This category of multi-pantograph is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Bi ...
Nous allons dans les exemples suivants nous limiter à la première catégorie d'exemples (Mi-Ai...), bien que d'autres modes de réalisation de l'invention puissent se déduire facilement, par symétrie, pour la catégorie de multi-pantographes du type Mi-Bi...We will in the following examples limit ourselves to the first category of examples (Mi-Ai ...), although other embodiments of the invention can be deduced easily, by symmetry, for the category of multi- pantographs type Mi-Bi ...
Selon un exemple de réalisation de l'invention, illustré en figure 6, le multi-pantographe est du type Mi-AiM2-A2M3-A3, le second pantographe 200 de rapport d'homothétie k2 est relié au premier point Ai du premier pantographe 100 par le troisième point M2 et comporte un actionneur suivant une direction © directement relié au deuxième point B2. Le troisième pantographe 300 de rapport k3 est relié au premier point A2 du deuxième pantographe 200 par son troisième point M3. Le deuxième point B3 du troisième pantographe 300 est fixe. Ce dispositif à trois pantographes correspond au dispositif à deux pantographes de la figure 5, dans lequel on a remplacé le troisième actionneur en A2 par un troisième pantographe 300 relié directement à un actionneur en A3.According to an exemplary embodiment of the invention, illustrated in FIG. 6, the multi-pantograph is of the Mi-AiM 2 -A 2 M 3 -A 3 type , the second homothetic ratio pantograph 200 is connected to the first point. Ai of the first pantograph 100 by the third point M 2 and comprises an actuator in a direction © directly connected to the second point B 2 . The third pantograph 300 of report K3 is connected to the first point A2 of the second pantograph 200 by its third point M3. The second point B3 of the third pantograph 300 is fixed. This device with three pantographs corresponds to the device with two pantographs of FIG. 5, in which the third actuator A2 has been replaced by a third pantograph 300 connected directly to an actuator in A3.
Les relations établies pour le dispositif de la figure 5 s'appliquent. Par contre, le rapport d'homothétie de la combinaison des trois pantographes 100, 200, 300 lorsque le troisième actionneur est actionné est désormais égal à (l-kl)(l-k2) (l-k3).The relationships established for the device of Figure 5 apply. On the other hand, the homothetic ratio of the combination of the three pantographs 100, 200, 300 when the third actuator is actuated is now equal to (l-kl) (l-k2) (l-k3).
On choisit le rapport d'homothétie k2 égal à (ki)/(ki-l) de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active Ml à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à ki en module : En effet k2.(ki-l)= ki.We choose the homothety ratio k 2 equal to (ki) / (ki-1) so that the linear functions connecting the displacement of the end active M1 to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to ki in module: Indeed k 2. (ki-1) = ki.
Conformément à la figure 6, le troisième point M3 du troisième pantographe est relié au premier point A2 du second pantographe, et le troisième actionneur suivant une direction © est relié au premier point A3 du troisième pantographe, le deuxième point B3 du troisième pantographe étant fixe. On choisit alors le rapport d'homothétie k3 égal à (ki+1), de manière à ce que : According to FIG. 6, the third point M 3 of the third pantograph is connected to the first point A 2 of the second pantograph, and the third actuator in a direction est is connected to the first point A 3 of the third pantograph, the second point B 3 of the third third pantograph being fixed. We then choose the homothety ratio k 3 equal to (ki + 1), so that:
La figure 7 illustre un second exemple de réalisation d'un dispositif articulé à trois pantographes selon l'invention, du type Mi-AiM2-A2M3- B3. Les deux premiers pantographes et leurs actionneurs respectifs sont positionnés comme dans l'exemple de la figure 6, avec le troisième point M3 du troisième pantographe relié au premier point A2 du second pantographe, mais le troisième actionneur suivant une direction © est relié au deuxième point B3 du troisième pantographe, le premier point A3 du troisième pantographe étant fixe. Dans ce cas, on choisit également le rapport d'homothétie du second pantographe k2 égal à (ki)/(ki-l) ; par contre, on choisit un rapport d'homothétie du troisième pantographe k3 égal à (ki), de manière à ce que :FIG. 7 illustrates a second exemplary embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention, of the Mi-AiM 2 -A 2 M 3 -B 3 type . The first two pantographs and their respective actuators are positioned as in the example of Figure 6, with the third point M 3 of the third pantograph connected to the first point A 2 of the second pantograph, but the third actuator in a direction © is connected to the second point B 3 of the third pantograph, the first point A 3 of the third pantograph being fixed. In this case, one also chooses the ratio of homothety of the second pantograph k 2 equal to (ki) / (ki-1); on the other hand, one chooses a ratio of homothétie of the third pantograph k 3 equal to (ki), so that:
(l-ki).(l-k2).(k3) = ki.(l-ki). (lk 2 ). (k 3 ) = ki.
La figure 8 illustre un troisième exemple de réalisation d'un pantographe triple selon l'invention, du type Mi-AiM2-B2B3-M3 les deux premiers pantographes sont articulés entre eux comme sur la figure 5, mais le second actionneur est directement relié au premier point A2 du second pantographe. On choisit ici, le rapport d'homothétie k2 égal à (2.ki-l)/(ki-l) de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à ki en module : FIG. 8 illustrates a third exemplary embodiment of a triple pantograph according to the invention, of the Mi-AiM 2 -B 2 B 3 -M 3 type. The first two pantographs are hinged together as in FIG. 5, but the second actuator is directly connected to the first point A 2 of the second pantograph. We choose here the homothety ratio k 2 equal to (2.ki-1) / (ki-1) so that the linear functions connecting the displacement of the active end to that of each of the first and second actuators have the same proportionality coefficient equal to ki in module:
De manière particulièrement avantageuse, selon ce mode de réalisation, le deuxième point B3 du troisième pantographe est relié au point B2 du second pantographe, et le troisième actionneur est fixé au troisième point M3 du troisième pantographe, le premier point A3 du troisième pantographe étant fixe. On choisit alors le rapport d'homothétie k3 égal à (2krl)/(ki), de manière à ce que :In a particularly advantageous manner, according to this embodiment, the second point B 3 of the third pantograph is connected to the point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the third point M 3 of the third pantograph, the first point A 3 of the third pantograph being fixed. We then choose the homothety ratio k 3 equal to (2k r l) / (ki), so that:
(l-ki).(k2).(l/k3) = ki.(l-ki). (k 2 ). (l / k 3 ) = ki.
