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Title:
KINEMATIC TRANSFORMATION DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/088167
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for the reversible kinematic transformation of the movements of three mobile parts into the movements of a mobile tool, whereby each mobile part is connected to the mobile tool by means of a specific kinematic linkage (22A to 22C). The invention is characterised in that the mobile parts move in translation along parallel rectilinear axes, each kinematic linkage comprising connecting elements (63A to 63C, 66A to 66C) which are equivalent in total to four pivot connectors.

Inventors:
FLORENS JEAN-LOUP (FR)
CADOZ CLAUDE (FR)
BROCARD GUILLAUME (FR)
LUCIANI ANNIE (FR)
MANDELBAUM CECILE (FR)
Application Number:
PCT/FR2005/050155
Publication Date:
September 22, 2005
Filing Date:
March 10, 2005
Export Citation:
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Assignee:
INST NAT POLYTECH GRENOBLE (FR)
FLORENS JEAN-LOUP (FR)
CADOZ CLAUDE (FR)
BROCARD GUILLAUME (FR)
LUCIANI ANNIE (FR)
MANDELBAUM CECILE (FR)
International Classes:
B23Q1/54; B25J17/02; F16H21/02; F16H21/46; (IPC1-7): F16H21/46; B25J17/02; B23Q1/54
Domestic Patent References:
WO2003004223A22003-01-16
Foreign References:
DE10211055A12003-10-09
US5378282A1995-01-03
SU1668784A11991-08-07
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
De Beaumont, Michel (1 Rue Champollion, GRENOBLE, FR)
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Description:
DISPOSITIF DE TRANSFORMATION CINEMATIQUE

La présente invention concerne le domaine des transformateurs cinématiques. Plus particulièrement, elle concerne un transformateur cinématique transformant les mouvements d'une ou de plusieurs pièces mobiles en mouvements d'un outil mobile, et réciproquement. Un transformateur cinématique permet de convertir les mouvements selon plusieurs degrés de liberté d'un outil mobile en mouvements « élémentaires » d'un nombre inférieur de degrés de liberté de pièces mobiles. De façon générale, on cherche à obtenir des mouvements élémentaires à un unique degré de liberté des pièces mobiles. Les mouvements élémentaires peuvent facilement être produits par des actionneurs, ou facilement être mesurés par des capteurs. Les transformateurs cinématiques se divisent essentiellement en deux familles : les transformateurs série et les transformateurs parallèle. Dans le cas d'un transformateur cinématique série, l'outil mobile est relié à une unique chaîne cinématique qui comprend les pièces mobiles. Un exemple de transformateur cinématique série correspond aux bras robotisés utilisés dans l'usinage assisté par ordinateur. Un outil devant usiner une pièce à fabriquer est porté à l'extrémité d'un bras porteur qui se compose de plusieurs branches montées en série et articulées les unes par rapport aux autres. Le pivotement d'une branche par rapport à la branche voisine est obtenu au moyen de moteurs électriques. En commandant les différents moteurs électriques par des signaux adaptés, il est possible de déplacer l'outil dans l'espace éventuellement selon six degrés de liberté. Un tel transformateur cinématique est souvent volumineux et de structure complexe. En outre, les moteurs électriques étant répartis à différents emplacements sur le bras porteur, le transformateur cinématique présente d'importantes masses en mouvement qui sont préjudiciables aux performances du transformateur. Un transformateur cinématique parallèle comprend plusieurs chaînes cinématiques, chaque chaîne cinématique reliant l'outil mobile à une pièce mobile ou plusieurs pièces mobiles. Un exemple de transformateur cinématique parallèle concerne un simulateur de mouvements pour châssis de véhicule automobile dans lequel un châssis de véhicule automobile est monté sur une base fixe par quatre vérins hydrauliques, chaque vérin ayant une première extrémité reliée à la base et une seconde extrémité reliée au châssis. Les quatre vérins sont commandés indépendamment pour obtenir le déplacement du châssis. Un tel dispositif est généralement volumineux, en particulier dans le cas où l'on souhaite commander un outil mobile ayant un nombre élevé de degrés de liberté. La présente invention vise à obtenir un transformateur cinématique parallèle occupant un faible volume. En particulier, la présente invention vise à obtenir un transformateur cinématique pour lequel le degré de liberté de chaque pièce mobile est un degré de translation selon un axe fixe. