L'état du bras est relevé par des capteurs de position.

Le bras est actionné normalement à la main et il est généralement muni de moteurs de retour d'effort pour transmettre à l'opérateur des efforts correspondant aux interactions, réelles ou simulées, entre le bras esclave et l'environnement ou aux efforts dynamiques prenant naissance au sein du bras, sans que ces moteurs soient strictement indipensables.

Si ces bras offrent une grande commodité en permettant de commander rapidement et aisément un état voulu par l'opérateur, certains problèmes y apparaissent toutefois. Les bras de commande complexes reposent sur l'exploitation des six degrés de liberté de position et d'orientation dans 1'espace que peut prendre l'organe de manipulation situé à l'extrémité libre du bras, ou sur la plupart d'entre eux. Le bras doit tre composé d'un nombre d'éléments (appelés segments) suffisant pour permettre tous ces mouvements de l'organe de préhension. Mais l'expérience montre qu'il apparaît alors des singularités, c'est-a-dire des positions de l'organe de manipulation qui sont inaccessibles ou ne correspondent pas à un état déterminé du bras. Les raisons principales de ces singularités sont des couplages entre les mouvements de

mme direction à des jointures successives de segments, et plus généralement des états où les degrés de liberté du bras qui sont libres de se manifester sont trop peu nombreux ou trop nombreux.

Les concepteurs de bras se sont ingéniés à réduire le nombre des singularités, mais les agencements qui seraient les plus convenables en cela ne sont pas toujours satisfaisants puisqu'il faut respecter d'autres exigences, et en particulier la légèreté du bras, la faiblesse de 1'effort de manipulation et l'équilibrage du bras en toute position sans qu'il s'effondre ou se déforme d'une autre façon dès qu'il est relâché. Il serait concevable de s'opposer à de telles déformations en laissant des frottements importants aux jointures des segments du bras, mais cela rendrait le bras incommode à manipuler et n'est donc pas envisageable. On a aussi envisagé des systèmes à ressort pour équilibrer individuellement les segments du bras, selon l'enseignement du brevet français 70 13606. Cette solution serait la meilleure, mais ne semble pas véritablement avoir été appliquée pour des bras complexes puisqu'il faut en réalité équilibrer non seulement le poids d'un segment, mais le moment fléchissant de l'ensemble des autres segments qui le suivent-vers l'extrémité libre du bras, et qui est variable puisque cet ensemble est susceptible de se déformer.

Une solution à ces insuffisances des bras connus est pourtant offerte au moyen de l'invention, dont les avantages principaux sont un grand champ de déplacement

sans singularité du bras et que ses éléments principaux restent en équilibre indifférent.

Sous sa forme la plus générale, le bras de commande, comprenant un train de segments finissant sur une embase et un poignet articulé au train de segments à un axe d'articulation, est caractérisé en ce que le train de segments est construit de façon que l'axe d'articulation soit maintenu à un angle constant par rapport à un plan fixe.

Cette disposition permet à la fois de séparer nettement les mouvements de commande en translation et en rotation, qui sont effectués respectivement par les segments du train et les éléments du poignet, de part et d'autre de l'articulation qui les relie, et de faciliter l'équilibrage du poignet, ainsi que du reste du bras, en rendant constant l'effort exercé par. le. : porte-poignet sur le train de segments. En particulier,.. le train de segments peut alors tre entièrement équilibré par des dispositifs à ressort, sans qu'on doive recourir à des mécanismes de blocage ou de frottement aux articulations qui rendraient la manoeuvre pénible.

Un moyen de rappel convenant pour maintenir constant l'angle du poignet avec un plan fixe comprend une succession de poulies disposées à des pivots d'articulation successifs des segments du train, depuis l'embase jusqu'au porte-poignet, et tournant librement autour desdits pivots, sauf deux poulies extrmes qui sont respectivement reliées à 1'embase et au porte-poignet, et des courroies tendues entre les

poulies, parallèlement aux segments et formant une chaîne.