Selon une variante de ce mode de réalisation d'un dispositif articulé à trois pantographes selon l'invention, du type Mi-AiM2-B2B3-A3 , la configuration des deux premiers pantographes est identique à celle du troisième mode de réalisation, et le troisième pantographe est également relié par son deuxième point B3 au deuxième point B2 du second pantographe, mais le troisième actionneur est fixé au premier point A3 du troisième pantographe, le troisième point M3 du troisième pantographe étant fixe. On choisit alors le rapport d'homothétie k3 égal à (2ki-l)/(ki-l), de manière à ce que : According to a variant of this embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention, of the Mi-AiM 2 -B 2 B 3 -A 3 type , the configuration of the first two pantographs is identical to that of the third embodiment of FIG. realization, and the third pantograph is also connected by its second point B 3 to the second point B 2 of the second pantograph, but the third actuator is attached to the first point A 3 of the third pantograph, the third point M 3 of the third pantograph being fixed. We then choose the homothety ratio k 3 equal to (2ki-1) / (ki-1), so that:
Par symétrie, à cette première catégorie d'exemples de réalisation décrits, on peut aussi concevoir une seconde catégorie d'exemples de réalisation de l'invention, où le premier pantographe comporte un premier actionneur fixé directement au point Ai et a un rapport d'homothétie égal à -(kr 1), et où le deuxième pantographe est relié au deuxième point Bi du premier pantographe. Cette catégorie de multi-pantographes est désignée selon la nomenclature établie plus haut du type : Mi-Bi...By symmetry, to this first category of described embodiments, it is also possible to conceive a second category of exemplary embodiments of the invention, where the first pantograph comprises a first actuator fixed directly to the point Ai and has a ratio of homothety equal to - (k r 1), and where the second pantograph is connected to the second point Bi of the first pantograph. This category of multi-pantograph is designated according to the nomenclature established above of the type: Mi-Bi ...
Selon un exemple de réalisation d'un dispositif articulé à trois pantographes selon l'invention, du type Mi-BiM2-B2B3-M3, les deux premiers pantographes sont articulés entre eux par une liaison entre le deuxième point Bi du premier pantographe, et le troisième point M2 du second pantographe, et le second actionneur est directement relié au premier point A2 du second pantographe. On choisit ici, le rapport d'homothétie k2 égal à (2.ki-l)/(ki) de manière à ce que les fonctions linéaires reliant le déplacement de l'extrémité active à celui de chacun des premiers et deuxième actionneurs aient le même coefficient de proportionnalité égal à krl en module : According to an exemplary embodiment of an articulated device with three pantographs according to the invention, of the Mi-BiM 2 -B 2 B 3 -M 3 type, the first two pantographs are articulated to each other by a connection between the second point Bi of the first pantograph, and the third point M 2 of the second pantograph, and the second actuator is directly connected to the first point A 2 of the second pantograph. We choose here the homothety ratio k 2 equal to (2.ki-1) / (ki) so that the linear functions connecting the displacement of the active end to that of each of the first and second actuators have the same coefficient of proportionality equal to k r l in module:
De manière particulièrement avantageuse, selon cet exemple de réalisation, le deuxième point B3 du troisième pantographe est relié au deuxième point B2 du second pantographe, et le troisième actionneur est fixé au troisième point M3 du troisième pantographe, le premier point A3 du troisième pantographe étant fixe. On choisit alors le rapport d'homothétie k3 égal à (2.kr l)/(krl), de manière à ce que :In a particularly advantageous manner, according to this exemplary embodiment, the second point B 3 of the third pantograph is connected to the second point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the third point M 3 of the third pantograph, the first point A 3 third pantograph being fixed. We then choose the homothety ratio k 3 equal to (2.k r l) / (k r l), so that:
(ki).(k2).(k3) = (krl).(ki). (k 2 ). (k 3 ) = (k r 1).
Selon une variante de l'exemple de réalisation décrit ci-dessus d'un pantographe triple selon l'invention, du type Mi-BiM2_B2B3-A3/ les deux premiers pantographes sont articulés entre eux et actionnés de manière analogue, le deuxième point B3 du troisième pantographe est relié au deuxième point B2 du second pantographe, et le troisième actionneur est fixé au premier point A3 du troisième pantographe, le troisième point M3 du troisième pantographe étant fixe. On choisit alors le rapport d'homothétie k3 égal à (2.kr l)/(ki), de manière à ce que :According to a variant of the embodiment described above of a triple pantograph according to the invention, the type Mi-BiM 2 _B 2 B 3 -A 3 / the first two pantographs are hinged together and actuated in a similar manner the second point B 3 of the third pantograph is connected to the second point B 2 of the second pantograph, and the third actuator is attached to the first point A 3 of the third pantograph, the third point M 3 of the third pantograph being fixed. We then choose the homothety ratio k 3 equal to (2.k r l) / (ki), so that:
(ki).(k2).(l / k3) = (ki-l).(ki). (k 2 ). (l / k 3 ) = (ki-1).
Les différentes configurations possibles, c'est-à-dire ne conduisant pas à des valeurs de k négatives, ou inférieures à 1 en valeur absolue, sont résumées dans le tableau de la figure 12. Nous allons maintenant décrire plus en détail le troisième exemple de réalisation de l'invention.The different possible configurations, that is to say not leading to values of negative k, or less than 1 in absolute value, are summarized in the table of FIG. 12. We will now describe in more detail the third example embodiment of the invention.