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de transformation cinématique réversible de mouvements d'au moins trois pièces mobiles en mouvements d'un outil mobile, chaque pièce mobile étant reliée à l'outil mobile par une chaîne cinématique au moins en partie spécifique, dans lequel les pièces mobiles se déplacent en translation selon des directions rectilignes parallèles, chaque chaîne cinématique comprenant des éléments de liaison équivalents au total à quatre liaisons pivotantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est isostatique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les pièces mobiles sont alignées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les pièces mobiles sont régulièrement espacées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque chaîne cinématique comprend une rotule et une liaison pivotante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque chaîne cinématique comprend deux cardans. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente un exemple d'actionneur linéaire pouvant être associé à un transformateur cinématique selon 1'invention ; la figure 2 représente un schéma cinématique d'un transformateur cinématique pour un outil mobile à trois degrés de liberté ; la figure 3 représente un exemple de réalisation du schéma cinématique de la figure 2 ; la figure 4 représente un exemple de liaison par cardan ; et la figure 5 représente un autre exemple de réalisation du schéma cinématique de la figure 2. Le principe de la présente invention consiste à transformer des mouvements selon différents degrés de liberté de 1"outil mobile en autant de mouvements rectilignes parallèles de pièces mobiles. Dans les modes de réalisation décrits par la suite, les pièces mobiles correspondent aux parties mobiles d'actionneurs linéaires. Inversement, la présente invention permet de transformer des mouvements rectilignes parallèles de pièces mobiles en mouvements selon différents degrés de liberté de 1'outil mobile. La figure 1 représente un exemple d'actionneur linéaire 10 comportant une base fixe 11 et six parties ou tranches mobiles 12A à 12F. Chaque tranche mobile 12A à 12F est susceptible de se déplacer de façon autonome, par rapport à la base fixe 11, selon un axe parallèle à un axe OZ, sur une plage, par exemple de 2 cm. Les tranches mobiles 12A à 12F sont disposées de sorte que leurs axes de déplacements soient coplanaires et régulièrement espacés, par exemple d'une dizaine de centimètres. Chaque tranche mobile 12A à 12F comporte un alésage 13A à 13F pouvant recevoir des moyens de fixation d'un élément extérieur sur la tranche mobile 12A à 12F. Lorsque les tranches mobiles 12A à 12F ne sont pas sollicitées, les différents alésages 13A à 13F sont coaxiaux selon un axe OX, perpendiculaire à l'axe OZ. Le plan (XOZ) forme un plan médian des tranches mobiles 12A à 12F. Les axes OZ et OX forment avec un axe OY perpendiculaire au plan (XOZ) un repère orthonormé. Six tranches mobiles 12A à 12F ont été représentées sur la figure 1. Il est clair que l'actionneur linéaire 10 peut comprendre un nombre variable de tranches mobiles selon l'utilisation souhaitée comme il apparaîtra par la suite. En outre, un nombre limité de tranches mobiles 12A à 12F peut être utilisé parmi les six tranches mobiles disponibles de l'actionneur linéaire 10 de la figure 1. Un exemple d'actionneur linéaire de ce type est décrit dans le brevet européen EP 0365441 de la demanderesse. Une condition pour obtenir un transformateur cinématique qui présente un minimum de jeux structurels et de l'

pertes d'énergie par frottement est que le transformateur cinématique est isostatique. Sur la figure 2, on a représenté une possibilité de schéma cinématique d'un transformateur cinématique isostatique parallèle transformant les mouvements d'un objet mobile 20 ayant trois degrés de liberté en mouvements de translations de trois tranches mobiles 12A, 12B, 12C et réciproquement. Sur la figure 2, l'outil mobile 20 est relié aux trois tranches mobiles 12A, 12B, 12C par des chaînes cinématiques correspondantes 22A, 22B, 22C. Chaque chaîne cinématique 22A, 22B, 22C comprend plusieurs branches rigides 23, chaque branche 23 étant reliée à une autre branche par une liaison pivotante 24, c'est-à-dire une liaison à un degré de liberté de rotation. A titre d'exemple, une liaison pivotante peut correspondre à deux arbres coaxiaux montés libres en rotation l'un par rapport à l'autre, deux liaisons pivotantes successives peuvent correspondre à un cardan, et trois liaisons pivotantes successives à une rotule. Une condition pour qu'un schéma cinématique de ce type corresponde à un transformateur cinématique réalisable est que chaque paire de chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C comprenne au total au moins sept liaisons pivotantes 24. La figure 2 représente un transformateur cinématique dont les trois chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C