Les robots mobiles peuvent tre répartis en familles d'aspects très différents. Parmi celles qui méritent plus particulièrement l'attention, on doit mentionner les robots humanoïdes qui sont conçus pour se déplacer en marchant, car ils conviennent bien pour se déplacer sur le sol naturel ou dans des bâtiments usuels comprenant des obstacles tels que des escaliers, des dénivellations brusques ou des passages étroits et sinueux. Le développement de ces robots marcheurs se heurte toutefois à des difficultés provenant de la complexité mécanique de la jambe humaine et de la commande de la démarche. Les jambes de l'homme présentent en effet des articulations assez nombreuses pour lui permettre de se déplacer sur des terrains irréguliers ou inégaux sans perdre l'équilibre, ce qui impose une coordination des mouvements, assez longue à acquérir, pour maintenir un équilibre dynamique. Le problème du maintien de l'équilibre est encore compliqué si le robot doit porter une charge lourde à une portion supérieure, située à l'équivalent du tronc ou de la cage thoracique de l'homme. Un brevet

décrivant un robot bipède typique est le brevet américain 5 159 988, où les jambes artificielles sont composés de segments et d'articulations les joignant, et particulièrement d'un pied, d'une cheville à cardan, d'une jambe (proprement dite), d'un genou à articulation simple, d'une cuisse et d'une hanche à cardan, qui est reliée à un tronc, ou corps principal, du robot. Si on examine plus particulièrement le contenu de ce document, on voit que les articulations de cheville, de genou et de hanche sont particulièrement volumineuses, notamment aux articulations doubles équipées d'un cardan. La commande de chaque axe des articulations est faite par un moteur équipé d'un réducteur qui fait tourner cet axe. Dans le cas d'un cardan, un des moteurs est situé devant un des axes du cardan et l'entraîne directement, alors que l'autre moteur est situé sur le segment adjacent de la jambe et entraîne l'autre axe par l'intermédiaire d'une courroie. Ces systèmes d'entraînement demandent des couples importants et des moteurs de puissance conséquente et donc volumineux. Le moteur placé à côté du cardan rend l'articulation particulièrement encombrante. Enfin, la disposition dissymétrique des moteurs est peu harmonieuse.

Un objet de l'invention est de proposer un actionneur simple, commode et léger, convenant pour équiper des articulations situées entre deux éléments de structure tels que les segments d'un robot bipède ou d'un engin du mme genre, alors mme que des efforts importants sont à fournir.

Un autre objet de l'invention est de fournir un actionneur universel, c'est-à-dire qui convienne pour toutes les articulations de la jambe d'un robot mobile et qui soit toujours sensiblement placé de la mme façon par rapport à l'articulation.

Les actionneurs de la jambe sont de préférence identiques par leur constitution, nonobstant des variations éventuelles de dimensions.

L'actionneur est caractérisé d'abord par une combinaison d'un système à vis et écrou et d'un système à bielle et manivelle ; le. moteur fait tourner la vis et la manivelle fait tourner l'axe d'articulation. Ces deux mécanismes sont connus séparément depuis très longtemps pour effectuer des conversions de mouvements, et le mécanisme à vis et écrou a déjà retenu l'attention en robotique en raison de sa grande réduction de vitesse, de sa précision et de sa résistance nominale aux efforts ; et la manivelle forme un moyen robuste et commode de convertir les poussées des bielles en rotations de l'articulation.

Mais la vis comme les bielles sont des pièces peu rigides et aptes à se déformer facilement par flambage ; et les incertitudes de dimensions et de position de montage des pièces de ces mécanismes font apparaître des jeux ou des précontraintes, des excentrements, des porte-à-faux, etc. qui engendrent des contraintes supplémentaires considérables en service. Ces facteurs défavorables conduisent les fabricants de systèmes de transmission à vis et écrou à admettre que leurs produits ne résistent, dans des conditions réelles d'utilisation, qu'à une fraction de

leur résistance nominale, obtenue par calcul ou mesurée dans des bonnes conditions d'essai. Tout cela explique pourquoi de tels mécanismes n'ont pas connu le succès auquel on aurait pu s'attendre et que les actionneurs volumineux du brevet 5 159 988 n'ont pas véritablement été supplantés.