Sur les figures 9 à 11, on peut voir un exemple de réalisation du dispositif selon le troisième mode de réalisation de la présente invention, comportant un membre articulé 2 monté sur un châssis. Le membre articulé 2 comporte une extrémité 6, appelée par la suite extrémité active. Celle-ci peut, dans le cas d'un robot télémanipulateur, porter un outil, par exemple un pince, ou, dans le cas d'une interface haptique, porter par exemple une poignée pour commander un robot télémanipulateur, par exemple du type de l'invention. Le bras comporte trois pantographes 100, 200, 300 à parallélogrammes déformables qui seront décrits successivement.In Figures 9 to 11, we can see an embodiment of the device according to the third embodiment of the present invention, comprising an articulated member 2 mounted on a frame. The articulated limb 2 has an end 6, called thereafter active end. This can, in the case of a robot manipulator, carry a tool, for example a clamp, or, in the case of a haptic interface, for example carry a handle to control a robot manipulator, for example the type of the invention. The arm comprises three pantographs 100, 200, 300 with deformable parallelograms which will be described successively.
Le premier pantographe 100 comporte une première paire de bras 102, 104 parallèles entre eux et une deuxième paire de bras 106, 108 parallèles entre eux. Le bras 102 est monté mobile en rotation par une première extrémité 102.1 sur une première extrémité 106.1 du bras 106, le bras 104 est monté mobile en rotation par une première extrémité 104.1 sur le bras 106 entre l'extrémité 106.1 reliée au bras 102 et une extrémité 106.2 libre du bras 106 et formant l'extrémité active 6. Le bras 108 est, quant à lui, monté libre en rotation par une première extrémité 108.1 sur une deuxième extrémité 104.2 du bras 104, et par une deuxième extrémité 108.2, sur le bras 102 entre la première extrémité 102.1 et une deuxième extrémité 102.2.The first pantograph 100 comprises a first pair of arms 102, 104 parallel to each other and a second pair of arms 106, 108 parallel to each other. The arm 102 is rotatably mounted by a first end 102.1 on a first end 106.1 of the arm 106, the arm 104 is rotatably mounted by a first end 104.1 on the arm 106 between the end 106.1 connected to the arm 102 and a end 106.2 free of the arm 106 and forming the active end 6. The arm 108 is, in turn, rotatably mounted by a first end 108.1 on a second end 104.2 of the arm 104, and by a second end 108.2, on the arm 102 between the first end 102.1 and a second end 102.2.
L'articulation entre le bras 102 et le bras 106 est repérée Di.The articulation between the arm 102 and the arm 106 is marked Di.
L'articulation entre le bras 102 et le bras 108 est repérée Ci. L'articulation entre le bras 104 et le bras 108 est repérée Bi.The articulation between the arm 102 and the arm 108 is marked Ci. The articulation between the arm 104 and the arm 108 is marked Bi.
L'articulation entre le bras 104 et le bras 106 est repérée Ei.The articulation between the arm 104 and the arm 106 is marked Ei.
L'extrémité active 6 est repérée Mi.The active end 6 is marked Mi.
Le dispositif selon la présente invention comporte également un actionneur linéaire 110 connecté à l'articulation Bi. L'actionneur linéaire 110 est destiné à déplacer l'articulation Bi selon l'une première direction Y.The device according to the present invention also comprises a linear actuator 110 connected to the joint Bi. The linear actuator 110 is intended to move the articulation Bi in the first direction Y.
L'actionneur linéaire 110 peut être du type à poulie. Il peut également être, par exemple du type à crémaillère ou à vis sans fin.The linear actuator 110 may be of the pulley type. It can also be, for example rack or worm type.
Le premier pantographe 100 et le deuxième pantographe 200 se raccordent au niveau d'une extrémité 102.2 du bras 102 et d'une extrémité 202.2 d'un bras 202 dans l'exemple représenté par une liaison rotule 8 assurant une grande liberté de mouvement entre les deux pantographes 100, 200. L'articulation entre le premier 100 et le deuxième 200 pantographes est repérée Ai.The first pantograph 100 and the second pantograph 200 are connected at one end 102.2 of the arm 102 and one end 202.2 of an arm 202 in the example shown by a ball joint 8 providing a great freedom of movement between the two pantographs 100, 200. The articulation between the first 100 and the second 200 pantographs is marked Ai.
Le premier pantographe 100 permet d'effectuer une homothétie de centre Bl et de rapport ki, dont l'expression mathématique est la suivante :The first pantograph 100 makes it possible to perform a homothety of center B1 and of ratio ki, the mathematical expression of which is as follows:
A1M1 = U1A1B1 . A 1 M 1 = U 1 A 1 B 1.
D'où en différenciant :From where by differentiating:
ΔM^ - ΔÂ^ = Ic1 (ΔB^ - Δ Ai ) ΔM ^ - ΔΔ ^ = Ic 1 (ΔB ^ - Δ Ai)
C'est-à-dire que tout déplacement appliqué au point Bi, lorsque Ai est fixe, provoque un déplacement au point Mi de même direction et d'amplitude proportionnelle à la valeur du déplacement du point Bi, le coefficient de proportionnalité étant égal à ki : le rapport d'homothétie entre Bi et Mi.That is to say that any displacement applied to the point Bi, when Ai is fixed, causes a displacement at the point Mi of the same direction and amplitude proportional to the displacement value of the point Bi, the proportionality coefficient being equal to ki: the ratio of homothety between Bi and Mi.
Tandis que tout déplacement appliqué au point Ai, lorsque Bi est fixe, provoque un déplacement au point Mi de direction opposée et d'amplitude proportionnelle à la valeur du déplacement du point Ai, le coefficient de proportionnalité étant alors 1-ki : le rapport d'homothétie entre Ai et Mi.While any displacement applied to the point Ai, when Bi is fixed, causes a displacement at the point Mi of opposite direction and of amplitude proportional to the value of the displacement of the point Ai, the coefficient of proportionality then being 1-ki: the ratio of homothety between Ai and Mi.