comprennent chacune quatre liaisons pivotantes 24. La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un transformateur cinématique selon le schéma cinématique représenté sur la figure 2. L'invention utilise actionneur 10 représenté sur la figure 1 dont seules trois tranches mobiles 12A, 12B, 12C participant à l'invention sont représentées. L'outil mobile 20 est constitué par un tripode dont les trois pieds 26A, 26B, 26C sont équidistants les uns des autres. Une tige 27 est fixée solidairement à une extrémité sur le tripode 20. L'extrémité opposée de la tige 27 est fixée solidairement à une manette sphérique 28 destinée à être manipulée par un utilisateur. La tige 27 et la manette sphérique 28 peuvent être remplacées par tout type d'embout, par exemple un embout sphérique, cruciforme, etc., selon l'utilisation prévue du transformateur cinématique. Chaque pied 26A, 26B, 26C est relié à une tranche mobile 12A, 12B, 12C de l'actionneur 10 par une chaîne cinématique 22A, 22B, 22C. Par la suite, les suffixes A, B, C désignent l'appartenance à l'une des chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C. Chaque chaîne cinématique 22A, 22B, 22C comporte un système de renvoi 3OA, 3OB, 3OC, en forme de "L", fixé solidairement à une extrémité à la tranche mobile 12A, 12B, 12C, au niveau de l'alésage 13A, 13B, 13C, et relié à l'extrémité opposée à un premier cardan 31A, 31B, 31C. Le premier cardan 31A, 31B, 3IC est relié à une extrémité d'un bras 32A, 32B, 32C pouvant, par exemple, avoir une longueur de 50 mm. L'extrémité opposée du bras est reliée à un second cardan 33A, 33B, 33C également relié à un pied 26A, 26B, 26C du tripode 20. Dans le présent exemple de réalisation, les systèmes de renvoi 30A, 3OB, 30C, et les bras 32A, 32B, 32C ont des formes et dimensions identiques pour les trois chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C. La figure 4 représente un exemple de réalisation des premier et second cardans 3IA à 31C et 33A à 33C. A titre explicatif, la figure 4 représente le premier cardan 31A. Le cardan 3IA comprend un premier arbre 35A, d'axe 36A, dont une extrémité est fixée solidairement au système de renvoi 3OA, et un second arbre 37A, d'axe 38A, dont une extrémité est fixée solidairement au bras 32A. L'extrémité opposée du premier arbre 35A se prolonge par une première fourche 39A dans laquelle est montée libre en rotation une première branche cylindrique 4OA, d'axe 4IA, d'un croisillon 42A. L'extrémité opposée du second arbre 37A se prolonge par une seconde fourche 43A dans laquelle est montée libre en rotation une seconde branche cylindrique 44A, d'axe 45A, du croisillon 42A. Les axes 4IA et 45A se coupent au point 46A appelé centre du premier cardan 31A. Les axes 4IA et 45A, 36A et 4IA, et 38A et 45A sont perpendiculaires deux à deux. Les deuxièmes cardans 33A à 33C ont une structure similaire à celle des premiers cardans 3IA à 31C. Les premiers arbres 35A à 35C des deuxièmes cardans 33A à 33C sont reliés solidairement respectivement aux bras 32A à 32C, et les seconds arbres 36A à 36C sont reliés respectivement solidairement aux pieds 2βA à 26C du tripode 20. Selon le présent exemple de réalisation, les systèmes de renvoi 3OA et 30C permettent de placer respectivement les centres 46A et 46C des premiers cardans 3IA et 31C à une distance d'environ 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des Y négatifs. Le système de renvoi 3OB permet de placer respectivement le centre 46B du premier cardan 46B à une distance de 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des Y positifs. Les axes 36A, 36B, 36C des premiers cardans 3IA, 31B et 31C sont orientés selon l'axe OZ. Les axes 4IA, 41B, 41C des premiers cardans 3IA, 3IB, 3IC sont donc parallèles au plan (XOY). Le premier cardan 41A de la chaîne cinématique 22A est agencé de sorte que l'axe 4IA fasse un angle de +135 degrés selon le sens trigonométrique avec l'axe OX. Le premier cardan 31C est agencé de sorte que l'axe 41C fasse un angle de +45 degrés par rapport à l'axe OX. Le premier cardan 3IB est agencé de sorte que l'axe 41B soit orienté selon l'axe OY. Les deuxièmes cardans 33A, 33B, 33C sont orientés de sorte que les trois centres 46A, 46B, 46C des deuxièmes cardans 33A, 33B, 33C soient disposés selon un triangle équilatéral, inscrit par exemple sur un cercle de 40 mm de diamètre. Les axes 45A, 45B, 45C des deuxièmes cardans 33A, 33B, 33C sont tangents à ce cercle. Pour l'exemple de réalisation de la figure 3, il est possible de placer deux transformateurs côte à côte et d'utiliser les six tranches 12A à 12F de l'actionneur 10. l'l'