Un poignet convenable est composé d'éléments articulés entre eux, notamment à axes de rotation concourants, car le maintien de son centre de gravité à une position constante devient facile à obtenir.

D'une façon plus générale, il est avantageux que le train soit composé de deux segments reliés entre eux et à 1'embase par des pivots d'axe horizontal et l'embase soit reliée à un élément fixe par un pivot d'axe vertical : tous les mouvements de translation du bras sont alors autorisés, et l'équilibrage statique des segments par des ressorts devient facile.

L'invention sera maintenant décrite au moyen des figures, dont la figure 1 représente une vue générale du bras et la figure 2 représente'une variante d'extrémité du bras.

Le bras est monté sur une embase 1 pivotant autour d'un'axe vertical XI sur un support fixe 2. Un segment de bras 3 tourne sur 1'embase 1 autour d'un axe horizontal X2, dont l'orientation dépend des rotations infligées à l'embase 1. Un segment d'avant-bras 4 est articulé au segment de bras 3 en pouvant tourner autour d'un axe X3 (parallèle à X2) en faisant varier 1'angle que font ces segments. L'autre extrémité du segment d'avant-bras 4 finit sur l'articulation d'un porte-poignet 5 ; l'axe X4 d'articulation formé entre eux est parallèle aux deux précédents. Après le porte-poignet 5, on trouve les autres éléments d'un poignet 6, à savoir un organe de manipulation constitué ici par une poignée 7, et encore deux étriers 8 et 9,

dont le premier est articulé par son centre au porte-poignet 5 autour d'un axe X5, par les extrémités de ses deux branches 10 aux extrémités des branches 11 de l'autre étrier 9 par un axe X6 ; enfin, l'étrier 9 est articulé par son centre à la poignée 7 par un dernier axe X7.

Ce bras présente donc sept degrés de liberté apparents, aux axes X1 à X7, et six réels en excluant X4, comme on va l'expliquer plus loin, et des capteurs tels que des codeurs d'angle sont disposés aux degrés de liberté réels XI, X2, X3, X5, X6 et X7 pour mesurer les angles que font les segments articulés à ces jointures, ou les mouvements de ces segments, pour en déduire des commandes à imposer à un autre appareil,- selon une programmation spécifique. Comme rien qui ne soit déjà connu n'est proposé ici à propos de ces capteurs, on ne les décrira pas davantage.

Les axes X5, X6, X7 sont concourants en un point 0, et les étriers 8 et 9 sont sensiblement symétriques, de façon que le centre de gravité de l'étrier 8 tombe sur l'axe X5. De plus, le centre de gravité du composé de l'autre étrier 9 et de la poignée 7 tombe sur l'axe X7, et éventuellement sur le point de concours 0, donc aussi sur l'axe X5.

Si le centre de gravité du poignet 6 reste ainsi immobile à un point G de l'axe X5 quels que soient les mouvements qui sont infligés à ses éléments autour des axes X5, X6 et X7, il reste donc à un état d'équilibre indifférent. Le porte-poignet 5 est maintenu à un mme angle de site, c'est-à-dire à une mme orientation par rapport à un plan horizontal, au moyen d'une

transmission décrite ailleurs plus en détail. Il en résulte que le moment fléchissant exercé par le poignet 6 est soutenu par cette transmission et que les segments de bras 3 et d'avant-bras 4 ne doivent soutenir que le poids propre du poignet 6, pour toutes leurs positions et toutes celles du poignet 6. Il devient alors facile d'équilibrer le segment d'avant-bras 4 par un dispositif d'équilibrage 12 statique disposé sur 1'embase 1 ; un autre dispositif d'équilibrage 13, pareillement disposé sur 1'embase 1, sert à équilibrer le segment de bras 3.

