FR2483300A1 - Articulated mechanical handling arm - is on swivel base and uses two fixed jacks to counter torque at joints and moment of front arm about shoulder joint - Google Patents
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Abstract
Description
MANIPULATEUR INDUSTRIEL PERFECTIONNE.IMPROVED INDUSTRIAL MANIPULATOR.
La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux systèmes manipulateurs constitués essentiellement par un bras formé d'une pluralité d'éléments articulés les uns par rapport aux autres. The present invention relates to an improvement made to manipulator systems essentially constituted by an arm formed by a plurality of elements articulated with respect to each other.
Elle a trait plus particulièrement à un système perfec tionné de compensation des éléments constituant le bras articulé par rapport à leurs axes de rotation. It relates more particularly to an improved system for compensating the elements constituting the articulated arm with respect to their axes of rotation.
Les manipulateurs industriels sont des ensembles techniques qui servent à positionner et à orienter une "charge" en tous points d'un espace fonction des dimensions et du nombre de degrés de liberté.que possède un tel manipulateur. En général, de tels ensembles comportent six degrés de liberté, trois destinés au positionnement et trois à l'orientation. Industrial manipulators are technical assemblies which are used to position and orient a "load" at all points of a space depending on the dimensions and the number of degrees of freedom. That such a manipulator has. In general, such assemblies have six degrees of freedom, three for positioning and three for orientation.
A ce jour, on distingue essentiellement deux types de manipulateurs suivant que leurs mouvements sont assurés en majorité par des translations ou des rotations. To date, there are essentially two types of manipulators depending on whether their movements are provided mainly by translations or rotations.
La présente invention concerne plus particulièrement un perfectionnement au second type de manipulateur qui, d'une manière générale, est constitué essentiellement d'un bras articulé formé d'une pluralité d'éléments individuels constituant une série d'articulations ou chacune doit entraîner les suivantes et est située en porte-à-faux par rapport à la pré- cédente. The present invention relates more particularly to an improvement to the second type of manipulator which, in general, consists essentially of an articulated arm formed by a plurality of individual elements constituting a series of articulations or each of which must entail the following and is located cantilevered from the previous one.
De tels ensembles doivent non seulement permettre d'obtenir une très grande précision mais également permettre d'assurer descadences d'exploitation élevées. Such assemblies must not only make it possible to obtain very high precision but also make it possible to ensure high operating rates.
Par suite, il est nécessaire de réduire les couples statiques et dynamiques engendrés par la structure de manière à limiter en particulier la taille des actuateurs, ce qui est particulièrement important lorsque ces éléments sont constitués par des moteurs électriques qui ont une faible puissance massique. Consequently, it is necessary to reduce the static and dynamic torques generated by the structure so as to limit in particular the size of the actuators, which is particularly important when these elements are constituted by electric motors which have a low specific power.
Les bras manipulateurs dits "mous" s'affranchissent pour une bonne part des problèmes d'inertie et donc de couple statique de la structure en utilisant des transmissions à câble ou ruban permettant de loger des actuateurs en dehors du bras proprement dit. Dans ces conditions, il est possible d'obtenir -une compensation avec des contrepoids malgré l'augmentation de l'inertie qu'une telle solution présente. The so-called "soft" manipulator arms are largely free of inertia problems and therefore of static torque of the structure by using cable or ribbon transmissions allowing actuators to be housed outside the arm proper. Under these conditions, it is possible to obtain compensation with counterweights despite the increase in inertia that such a solution presents.
Néanmoins, l'élasticité importante de ce type d'appareil limite considérablement sa bande passante mécanique, et par la même ses performances dynamiques. However, the significant elasticity of this type of device considerably limits its mechanical bandwidth, and by the same token its dynamic performance.