C'est-à-dire que tout déplacement d'une distance y en Bi selon la direction Y, provoqué par le premier actionneur 110 déplace le point Mi d'une distance ki.y cf (équation I) selon la direction Y.That is to say that any displacement of a distance y in Bi in the direction Y, caused by the first actuator 110 moves the point Mi by a distance ki.y cf (equation I) in the direction Y.
Le deuxième pantographe 200 comporte une première paire de bras 202, 204 parallèles entre eux et une deuxième paire de bras 206, 208 parallèles entre eux. Le bras 202 est monté mobile en rotation par une première extrémité 202.1 sur une première extrémité 206.1 du bras 206, le bras 204 est monté mobile en rotation par une première extrémité 204.1 sur le bras 206 entre l'extrémité 206.1 reliée au bras 202 et une autre extrémité 206.2 du bras 206. Le bras 208 est, quant à lui, monté libre en rotation par une première extrémité 208.1 sur une deuxième extrémité 204.2 du bras 204 et par une deuxième extrémité 208.2 sur le bras 202 entre la première extrémité 202.1 et une deuxième extrémité 202.2 reliée à l'extrémité 102.2 du bras 102 du premier pantographe 100. L'articulation entre le bras 202 et le bras 206 est repérée D2.The second pantograph 200 comprises a first pair of arms 202, 204 parallel to each other and a second pair of arms 206, 208 parallel to each other. The arm 202 is rotatably mounted by a first end 202.1 on a first end 206.1 of the arm 206, the arm 204 is rotatably mounted by a first end 204.1 on the arm 206 between the end 206.1 connected to the arm 202 and a other end 206.2 of the arm 206. The arm 208 is, in turn, rotatably mounted by a first end 208.1 on a second end 204.2 of the arm 204 and a second end 208.2 on the arm 202 between the first end 202.1 and a second end 202.2 connected to the end 102.2 of the arm 102 of the first pantograph 100. The articulation between the arm 202 and the arm 206 is marked D 2 .
L'articulation entre le bras 202 et le bras 208 est repérée E2.The articulation between the arm 202 and the arm 208 is marked E 2 .
L'articulation entre le bras 204 et le bras 208 est repérée B2.The articulation between the arm 204 and the arm 208 is marked B 2 .
L'articulation entre le bras 204 et le bras 206 est repérée C2. Un deuxième actionneur linéaire 210 est prévu au niveau de l'extrémité 206.2 du bras 202, l'articulation entre le bras 206 et l'actionneur linéaire est désignée A2.The articulation between the arm 204 and the arm 206 is marked C 2 . A second linear actuator 210 is provided at the end 206.2 of the arm 202, the articulation between the arm 206 and the linear actuator is designated A 2 .
Le deuxième actionneur 210 assure un déplacement de l'articulation A2 selon une direction X orthogonale à la direction Y du premier actionneur 110. L'actionneur 210 peut-être du même type que le premier actionneur 110, il peut être identique ou non.The second actuator 210 ensures a displacement of the articulation A 2 in a direction X orthogonal to the direction Y of the first actuator 110. The actuator 210 may be of the same type as the first actuator 110, it may be identical or not.
Le rapport d'homothétie k2 du deuxième pantographe 200 de centre B2 est défini comme suit :The homothety ratio k 2 of the second pantograph 200 of center B 2 is defined as follows:
A2M2 = k2.A2B2 . A 2 M 2 = k 2 .A 2 B 2.
Ainsi tout déplacement d'amplitude 1 selon la direction X de l'articulation A2 provoque un déplacement en Ai (=M2) d'une amplitude -(k2-l) dans la direction X.Thus any displacement of amplitude 1 in the direction X of the articulation A 2 causes a displacement in Ai (= M 2 ) of an amplitude - (k 2 -l) in the direction X.
Le déplacement du point Mi dans la direction X est alors d'amplitude (M-Mk2-I).The displacement of the point Mi in the direction X is then of amplitude (M-Mk 2 -I).
De manière avantageuse, il est possible d'obtenir une même relation linéaire entre les déplacements linéaires 110 et 210 dans les directions Y et X respectivement en choisissant correctement le rapport entre les valeurs deAdvantageously, it is possible to obtain the same linear relationship between the linear displacements 110 and 210 in the directions Y and X respectively by correctly choosing the ratio between the values of
En effet en choisissant : k2 = (2.Ic1 -I)Ak1 -1) On obtient un déplacement de M égal à :Indeed choosing: k 2 = (2.Ic 1 -I) Ak 1 -1) We obtain a displacement of M equal to:
Ic1 X (II) La relation liant la distance yM parcourue par M dans la direction Y et le déplacement de l'actionneur 110 selon Y est identique à celle reliant la distance xM parcourue par M dans la direction X et le déplacement de l'actionneur 210 selon X. Ainsi les commandes des deux actionneurs 110, 210 peuvent être identiques. De plus chaque actionneur peut être fixé sur un châssis, sans avoir à entraîner le déplacement de l'autre actionneur.Ic 1 X (II) The relation linking the distance y M traversed by M in the direction Y and the displacement of the actuator 110 along Y is identical to that connecting the distance x M traveled by M in the direction X and the displacement of the actuator 210 according to X Thus the controls of the two actuators 110, 210 can be identical. In addition each actuator can be fixed on a frame, without having to cause the movement of the other actuator.