Outre cet avantage, le porte-poignet 5 maintenu à une orientation constante par rapport à un plan fixe permet de découpler les degrés de liberté de translation du bras, accomplis par les mouvements de l'embase 1 et des segments 3 et 4, de ceux d'orientation de la poignée 7, accomplis par les mouvements du poignet 6, ce qui simplifie l'apprentissage et la manoeuvre du bras tout en contribuant à éliminer les singularités cinématiques.

Il est en effet visible que ces singularités, qui apparaissent surtout quand deux segments ont été mis en prolongement, ne peuvent ici survenir qu'à des états extrmes d'extension ou de repliement du bras, quand l'angle des segments 3 et 4 devient proche de zéro ou d'un demi-tour. Un autre aspect de cette question concerne le poignet 6 : des singularités apparaîtraient si la poignée 7 était dirigée vers le porte-poignet 5, c'est-à-dire si les axes X5 et X7 se confondaient, ou si elle prolongeait le segment 4 ; mais de telles situations ne peuvent apparaître facilement avec le

porte-poignet 5 maintenu à une inclinaison constante et notamment proche de l'horizontale, puisqu'elles imposent de renverser complètement la poignée 7, au- delà d'un mouvement naturel de manoeuvre par l'opérateur.

Le concept de l'invention peut tre appliqué à des bras différents, éventuellement moins complexes : il est ainsi fréquent que cinq degrés de liberté de manoeuvre suffisent ; on a alors la faculté de bloquer ou de rendre inactive, par exemple, la rotation de la poignée 7 autour de l'axe X7 puisque ce mouvement est le moins commode à accomplir.

L'équilibrage statique du bras à l'état relâché est complété par des moteurs de retour d'effort ordinaires qui arrtent les rotations autour des axes X1, X2 et X3. Un premier (14) est fixé au support 2 fixe et est connecté à 1'embase 1 par une courroie tendue autour de celle-ci, un engrenage ou tout autre moyen ; deux autres moteurs, invisibles sur la figure, sont montés sur 1'embase 1 et connectés au segment de bras 3 par une poulie 30 et au segment d'avant-bras 4 par une poulie 25, une courroie 24 et une poulie 23 placée sur l'axe X3. Ici encore, on ne recourt qu'à des éléments et procédés connus dans l'art et qui ne méritent pas de description plus détaillée.

Il convient au contraire de décrire complètement la façon dont le maintien de l'angle de site (avec un plan horizontal) du porte-poignet 5 est assuré.

Une poulie de référence 18 est disposée sur l'axe X2 d'articulation du segment de bras 3, mais elle reste fixe sur l'embase 1 ; une courroie 19 est tendue entre

elle et une poulie de transmission 20 disposée sur l'axe X3 d'articulation des segments de bras 3 et d'avant-bras 4 de façon à tourner librement ; une seconde courroie 21 est tendue entre une autre gorge de poulie de transmission 20 et une poulie de maintien 22 tournant autour de l'axe X4 mais fixée au porte-poignet 5. Il résulte de cette construction que les poulies 20 et 22 ne subissent aucune rotation, pas plus que le porte-poignet 5, puisqu'elles sont reliées à la poulie de référence 18 qui est fixe, quels que soient les mouvements des segments de bras 3 et d'avant-bras 4.

Enfin, l'équilibrage des segments de bras 3 et d'avant-bras 4 est assuré au moins partiellement par des dispositifs à ressort et complété éventuellement par les moteurs à retour d'effort. Un piton 26 est placé à la périphérie d'une joue circulaire de la poulie d'équilibrage 25, et un câble 27 lui est attaché ; son extrémité opposée est enroulée autour d'un arbre 28 parallèle à l'axe X2, et qui est retenu en rotation par un ressort spiral 29 accroché entre lui et 1'embase 1. Quand l'inclinaison du segment d'avant-bras 4 est modifiée, les poulies 23 et 25 tournent et la longueur déroulée du câble 27 est modifiée, ce qui accroît ou diminue proportionnellement l'effort dans le ressort spiral 29 en raison de la rotation de l'arbre 28. Le câble 27 joue alors le mme rôle qu'un ressort droit qui serait tendu entre le piton 26 et l'arbre 28, de sorte que 1'enseignement du brevet français 70 13606 cité plus haut devient applicable : en choisissant convenablement la constante du ressort spiral 29, le segment d'avant-bras 4 peut