On lui préfère souvent dans l'industrie un autre type dit manipulateur "rigide" qui, par opposition au premier, présente certes une structure alourdie mais bénéficie d'une plus grande raideur. Or, pour un tel type de manipulateur, le problème essentiel qui se pose est celui de la compensation des couples statiques des éléments constituant le bras articulé. It is often preferred in industry another type called "rigid" manipulator which, in contrast to the first, certainly has a heavier structure but benefits from greater stiffness. However, for such a type of manipulator, the essential problem which arises is that of the compensation of the static couples of the elements constituting the articulated arm.
Une telle compensation est généralement assurée
- soit par un contrepoids, solution qui a l'avantage de pouvoir s'appliquer à deux articulations, mais qui augmente considérablement l'inertie et de ce fait, les couples dynamiques à fournir par les actuateurs,
- soit par vérin,- solution qui a l'avantage dune faible inertie mais qui ne peut être appliquée qu'à la première articulation mais qui donc ne compense que partiellement les couples statiques.Such compensation is generally provided
- either by a counterweight, a solution which has the advantage of being able to be applied to two joints, but which considerably increases the inertia and therefore the dynamic torques to be provided by the actuators,
- either by cylinder, - solution which has the advantage of low inertia but which can only be applied to the first articulation but which therefore only partially compensates for the static couples.
La présente invention apporte une solution à ce problème, cette solution permettant d'obtenir un bras articulé entièrement compensé et qui, par ailleurs, présente l'avantage de n'avoir qu'une faible inertie. The present invention provides a solution to this problem, this solution making it possible to obtain a fully compensated articulated arm which, moreover, has the advantage of having only a low inertia.
D'une manière générale, l'invention concerne donc un manipulateur industriel du type comportant un bras articulé constitué d'au moins deux éléments montés pivotants l'un par rapport à l'autre, la base du premier étant fixée de manière articulée sur un support tournant dans un plan horizontal et l'extrémité du second comportant des moyens de préhension de la charge à manipuler, moyens également articulés par rapport à ce second élément, ledit bras étant associé
- à des moyens de commande permettant d'assurer les dé- placements relatifs des différents éléments constituant le bras,
à a des moyens de'compensation des couples statiques des deux éléments articulés par rapport à leurs axes de rotation ainsi que celui engendré par le deuxieme élément ramené sur son axe de rotation.Le manipulateur selon l'invention se caractérise par le fait que lesdits moyens de compensation qu'il comporte sont constitués
- d'une part, par un premier vérin monté sur le socle pivotant dont la tige agit sur le premier élément articulé afin de compenser le couple statique de cet élément,
- d'autre part, par une deuxième vérin également monté sur le socle et dont la tige exerce un effort de traction sur un bras de levier dont l'axe de rotation coïncide avec celui du premier élément, une transmission reportant le couple ainsi obtenu à l'axe de rotation du deuxième bras et liant la position angulaire du bras de levier celle du deuxième élément indépendamment de celle du premier ce qui permet de réaliser la compensation du couple dudit second élément.In general, the invention therefore relates to an industrial manipulator of the type comprising an articulated arm consisting of at least two elements mounted to pivot relative to one another, the base of the first being fixed in an articulated manner on a support rotating in a horizontal plane and the end of the second comprising means for gripping the load to be handled, means also articulated with respect to this second element, said arm being associated
- control means making it possible to ensure the relative displacements of the various elements constituting the arm,
à has means for compensating the static couples of the two elements articulated with respect to their axes of rotation, as well as that generated by the second element brought back on its axis of rotation. The manipulator according to the invention is characterized in that said means of compensation it involves are made up
on the one hand, by a first jack mounted on the pivoting base, the rod of which acts on the first articulated element in order to compensate for the static torque of this element,
- on the other hand, by a second cylinder also mounted on the base and whose rod exerts a tensile force on a lever arm whose axis of rotation coincides with that of the first element, a transmission transferring the torque thus obtained to the axis of rotation of the second arm and linking the angular position of the lever arm that of the second element independently of that of the first, which makes it possible to compensate for the torque of said second element.