La figure 5 représente un autre exemple de réalisation d'un transformateur cinématique selon le schéma cinématique de la figure 2. Deux transformateurs sont représentés côte à côte de façon à coopérer avec les six tranches (non représentées) de actionneur 10. Comme pour l'exemple de réalisation représenté en figure 3, chaque chaîne cinématique 22A, 22B, 22C d'un transformateur comprend un système de renvoi 3OA, 3OB, 3OC fixé solidairement à une extrémité à une tranche mobile 12A, 12B, 12C (non représentée) de actionneur 10 et relié à l'extrémité opposée à une rotule 63A, 63B, 63C. Un bras 64A, 64C est relié à la rotule 63A, 63B, 63C de chaque chaîne cinématique 22A, 22B, 22C et est libre selon les trois degrés de liberté de rotation au centre de la rotule 63A, 63B, 63C. Chaque bras 64A, 64B, 64C se prolonge par une fourche 65A, 65B, 65C dont les deux branches sont traversées par un arbre 66A, 66B, 66C par rapport auquel pivote le pied 26A, 26B, 26C d'un tripode. Dans cet exemple de réalisation, l'outil mobile 20 est constitué par le tripode dont les trois pieds 26A, 26B, 26C sont équidistants les uns des autres. Un orifice 67 est prévu dans le tripode, éventuellement pour la fixation d'une tige comme dans l'exemple de réalisation représenté en figure 1. Les systèmes de renvoi 3OA et 30C permettent de placer respectivement les centres des rotules 63A et 63C à une distance d'environ 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des Y négatifs. Le système de renvoi 3OB permet de placer le centre de la rotule 63A à une distance de 2 centimètres par rapport au plan (XOZ) du côté des Y positifs. Les centres des trois rotules 63A, 63B, 63C sont répartis de façon qu'en position de repos les bras 64A, 64C sont sensiblement orientés selon la direction Z et le tripode 20 s'étend sensiblement selon un plan parallèle au plan (XOY). Deux transformateurs cinématiques peuvent être placés sur un même actionneur 10, un transformateur cinématique étant le symétrique de l'autre par rapport au plan (XOZ). La structure du transformateur selon les exemples de réalisation précédemment décrits permet d'obtenir un mouvement régulier de l'objet mobile 20. La présente invention présente de nombreux avantages. Elle permet de transformer les mouvements d'un outil -•" mob±le à trois degrés en autant de mouvements élémentaires de translation de pièces mobiles selon des axes parallèles, coplanaires et régulièrement espacés, et inversement. Cette disposition est particulièrement adaptée pour l'utilisation d'un act±onneur du type représenté sur la figure 1 qui est particulièrement compact. L'invention peut être utilisée pour piloter les mouvements de l'outil mobile en commandant de façon adaptée 1'actionneur. L'invention peut être également utilisée pour produire des signaux électriques par la mesure des déplacements des pièces mobiles causés par des mouvements imposés à l'outil mobile pour piloter un élément extérieur à partir de ces signaux. Un effort de rétroaction peut également être transmis à 1'outil mobile par 1'actionneur en fonction des déplacements de l'outil mobile. La présente invention permet une grande modularité. En effet, de nombreuses pièces peuvent être communes aux différents exemples de réalisation. Par exemple, les systèmes de renvoi de l'exemple de réalisation de la figure sont identiques. En outre, l'exemple de réalisation représenté en figure 5 permet de prévoir de nombreuses pièces identiques pour les trois chaînes cinématiques 22A, 22B, 22C, notamment les rotules 63A, 63B, 63C, les bras 64A, 64B, 64C, les fourches 65A, 65B, 65C et les arbres 66A, 66B, 66C. En outre, les systèmes de renvoi des chaînes cinématiques 22A et 22C sont identiques et le système de renvoi 3OB de la chaîne de renvoi 22B est le symétrique des systèmes de renvoi 3OA, 3OC des chaînes cinématiques 22A, 22B. De même, l'outil peut facilement être modifié selon l'utilisation du transformateur cinématique. Par exemple, l'outil peut avoir la forme d'un levier de commande et être utilisé pour réaliser une boîte de vitesses électrique à retour d'efforts. Pour simuler les mouvements d'une marionnette, l'outil peut avoir la forme d'une croix. Avec la forme représentée sur la figure 3, l'outil mobile peut être utilisé pour simuler les mouvements d'un archer. L'exemple de réalisation de la figure 5 est particulièrement'-adapté pour une utilisation en système à deux degrés de liberté, par exemple dans lequel l'outil est asservi à se déplacer dans un plan. A titre d'exemple, l'outil a la forme d'une tige, et l'extrémité de la tige est asservie à se déplacer dans un plan. L'exemple de réalisation de la figure 5, qui met en oeuvre une rotule pour chaque chaîne cinématique, permet d'obtenir un transformateur cinématique dont la compacité et la tenue dans le temps sont améliorées. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art.