Le troisième pantographe 300 comporte une première paire de bras 302, 304 parallèles entre eux et une deuxième paire de bras 306, 308 parallèles entre eux. Le bras 302 est monté mobile en rotation par une première extrémité 302.1 sur une première extrémité 306.1 du bras 306, le bras 304 est monté mobile en rotation par une première extrémité 304.1 sur le bras 306 entre l'extrémité 306.1 reliée au bras 302 et une extrémité 306.2 du bras 306 reliée à l'extrémité 206.2 du bras 202 du deuxième pantographe 200. Le bras 308 est quant à lui monté libre en rotation par une première extrémité 308.1 sur une deuxième extrémité 304.2 du bras 304 et par une deuxième extrémité 308.2 sur le bras 302 entre la première extrémité 302.1 et une deuxième extrémité 302.2.The third pantograph 300 comprises a first pair of arms 302, 304 parallel to each other and a second pair of arms 306, 308 parallel to each other. The arm 302 is rotatably mounted by a first end 302.1 on a first end 306.1 of the arm 306, the arm 304 is rotatably mounted by a first end 304.1 on the arm 306 between the end 306.1 connected to the arm 302 and an arm 306. end 306.2 of the arm 306 connected to the end 206.2 of the arm 202 of the second pantograph 200. The arm 308 is rotatably mounted by a first end 308.1 on a second end 304.2 of the arm 304 and a second end 308.2 on the arm 302 between the first end 302.1 and a second end 302.2.
L'articulation entre le bras 302 et le bras 306 est repérée D3.The articulation between the arm 302 and the arm 306 is marked D 3 .
L'articulation entre le bras 302 et le bras 308 est repérée E3. L'articulation entre le bras 304 et le bras 308 est repérée B3.The articulation between the arm 302 and the arm 308 is marked E 3 . The articulation between the arm 304 and the arm 308 is marked B 3 .
L'articulation entre le bras 304 et le bras 306 est repérée C3.The articulation between the arm 304 and the arm 306 is marked C 3 .
Dans l'exemple représenté, le deuxième 200 et le troisième 300 pantographes sont disposés sensiblement parallèlement l'un par rapport à l'autre. Le bras 306 est monté mobile en rotation sur le châssis du dispositif sensiblement en vis à vis de l'articulation mobile A2, et fixe par rapport à l'articulation A2.In the example shown, the second 200 and the third 300 pantographs are arranged substantially parallel to each other. The arm 306 is rotatably mounted on the frame of the device substantially facing the movable articulation A 2 and fixed relative to the articulation A 2 .
Selon la présente invention, l'articulation B3 est disposée en vis- à-vis de l'articulation B2 et solidaire en mouvement de celle-ci. Le dispositif comporte un troisième actionneur linéaire 310 de direction Z, orthogonale au première Y et deuxième X directions des premier 110 et deuxième 210 actionneurs, relié à l'extrémité 302.2 du bras 302, le raccord étant repéré M3. Le troisième actionneur 310 assure alors un déplacement selon l'axe Z, vertical dans l'exemple représenté.According to the present invention, the hinge B 3 is disposed vis-à-vis the joint B 2 and integral in motion thereof. The device comprises a third linear actuator 310 of Z direction, orthogonal to the first Y and second X directions of the first 110 and second 210 actuators, connected to the end 302.2 of the arm 302, the connection being marked M 3 . The third actuator 310 then provides a displacement along the Z axis, vertical in the example shown.
Le rapport d'homothétie k3 du troisième pantographe 300 de centre B2 est défini comme suit :The homothety ratio k 3 of the third pantograph 300 of center B2 is defined as follows:
A3M3 = Ic3 A3B3 .A 3 M 3 = Ic 3 A 3 B 3 .
Selon l'invention, on fait bouger l'articulation M3, l'articulation B3 étant mobile et l'articulation A3 étant fixe.According to the invention, the articulation M 3 is moved, the articulation B 3 being mobile and the articulation A 3 being fixed.
Ainsi tout déplacement d'amplitude z selon la direction Z deThus any displacement of amplitude z in the direction Z of
l'articulation M3 provoque un déplacement en B3 d'une amplitude — x z dans la k3 direction Z.the articulation M 3 causes a displacement in B 3 of an amplitude - xz in the k 3 direction Z.
Le déplacement du point Ai est alors dans la direction Z k d'amplitude — x z . k3 The displacement of point Ai is then in the direction Z k of amplitude - xz. k 3
Le déplacement du point M est alors dans la direction Z k d'amplitude - — (Jt1 - I) X z . k3 The displacement of the point M is then in the direction Z k of amplitude - - (Jt 1 - I) X z. k 3
En choisissant k3 = (2.ki -l)/(ki), on obtient, pour un déplacement de l'actionneur 310 d'amplitude 1 dans la direction Z, un déplacement de Ml égal à : Grâce à la présente invention, on obtient donc une relation linéaire invariable, les rapports ki, k2 et k3 étant constants par construction, entre le déplacement des actionneurs et le déplacement de M quelque soit la position dans l'espace et dans toutes les directions. II y a alors une homogénéité du comportement du dispositif en tout point atteignable par Ml.By choosing k 3 = (2.ki-1) / (k 1 ), for displacement of the actuator 310 of amplitude 1 in the direction Z, a displacement of Ml equal to: Thanks to the present invention, an invariable linear relationship is thus obtained, the ratios k 1 , k 2 and k 3 being constant by construction, between the displacement of the actuators and the displacement of M whatever the position in space and in all directions. There is then a homogeneity of the behavior of the device at all points reachable by Ml.
De manière avantageuse, on peut ainsi obtenir des relations linéaires identiques entre le déplacement de chaque actionneur linéaire 110, 210, 310 et le point M dans les directions X, Y et Z, qui permettent de définir toutes les directions de l'espace.Advantageously, it is thus possible to obtain identical linear relationships between the displacement of each linear actuator 110, 210, 310 and the point M in the X, Y and Z directions, which make it possible to define all the directions of the space.