Avantageusement, la transmission qui permet de reporter le couple obtenu à l'axe de rotation du deuxième élément et de lier la position angulaire du bras de levier à celle du deuxième élément indépendamment de celle du premier est réalisée dans un rapport de 1 et est constituée d'un tambour solidaire de l'articulation du deuxième élément de bras et un deuxième tambour libre autour de l'axe de rotation du premier élément de bras, ces deux tambours étant liés en rotation par l'intermédiaire de tout élément de transmission approprié tel qu'un câble, une chaîne, une courroie, un ruban... Advantageously, the transmission which makes it possible to transfer the torque obtained to the axis of rotation of the second element and to link the angular position of the lever arm to that of the second element independently of that of the first is produced in a ratio of 1 and is constituted a drum secured to the articulation of the second arm element and a second free drum around the axis of rotation of the first arm element, these two drums being linked in rotation by means of any suitable transmission element such that a cable, a chain, a strap, a ribbon ...
De plus, l'effort de traction exercé par le deuxième vérin est avantageusement obtenu en montant ce vérin à l'aide d'une chappe qui permet de le relier, d'une part audit tambour libre afin de constituer ainsi un système bielle-manivelle dont le bras de levier est choisi de telle sorte qu'il demeure faible devant la longueur dudit vérin, d'autre part au socle tournant dudit manipulateur. In addition, the tensile force exerted by the second cylinder is advantageously obtained by mounting this cylinder using a clevis which makes it possible to connect it, on the one hand to said free drum in order to thus constitute a rod-crank system. whose lever arm is chosen so that it remains small compared to the length of said actuator, on the other hand to the rotating base of said manipulator.
Les vérins de compensation seront de préférence alimentés en fluide hydraulique sous pression par deux accumulateurs hydropneumatiques de telle sorte qu'ils engendrent un effort pratiquement constant si les volumes desdits accumulateurs sont suffisamment importants par rapport aux volumes d'huile dépla cés par la course desdits vérins. The compensation cylinders will preferably be supplied with pressurized hydraulic fluid by two hydropneumatic accumulators so that they generate a practically constant force if the volumes of said accumulators are sufficiently large relative to the volumes of oil displaced by the stroke of said cylinders. .
Eventuellement, le rapport de la transmission reportant le couple peut être supérieur à 1 de manière à compenser partiellement les erreurs dues aux variations de pressions des accumulateurs et d'orientation de l'effort de traction sur la plage de rotation du tambour libre. Optionally, the ratio of the transmission transferring the torque can be greater than 1 so as to partially compensate for errors due to variations in accumulator pressure and orientation of the tensile force over the range of rotation of the free drum.
De préférence, la transmission est intégrée dans le premier élément du bras qui forme ainsi un carter de protection et les vérins sont également intégrés dans le socle tournant. Preferably, the transmission is integrated in the first element of the arm which thus forms a protective casing and the jacks are also integrated in the rotating base.
Enfin, le circuit hydraulique d'alimentation du vérin comportera un étranglement réglable permettant d'introduire un amortissement visqueux constant ajustable. Finally, the hydraulic circuit supplying the actuator will include an adjustable throttle allowing the introduction of adjustable constant viscous damping.
L'invention et les avantages qu'elle apporte seront cependant mieux compris grâce à l'exemple de réalisation donné ci-après à titre illustratif mais non limitatif et qui est illustré par les schémas annexés dans lesquels
- la figure 1 est une représentation en section suivant un plan AA (figure 2) du bras manipulateur suivant l'invention,
- la figure 2 est une representation en section suivant un plan BB (figure 1) d'un tel bras manipulateur.The invention and the advantages which it brings will however be better understood thanks to the example of embodiment given below by way of illustration but not limitation and which is illustrated by the appended diagrams in which
FIG. 1 is a representation in section along a plane AA (FIG. 2) of the manipulator arm according to the invention,
- Figure 2 is a sectional representation along a plane BB (Figure 1) of such a manipulator arm.