La combinaison des mécanismes à vis et écrou et à bielle et manivelle est faite, d'après l'invention, en les montant sur les éléments de structure reliés par l'articulation de façon que les défauts de montage se corrigent d'eux-mmes, ce qui fait. disparaître les efforts supplémentaires imprévisibles et surtout les efforts dissymétriques responsables du flambement. Les pièces de l'actionneur ne sont guère soumises qu'aux efforts prévus par calcul pour commander les mouvements d'articulation et peuvent donc tre prévues assez fines.

Ces avantages ne dépendent pas des structures articulées reliées par l'actionneur, et c'est pourquoi l'invention est relative d'abord à un actionneur en tant que tel. Toutefois, il est certain que cet actionneur sera particulièrement avantageux sur les membres de robot et particulièrement les jambes de robots marcheurs, qui seront simplifiées, allégées et auront un aspect plus agréable. L'application de l'actionneur à ces robots est donc un autre sujet de l'invention.

De façon plus explicite, l'actionneur, agissant sur une articulation entre un premier élément de structure et un second élément de structure, comprend un moteur fixé au premier élément, une vis que

le moteur fait tourner, un écrou engagé sur la vis, et il est original en ce qu'il comprend un chariot assujetti à l'écrou en direction de la vis, une glissière sensiblement parallèle à la vis, fixée au premier élément et sur laquelle le chariot est monté, une paire de biellettes parallèles, s'étendant symétriquement à la vis et articulées au chariot par une extrémité et à un axe de basculement de l'articulation assujetti au second élément par l'autre extrémité, l'axe de basculement étant sensiblement perpendiculaire à la vis, le chariot étant assujetti à l'écrou avec une liberté de translation perpendiculairement à la vis et l'axe étant assujetti à l'articulation avec une liberté de rotation.

Sous une forme particulière de l'actionneur, la glissière est fixée au premier élément par une liaison permettant un réglage de position de la glissière sur le premier élément ; notamment, il est préconisé que la glissière soit plate et portée sur une surface plate du premier élément, la liaison comprenne une paire de vis de fixation à tte plate engagées dans des trous taraudés du premier élément à travers des encoches de la glissière dans lesquelles elles jouent, et le chariot soit assujetti à l'écrou avec une liberté de translation perpendiculairement à la surface plate.

Par ailleurs, on conseille que l'axe soit assujetti à l'articulation par un pivot autour duquel l'axe est articulé.

Les divers aspects d'une réalisation particulière de l'invention et de certaines de ses

applications préférées seront maintenant décrits au moyen des figures que voici : * la figure 1 est une vue générale d'un actionneur, * les figures 2 et 3 représentent deux détails de l'actionneur, * la figure 4 est une vue d'un actionneur double, * la figure 5 illustre un robot équipé des actionneurs précédents, * et les figures 6 et 7 représentent deux portions de ce robot.

Sur les figures 1 à 3 est représenté un actionneur simple conforme à l'invention. Il est entraîné par un moteur 1 qui meut en rotation, au-delà d'une transmission 2, une vis sans fin 3 sur laquelle un écrou 4 est engagé. Une bague 5 est solidaire de l'écrou 4, et ils retiennent entre eux un arceau 6 uni à un chariot 7 ; l'arceau 6 est muni de deux ergots 8 qui pénètrent dans deux rainures 9, opérées à travers deux portions opposées de la périphérie de l'écrou 4 en direction de la vis 3. Le chariot 7 porte deux paires de galets 10 qui permettent de le guider sur un rail 11 posé sur une surface plate 12 d'un segment 13 de structure (ici, un membre artificiel de robot) formé pour la plus grande partie d'une plaque plane ; le rail 11 faisant office de glissière est fixé au segment 13 par une paire de vis à tte plate 14 engagées dans des taraudages du segment 13 et jouant dans des encoches 56 du rail 11, à travers lesquelles elles sont engagées.