Ceci permet de simplifier la commande des actionneurs. Les mêmes actionneurs peuvent être utilisés pour les trois directions, ce qui simplifie la réalisation, et diminue le coût du dispositif. La même loi de commande peut être utilisée pour les trois directions, sans nécessité de recourir à une calibration pour chaque axe. Dans l'application à une interface haptique reliée à l'extrémité du bras, non seulement les déplacements sont de même amplitude dans les trois directions, mais les caractéristiques de vitesse et d'accélération sont également homogènes dans toutes les directions, ce qui améliore le retour haptique pour l'utilisateur. Sur la figure 11, on peut voir une variante de réalisation du dispositif selon la présente invention, pour laquelle le troisième pantographe 300 n'a pas été représenté à des fins de clarté. La liaison entre le premier pantographe 100 et le deuxième pantographe 200 est réalisée au moyen d'un cardan 10. Ceci est rendu possible par le fait que cette liaison n'est pas destinée à transmettre un couple, mais uniquement à transmettre une force.This simplifies the control of the actuators. The same actuators can be used for the three directions, which simplifies the implementation, and reduces the cost of the device. The same control law can be used for the three directions, without the need for calibration for each axis. In the application to a haptic interface connected to the end of the arm, not only the displacements are of the same amplitude in the three directions, but the speed and acceleration characteristics are also homogeneous in all directions, which improves the haptic feedback for the user. In Figure 11, we can see an alternative embodiment of the device according to the present invention, for which the third pantograph 300 has not been shown for the sake of clarity. The connection between the first pantograph 100 and the second pantograph 200 is achieved by means of a universal joint 10. This is made possible by the fact that this connection is not intended to transmit a torque, but only to transmit a force.
Ce cardan permet d'assurer un grand débattement et est de réalisation plus simple qu'une rotule permettant un débattement équivalent.This cardan makes it possible to ensure a large travel and is of simpler realization than a ball joint allowing an equivalent displacement.
Dans l'exemple représenté, le cardan 10 comporte une fourche 12 montée mobile en rotation à l'extrémité du bras 102 du premier pantographe 100 et une deuxième fourche 14 montée mobile en rotation sur le bras 202 du deuxième pantographe 200.In the example shown, the universal joint 10 comprises a fork 12 mounted rotatably at the end of the arm 102 of the first pantograph 100 and a second fork 14 rotatably mounted on the arm 202 of the second pantograph 200.
Cette réalisation permet l'apparition d'un phénomène d'auto alignement permettant d'assurer la fonction d'une liaison rotule avec, en plus, un débattement d'au moins un demi-angle solide, ce qui augmente l'espace de travail.This embodiment allows the occurrence of a self-alignment phenomenon to ensure the function of a ball joint with, in addition, a movement of at least one half-solid angle, which increases the working space .
Il est bien entendu qu'un dispositif dont les pantographes sont associés d'une manière différente de celle représentée sur les figures 5 à 9, ne sort pas du cadre de la présente invention. En effet, on pourrait prévoir que le premier actionneur 110 agisse au niveau de Ai et que le deuxième pantographe 200 soit associé au premier au niveau de Bi. Dans ce cas les relations entre les différents rapports d'homothétie seraient modifiées si l'on souhaite avoir des relations identiques pour chacun des actionneurs (cf. tableau représenté en figure 12, les références ©, © et © associés aux actionneurs, indiquent la direction linéaire de chacun).It is understood that a device whose pantographs are associated in a different way from that shown in Figures 5 to 9, is not beyond the scope of the present invention. Indeed, it could be expected that the first actuator 110 acts at Ai and the second pantograph 200 is associated with the first at Bi. In this case the relations between the different homothetic ratios would be modified if it is desired to have identical relations for each of the actuators (see table represented in FIG. 12, the references ©, © and © associated with the actuators, indicate the direction linear of each).
Le dispositif selon la présente invention permet de réaliser un robot télémanipulateur ou interface haptique dont les relations entre les actionneurs et l'extrémité active sont linéaires et invariables quelle que soit la position de l'extrémité Mi. De manière particulièrement avantageuse, ces relations peuvent en outre être rendues toutes identiques, i.e. ayant le même coefficient de proportionnalité.The device according to the present invention makes it possible to realize a robot manipulator or haptic interface whose relations between the actuators and the active end are linear and invariable regardless of the position of the end Mi. In a particularly advantageous manner, these relationships can in in addition to being made all identical, ie having the same coefficient of proportionality.
Selon un exemple particulier du mode de réalisation décrit en figures 8-11, le pantographe triple utilisé est du type Mi-AiM2-B2B3-M3. On choisit un premier pantographe ayant une valeur ki = 2. On choisit ensuite le second pantographe, avec pour k2 = 3 et le troisième pantographe tel que k2 = 3/2. On obtient ainsi un pantographe à trois degrés de liberté, dont les actionneurs sont fixes et indépendants les uns des autres, et dont les déplacements de l'extrémité active (Mi) sont homogènes dans les trois directions sur tout l'espace de travail. Sur la figure 13, on peut voir un exemple de réalisation d'un actionneur linéaire pouvant être mis en œuvre dans un dispositif de la présente invention.According to a particular example of the embodiment described in FIGS. 8-11, the triple pantograph used is of the Mi-AiM 2 -B 2 B 3 -M 3 type . We choose a first pantograph with a value ki = 2. We then choose the second pantograph, with k 2 = 3 and the third pantograph such that k 2 = 3/2. This gives a pantograph with three degrees of freedom, the actuators are fixed and independent of each other, and the movements of the active end (Mi) are homogeneous in all three directions over the entire working space. In Figure 13, we can see an embodiment of a linear actuator that can be implemented in a device of the present invention.
L'actionneur 400 comporte un première 402 et une deuxième poulie 404 de même diamètre disposées à distance l'une de l'autre, les axes de rotation des poulies étant parallèles.The actuator 400 comprises a first 402 and a second pulley 404 of the same diameter disposed at a distance from one another, the axes of rotation of the pulleys being parallel.