Si l'on se reporte aux schémas annexés, le manipulateur industriel conforme à l'invention est du type constitué par un bras articulé comportant au moins deux éléments 1, 2, le second élément 2 étant monté pivotant autour d'un axe 3 à l'extrémité du premier élément 1. La base du premier élément l--est montée sur un support tournant 4 autour d'un axe de rotation vertical 5, ledit-premier élément 1 pouvant également pivoter autour d'un axe 6 solidaire de la base 4. If reference is made to the appended diagrams, the industrial manipulator according to the invention is of the type constituted by an articulated arm comprising at least two elements 1, 2, the second element 2 being pivotally mounted around an axis 3 to 1 end of the first element 1. The base of the first element 1 - is mounted on a rotating support 4 around a vertical axis of rotation 5, said first element 1 can also pivot around an axis 6 secured to the base 4.
A l'extrémité du second élément 2, sont fixés des moyens de préhension (non représentés) permettant de saisir la"charge" à manipuler. Ces moyens de préhension sont également articulés, de manière connue,à l'extrémité dudit second élément 2. At the end of the second element 2, are attached gripping means (not shown) making it possible to grasp the "load" to be handled. These gripping means are also articulated, in a known manner, at the end of said second element 2.
La commande des déplacements des éléments 1, 2, autour des axes 3 à 6 est obtenue à l'aide d'actuateurs (par exemple un moteur électrique' non représenté), un moteur 7 agissant sur l'axe 6 par l'intermédiaire d'un système réducteur 8 à pignons droits (non représentés) qui transmet un déplacement angulaire à l'axe 6 sur lequeleest monté le premier élément 1 et par un moteur monté à l'extrémité de l'axe 9, disposé dans le prolongement de l'axe 6, et dont la rotation est communiquée à l'axe 3 par l'intermédiaire d'un ensemble réducteur 10 également à pignons droits, ledit ensemble étant logé à l'intérieur du premier élément de bras A. Par ailleurs, un moteur commande également la rotation du support 4 autour d'un axe vertical 5. The movement of the elements 1, 2 around axes 3 to 6 is controlled using actuators (for example an electric motor 'not shown), a motor 7 acting on axis 6 via '' a reduction system 8 with straight gears (not shown) which transmits an angular displacement to the axis 6 on which the first element 1 is mounted and by a motor mounted at the end of the axis 9, arranged in the extension of the axis 6, and the rotation of which is communicated to axis 3 by means of a reduction assembly 10 also with straight gears, said assembly being housed inside the first arm element A. Furthermore, a motor also controls the rotation of the support 4 around a vertical axis 5.
Conformément à l'invention, ce manipulateur est associé à des moyens de compensation qui sont constitués essentiellement de deux vérins 11, 12 fixés et intégrés dans l'embase 4 déplaçable autour de son axe vertical 5. Le vérin 11 exerce un effort de traction directement sur le premier élément de bras 1 et permet de compenser le couple statique de cedit élément. Le deuxième vérin 12, également groupé sur le socle 4 exerce un effort de traction sur un bras de levier dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe 6 du premier élément de bras. According to the invention, this manipulator is associated with compensation means which consist essentially of two jacks 11, 12 fixed and integrated in the base 4 movable around its vertical axis 5. The jack 11 exerts a tensile force directly on the first arm element 1 and makes it possible to compensate for the static torque of said element. The second cylinder 12, also grouped on the base 4 exerts a tensile force on a lever arm whose axis of rotation coincides with the axis 6 of the first arm element.