L'arceau 6 comprend encore deux manetons 15 latéraux opposés et en prolongement auxquels sont articulées deux biellettes 16 (une seule étant

représentée à la figure 1) dont la direction d'extension est voisine de celle de la vis sans fin 3 et du rail 11 ; les extrémités des biellettes 16 qui sont opposées aux manetons 15 sont articulées aux deux bouts d'un axe 17 engagé à travers un trou oblong 18 d'un second segment 19 de la structure, retenu au premier segment 13 par une articulation 20. De plus, un pivot 21 est engagé dans le second segment 19 et traverse le trou oblong 18 ainsi que l'axe 17 en lui permettant de pivoter dans le trou oblong 18. Le second segment 19 est de forme coudée entre l'axe 17 et l'articulation 20 et constitue là une manivelle.

Quand le moteur 1 tourne, la rotation de la vis 3 élève ou abaisse l'écrou 4 et concomitamment le chariot 7, ce qui déplace encore les biellettes 16 et fait tourner le second segment 19 par rapport au premier 13. Le fonctionnement convenable de l'actionneur, sans hyperstaticité et donc sans contraintes internes superflues, est toutefois garanti par d'autres moyens précédemment décrits. Le rail 11 est ainsi mobile en direction latérale si les vis à tte plate 14 sont desserrées. Au cours d'un réglage préliminaire, on fait parcourir une grande partie de sa course totale au chariot 7, de manière que les galets 10 orientent le rail 11 parallèlement à la vis sans fin 3, après quoi les vis à tte plate 14 sont serrées, et l'actionneur devient apte à assurer sa fonction sans qu'on craigne que des contraintes ne soient produites dans l'écrou 4 ou le chariot 7 à cause d'un décalage latéral entre la vis sans fin 3 et le rail 11. Le mouvement correcteur d'orientation du rail 11 est

possible puisqu'il est posé sur la surface plate 12 du premier segment 13 et que les vis à tte plate 14 n'exercent pas de centrage et peuvent donc tre serrées sur tout endroit du rail 11, dont la face apparente est aussi plate.

Un autre mouvement correcteur est offert par la liaison particulière entre l'écrou 4 et l'arceau 6 : les ergots 8, n'entrant pas jusqu'au fond des rainures 9, permettent à l'arceau 6 de se déplacer par rapport à l'écrou 4 si la vis sans fin 3 est orientée obliquement, en s'approchant ou's'éloignant de la surface plate 12 du segment 13. Enfin, le pivotement libre de l'axe 17 autour du pivot 21, oblique à la vis sans fin 3, permet de corriger une inclinaison éventuelle du chariot 7 et de ses manetons 15, ou une différence de longueur des biellettes 16.

Ces trois raffinements permettent d'éliminer respectivement les efforts internes latéraux, frontaux et axiaux tout en éliminant les différences de chargement des biellettes 16. La précision du guidage est cependant maintenue puisque le jeu dans l'actionneur en direction de la vis 3 est très faible ; en particulier, l'arceau 6 est retenu sans jeu entre la bague 5 et l'écrou 4. L'actionneur est alors parfaitement isostatique, si bien qu'aucun effort interne provenant d'erreurs ou d'imprécisions de montage n'y est développé et qu'il peut tre construit plus légèrement pour un effort nominal égal à transmettre.

D'autres systèmes existent pour garantir l'isostaticité de la transmission, notamment si

l'arceau 6 est mobile par rapport à l'écrou dans les directions latérale et frontale à la fois.