Une courroie 406 est enroulée autour des poulies 402, 404 et est entraînée par celles-ci.A belt 406 is wrapped around the pulleys 402, 404 and is driven by them.
L'actionneur comporte également un chariot 408 solidaire en mouvement de la courroie 406 et est apte à se déplacer entre les deux poulies 402, 404 selon une direction axiale W.The actuator also comprises a carriage 408 integral in motion of the belt 406 and is able to move between the two pulleys 402, 404 in an axial direction W.
De manière avantageuse, des moyens de guidage 410 du chariot 408 selon la direction W sont prévus. Ils sont formés, dans l'exemple représenté, par un rail 410 s'étendant entre les deux poulies 402, 404 d'axe parallèle à l'axe W, et sur lequel une semelle 409 du chariot 408 coulisse, la semelle 409 est munie d'une forme pour recevoir le rail 410. Pour cela le chariot 408 comporte par exemple un passage 412 de dimensions ajustées à celles du rail 410.Advantageously, guide means 410 of the carriage 408 in the direction W are provided. They are formed, in the example shown, by a rail 410 extending between the two pulleys 402, 404 of axis parallel to the axis W, and on which a sole 409 of the carriage 408 slides, the sole 409 is provided of a form for receiving the rail 410. For this the carriage 408 comprises for example a passage 412 of dimensions adjusted to those of the rail 410.
Ainsi le déplacement du chariot est égal au produit du rayon des poulies par leur angle de rotation, le sens de déplacement du chariot dépendant du sens de rotation des poulies.Thus the displacement of the carriage is equal to the product of the radius of the pulleys by their angle of rotation, the direction of movement of the carriage depending on the direction of rotation of the pulleys.
Appliqué au dispositif des figures 1 et 2, le chariot peut être fixé au bras 206 du deuxième pantographe par l'articulation Al.Applied to the device of Figures 1 and 2, the carriage can be attached to the arm 206 of the second pantograph by the Al joint.
On pourrait prévoir un actionneur avec des poulies de diamètre différent, il faudrait dans ce cas des poulies tournant à des vitesses différentes. L'actionneur 400 peut également être utilisé pour les actionneurs 110 et 310.An actuator could be provided with pulleys of different diameter, it should in this case pulleys rotating at different speeds. The actuator 400 can also be used for the actuators 110 and 310.
Sur la figure 14, on peut voir un exemple de réalisation d'un positionneur bidirectionnel 512 particulièrement adapté à l'actionnement d'un dispositif articulé à pantographe. Le positionneur 512 comporte deux poulies 516, 518 d'axes parallèles, les centres de poulies 516, 518 étant alignés selon une première direction Xl. Ces axes sont orthogonaux à la direction Xl. Chaque poulie 516, 518 est montée en rotation sur un châssis 520. Le positionneur 512 comporte également une courroie 20 enroulée autour des poulies 516, 518. Il est entendu que la courroie 520 formant moyen de transmission peut être également formée, par exemple par une chaîne.In Figure 14, we can see an embodiment of a bidirectional positioner 512 particularly suitable for actuating an articulated pantograph device. The positioner 512 comprises two pulleys 516, 518 of parallel axes, the pulley centers 516, 518 being aligned in a first direction X1. These axes are orthogonal to the direction Xl. Each pulley 516, 518 is rotatably mounted on a frame 520. The positioner 512 also comprises a belt 20 wound around the pulleys 516, 518. It will be understood that the belt 520 forming transmission means may also be formed, for example by a chain.
Ces poulies sont aptes à être entraînées en rotation par des moyens extérieurs, par exemple par un ou plusieurs moteurs ou manuellement, pour déplacer la courroie 520. Elles seront appelées poulies motrices par la suite.These pulleys are able to be rotated by external means, for example by one or more motors or manually, to move the belt 520. They will be called driving pulleys thereafter.
Le positionneur 512 comporte également un chariot 522 comportant quatre poulies 524.1 à 524.4 de renvoi dans l'exemple représenté, montées libres en rotation sur le chariot et autour desquelles la courroie 520 chemine, une tige 526 d'axe longitudinal Zl montée mobile en translation selon son axe Zl sur le chariot 522, dont une première extrémité 526.1 est munie d'une poulie 528 montée libre en rotation sur la tige 526, et dont une deuxième extrémité longitudinale 526.2 est reliée au point F.The positioner 512 also comprises a carriage 522 comprising four return pulleys 524.1 to 524.4 in the example shown, mounted free to rotate on the carriage and around which the belt 520 travels, a rod 526 of longitudinal axis Z1 mounted to move in translation according to its axis Z1 on the carriage 522, a first end 526.1 is provided with a pulley 528 rotatably mounted on the rod 526, and a second longitudinal end 526.2 is connected to the point F.
L'extrémité F de la tige forme l'extrémité active du positionneur destinée à être reliée à un organe à déplacer. Le chariot 522 a dans l'exemple représenté sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle dont les médiatrices sont parallèles aux axes Xl et Zl. Les poulies 524.1 à 524.4 sont montées aux quatre coins du chariot 522.The end F of the rod forms the active end of the positioner intended to be connected to a member to move. The carriage 522 has in the example shown substantially in the shape of a rectangular parallelepiped whose mediators are parallel to the axes Xl and Zl. The pulleys 524.1 to 524.4 are mounted at the four corners of the carriage 522.
La courroie 520 comporte une première extrémité 520.1 fixée sur la tige 526 au niveau de sa deuxième extrémité longitudinale 526.2 et une deuxième extrémité 520.2 également fixée à la deuxième extrémité longitudinale 526.2 de la tige 526.The belt 520 has a first end 520.1 fixed to the rod 526 at its second longitudinal end 526.2 and a second end 520.2 also fixed to the second longitudinal end 526.2 of the rod 526.