tre équilibré quelle que soit son inclinaison ; la position du piton 26 est choisie pour que la longueur déroulée du câble 27 soit maximale quand le segment d'avant-bras 4 exerce le mouvement fléchissant le plus élevé (quand il est en position horizontale).

Le dispositif d'équilibrage 12 du segment de bras 3 est semblable et comprend aussi un ressort spiral, un arbre, un câble, un piton et une poulie (portant la référence 30 sur la figure) tournant autour de l'axe X2, mais celle-ci est fixée au segment de bras 3.

L'addition des dispositifs statiques d'équilibrage 12 et 13 allège le bras en permettant de n'employer que des moteurs de retour d'efforts plus petit pour équilibrer le bras autour des axes X2 et X3, où les efforts à équilibrer sont précisément les plus importants.

Une forme particulière d'un poignet 106 sera à présent évoquée au moyen de la figure 2, à l'extrémité d'un bras dépourvu du porte-poignet, un premier étrier 108 étant directement monté en rotation autour de l'axe X104 transversal au bout du segment d'avant-bras 104, tout comme l'axe X4 précédent. Un second étrier 109 est articulé au premier 108 autour d'un axe X106, et une poignée 107 pivote sur le second étrier 109 autour d'un axe X107. Le principe de la monture gyroscopique, aux trois axes X104, X106 et X107 concourants, est conservé pour la commodité de la manoeuvre du poignet et la facilité de l'équilibrage. Il est encore utile, pour satisfaire à cet avantage-là, que le point de concours 0 des trois axes soit dans l'alignement de la portion principale du segment d'avant-bras 104, ce qui incite à

disposer le poignet 106 sur une extrémité déjetée 140 du segment 104. Il convient que le centre de gravité G du poignet 106 soit situé sur l'axe X104 pour qu'il exerce un effort invariable sur le segment d'avant-bras 104, ce qui peut tre obtenu en plaçant un contrepoids 139 sur le premier étrier 108, au bout d'une branche 110 opposée à celle 210 qui porte le, second étrier 109 et la poignée 107 ; avantageusement, le centre de gravité commun de ces deux éléments peut tre placé sur l'axe X106 pour que le second étrier 109 soit aussi en équilibre indifférent. Dans cette réalisation aussi, l'axe principal (X104) d'articulation du poignet 106 au train de segments reste à un angle constant avec un plan fixe (ici horizontal), puisque le train de segments ne peut pas tre tourné en torsion ; il est ici horizontal (comme les axes d'articulation X2 et X3 des segments 3 et 4 entre eux et à 1'embase 1) et ne s'aligne donc que difficilement avec l'axe X107 de la poignée 107, ce qui produirait des singularités : la situation est en vérité la mme qu'à la figure 1 avec l'axe X5 du porte-poignet 5.

On notera que l'extrémité du bras est dissymétrique et que le poignet 106 ne s'étend que d'un côté de la poignée 107, laissant l'autre côté libre pour la main et le bras de l'opérateur. La disposition représentée est très bonne pour les manoeuvres du bras droit, mais convient bien moins pour celles du bras gauche. Il est donc concevable d'utiliser un dispositif inverseur du poignet 106, tel qu'un tourillon 141 auquel l'extrémité déjetée 140 est suspendue et qui l'unit au reste du segment d'avant-bras 104. le

tourillon 141 est conçu pour permettre de faire pivoter la partie déjetée 140 d'un demi-tour autour de l'axe du segment 104 par la flèche Z et la placer à deux états de butée opposés et symétriques ; l'autre état est représenté en pointillés.