La figure 4 montre l'emploi combiné d'une paire de ces actionneurs (31 et 32) entre deux éléments de structure doublement articulés, comme un pied 30 de robot et une plaque 33 de structure de jambe qu'un cardan 57 relie entre eux. Les actionneurs sont montés derrière la plaque 33, côte à côte à gauche et à droite de la structure de jambe des deux côtés d'un plan sagittal passant par le cardan 57 ; ils sont parallèles entre eux. Leurs moteurs 1 sont en haut, sous l'articulation de genou, et leurs vis 3 et biellettes 16 s'étendent vers le bas, jusqu'à deux articulations 35 et 36 dans lesquelles les axes 17 des biellettes sont retenus ; les articulations 35 et 36 se composent de chapes 37 fixées au pied 30 et de paliers 38 articulés aux chapes 37 par des pivots 39 dirigés vers l'avant. Les chapes 37 jouent le mme rôle que les trous oblongs 18 et les pivots 39 assurant la mme fonction que les pivots 21. Cette structure se prte à deux modes de fonctionnement préférés : si les actionneurs 31 et 32 sont mus de la mme manière, l'avant du pied 30 s'élève ou s'abaisse ; et s'ils sont mus de quantités différentes, notamment opposées, ou si un seul est mû, le pied 30 s'incline sur le côté.

L'inclinaison est rendue possible par la rotation des paliers 38 sur les chapes 37. Une commande facile de l'orientation du pied 30 est ainsi accomplie, et on remarque que mme la présence d'un deuxième actionneur ne rend pas la structure très volumineuse.

Un robot bipède et anthropomorphe est représenté à la figure 5 ; il comprend une charge utile 40, une structure de tronc 41 portant la charge utile 40, une structure de bassin 55 soutenant la structure de tronc 41 par un cardan d'articulation lombaire 42, et deux jambes 43 et 44 soutenant la structure de bassin 55 par des articulations de hanche 45 ; les jambes 43 et 44 comprennent encore des plaques 46 de structure de cuisse qui s'étendent des articulations de hanche 45 aux articulations de genou 34, où elles sont unies aux éléments déjà décrits de la figure 4.

Des actionneurs semblables à ceux qui ont été décrits sont seuls utilisés pour commander les mouvements du robot, ainsi qu'il appert mieux des figures 6 et 7. Comme l'articulation lombaire 42 est double, elle est commandée par deux actionneurs 47 et 48 parallèles et symétriques, à la façon des actionneurs 31 et 32 des articulations de cheville.

Leurs moteurs 1 sont fixés à la structure de tronc 41, et leurs vis sans fin 3 et biellettes 16 s'étendent vers le bas, au dos du robot, jusqu'à des extrémités libres de bras 49 d'un levier bifurquant 50 qui est fixé à la structure de bassin 55. Le cardan de l'articulation lombaire 42 s'étend entre le noeud du levier bifurquant 50 et la structure de tronc 41. Si les actionneurs 47 et 48 sont mus de la mme façon, les bras 49 resteront à un mme niveau et la charge utile 40 basculera entre l'avant et l'arrière ; sinon, elle basculera de côté. Les bras 49 sont articulés aux biellettes 16 et à leurs axes 17 par des dispositif à

chapes 37 articulées à des paliers. 38 semblables à ceux de la figure 4.

La plaque 46 de structure de cuisse porte deux actionneurs 52 et 53 pour commander respectivement les articulations de genou 34 et de hanche 45.

Contrairement aux situations précédentes, ils sont dissymétriques et à des niveaux différents, ce qui n'est pas gnant puisqu'ils travaillent indépendemment sur des articulations simples respectives. Leur description est strictement conforme à celle des figures 1 à 3.

Dans toutes ces réalisations, des transmissions 2 de genres différents peuvent tre choisies pour coupler les vis sans fin 3 aux arbres de sortie des moteurs 1, mais on aura constaté que des systèmes à courroie crantée tendue entre deux poulies ont en général été adoptés. De telles transmissions permettent de décaler les axes de l'arbre de sortie et de la vis sans fin et offrent une grande latitude pour disposer les parties de l'actionneur. Des renvois d'angle peuvent tre introduits, comme on le voit à la figure 6, où les arbres de sortie des moteurs 1 sont orientés vers le haut mais les vis sans fin 3 s'étendent vers le bas, à côté des moteurs 1. Cette disposition réduit l'encombrement longitudinal de l'actionneur et convient aux éléments de structure courts et larges, comme la structure de tronc 41 ; mais comme les jambes sont formées d'éléments plutôt longs et fins, il est en général avantageux que les moteurs 1 et les vis sans fin 3 soient en prolongement, comme à la figure 1.