La courroie suit le cheminement suivant : elle est fixée par son extrémité 520.1 à la deuxième extrémité 526.2 de la tige 526, chemine selon l'axe Zl jusqu'à la poulie de renvoi 524.1, puis chemine le long de l'axe Xl jusqu'à la poulie motrice 516, s'enroule autour de celle-ci pour repartir en sens inverse dans la direction de l'axe Xl jusqu'à la poulie de renvoi 524.2. La courroie 520 bifurque ensuite à angle droit et chemine jusqu'à la poulie 528 montée sur la tige 526, repart en sens inverse et chemine jusqu'à la poulie de renvoi 524.3, où elle bifurque à angle droit et chemine le long de l'axe Xl jusqu'à la poulie motrice 518 sur laquelle elle s'enroule pour repartir en sens inverse selon l'axe Xl. Elle s'enroule ensuite autour de la poulie de renvoi 524.4, bifurque à angle droit, chemine le long de l'axe Zl jusqu'à la deuxième extrémité 526.2 de la tige 526 à laquelle elle est fixée.The belt follows the following path: it is fixed by its end 520.1 to the second end 526.2 of the rod 526, runs along the axis Z1 to the deflection pulley 524.1, then travels along the axis X1 to the drive pulley 516, wraps around it to start in the opposite direction in the direction of the axis Xl to to the pulley 524.2. The belt 520 then bifurcates at a right angle and travels to the pulley 528 mounted on the rod 526, starts in the opposite direction and travels to the pulley 524.3, where it forks at right angles and travels along the Xl axis up to the drive pulley 518 on which it winds to start in the opposite direction along the axis Xl. It then wraps around the pulley 524.4, forks at right angles, travels along the axis Z1 to the second end 526.2 of the rod 526 to which it is attached.
La courroie 520 forme alors sensiblement une croix. Suivant la direction et l'angle de rotation des poulies motrices 516, 518, le point H se déplace selon l'axe Xl uniquement, selon l'axe Zl uniquement ou selon une direction intermédiaire. Les poulies motrices 516, 518 sont montées en rotation sur un châssis comportant un montant 530 s'étendant entre les deux poulies. Le montant forme avantageusement un rail de guidage pour le chariot 522, comme cela est particulièrement visible sur la figure 14.The belt 520 then substantially forms a cross. According to the direction and angle of rotation of the driving pulleys 516, 518, the point H moves along the axis X1 only, along the axis Z1 only or in an intermediate direction. The drive pulleys 516, 518 are rotatably mounted on a chassis comprising a post 530 extending between the two pulleys. The amount advantageously forms a guide rail for the carriage 522, as is particularly visible in FIG. 14.
De manière avantageuse également, la tige 526 est montée à coulissement dans une rainure du chariot, la rainure étant d'axe Zl, formant ainsi un rail de guidage pour la tige 526.Advantageously also, the rod 526 is slidably mounted in a groove of the carriage, the groove being of axis Z1, thereby forming a guide rail for the rod 526.
Le déplacement du point H selon l'axe Xl peut s'écrire : Tx(H) = - (R516α516 + R518α518)/2 (I) TZ(H) = - (R16α516 - R18α518)/2 (II) R516, R518 étant respectivement les rayons des poulies motrices 516, 518,The displacement of the point H along the axis X1 can be written as: Tx (H) = - (R516α516 + R518α518) / 2 (I) TZ (H) = - (R16α516 - R18α518) / 2 (II) R516, R518 being respectively the spokes of the driving pulleys 516, 518,
A516, α518 étant respectivement les angles de rotation des poulies 516, 518. Les masses des actionneurs n'interviennent pas dans l'inertie du système car ils sont fixes.A516, α518 being respectively the rotation angles of the pulleys 516, 518. The masses of the actuators do not intervene in the inertia of the system because they are fixed.
De manière particulièrement avantageuse, on prévoit que les poulies 516, 518 aient le même rayon R', ainsi les relations (I) et (II) peuvent s'écrire :In a particularly advantageous manner, it is expected that the pulleys 516, 518 have the same radius R ', thus the relations (I) and (II) can be written:
TxI(H) = - R'(α516 + α518)/2 (I)TxI (H) = - R '(α516 + α518) / 2 (I)
TZl(H) = - R'(α516 - α518)/2 (II)TZ1 (H) = - R '(α516 - α518) / 2 (II)
Ceci permet de simplifier la commande du positionneur et d'homogénéiser les relations entre angles et déplacement dans les deux sens de mouvement.This makes it possible to simplify the control of the positioner and to homogenize the relations between angles and displacement in the two directions of movement.
En effet, dans cet exemple de réalisation particulier, un déplacement de H selon l'axe Xl seulement est obtenu en entraînant en rotation les deux poulies motrices 516, 518 dans le même sens et selon un angle de même amplitude. Un déplacement selon l'axe Zl seulement est obtenu en entraînant en rotation les deux poulies motrices 516, 518 dans des sens opposées et selon un angle de même amplitude.Indeed, in this particular embodiment, a displacement of H along the axis X1 only is obtained by rotating the two drive pulleys 516, 518 in the same direction and at an angle of the same amplitude. A displacement along the Zl axis only is obtained by rotating the two drive pulleys 516, 518 in opposite directions and at an angle of the same amplitude.
Dans l'exemple représenté, les axes Xl et Zl sont orthogonaux, mais on pourrait prévoir des axes orientés de manière quelconque. Le positionneur bidirectionnel de la figure 14 est particulièrement adapté pour actionner le dispositif à pantographe à parallélogramme déformable. Sur la figure 15, on peut voir un dispositif à pantographe actionné par un positionneur selon la figure 13 et un positionneur selon la figure 14. In the example shown, the axes X1 and Z1 are orthogonal, but one could provide axes oriented in any way. The bidirectional positioner of FIG. 14 is particularly suitable for actuating the deformable parallelogram pantograph device. FIG. 15 shows a pantograph device actuated by a positioner according to FIG. 13 and a positioner according to FIG. 14.
Claims
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