Dans le cas présent, le vérin 12 agit sur un tambour 13 qui est monté libre autour de l'axe d'entraînement 6 du premier élément de bras A. Une transmission, constituée dans le cas présent par un chaîne 14, mais qui pourrait éventuellement être remplacée par tout élément équivalent telle quBune trans- mission par courroies ou similaire, permet de reporter le couple obtenu à l'axe de rotation 3 du second élément 2 de bras. Pour cela, la transmission 14 passe sur un tambour 15 monté fixe sur l'axe d'entraînement 3 du deuxième élément 2 de bras. Comme dit précédemment, l'axe 3 est l'arbre de sortie d'un réducteur 10 intégré-dans le premier élément de bras 1 et entraîne en rotation le deuxième élément de bras 2.Ce ré ducteur 10 à engrenage 3, permet de disposer le moteur d'entraînement (non représenté) au niveau de la première articu- lation constituée par l'axe 6, dans le cas présent à l'extrémité de l'arbre 9 cité dans le prolongement de cet axe 6.In the present case, the jack 12 acts on a drum 13 which is mounted free around the drive axis 6 of the first arm element A. A transmission, constituted in the present case by a chain 14, but which could possibly be replaced by any equivalent element such as belt transmission or the like, allows the torque obtained to be transferred to the axis of rotation 3 of the second arm element 2. For this, the transmission 14 passes over a drum 15 fixedly mounted on the drive shaft 3 of the second arm element 2. As said previously, the axis 3 is the output shaft of a reduction gear 10 integrated in the first arm element 1 and rotates the second arm element 2. This reducer 10 with gear 3, makes it possible to have the drive motor (not shown) at the level of the first articulation constituted by the axis 6, in the present case at the end of the shaft 9 cited in the extension of this axis 6.
Les deux vérins 11, 12 sont alimentés, de manière connue, en fluide hydraulique sous pression par deux accumulateurs hydro-pneumatiques (non représentés) ayant un volume suffisamment important par rapport aux volumes d'huile déplacés par la course des vérins de manière à ce que ces vérins engendrent un effort pratiquement constant. The two jacks 11, 12 are supplied, in a known manner, with pressurized hydraulic fluid by two hydro-pneumatic accumulators (not shown) having a sufficiently large volume relative to the volumes of oil displaced by the stroke of the jacks so that that these cylinders generate a practically constant effort.
Avantageusement, le rapport de transmission entre le tambour 13 et le tambour 15 est supérieur à 1 de manière à compenser partiellement les erreurs dues aux variations de pression. Advantageously, the transmission ratio between the drum 13 and the drum 15 is greater than 1 so as to partially compensate for errors due to pressure variations.
des accumulateurs et d'orientation du tambour libre 13. Le circuit hydraulique d'alimentation des vérins peut comporter un étranglement réglable permettant d'introduire un amortissement visqueux constant ajustable.accumulators and free drum orientation 13. The hydraulic supply circuit for the jacks can include an adjustable throttle allowing the introduction of adjustable constant viscous damping.
Par ailleurs, un des avantages apportés par l'invention réside également dans le fait, comme cela ressort bien des schémas annexés, qu'il est possible d'intégrer la transmission dans le premier élément de bras 1 qui forme donc un carter de protection, les vérins 11, 12 étant également logés à l'inte- rieur du socle tournant 4. Furthermore, one of the advantages provided by the invention also lies in the fact, as is clear from the attached diagrams, that it is possible to integrate the transmission in the first arm element 1 which therefore forms a protective casing, the jacks 11, 12 also being housed inside the rotating base 4.
Le fonctionnement d'un tel manipulateur est le suivant. The operation of such a manipulator is as follows.
Suivant la position angulaire des deux éléments de bras 1, 2 d'une part, l'un par rapport à l'autre et, d'autre part, par rapport au socle 4, les vérins hydrauliques 11, 12, ali mentés par les accumulateurs hydro-pneumatiques permettent de compenser les couples statiques des deux éléments de bras 1,2 par rapport à leurs axes de rotation - 3 et 6 ainsi que celui engendré par le poids du deuxième élément de bras 2 ramené sur son axe de rotation 3.En effet, le couple statique du premier élément de bras et celui engendré par le deuxième élément 2 ramené sur son axe de rotation 3 est équi libré par le premier vérin 11 agissant directement sur le pre mier élément de bras 1 de préférence en un point dont la position est légèrement excentrée par rapport à l'axe principal de ce bras afin d'atténuer les erreurs provenant des variations d'Drientation et de pression du vérin. Le couple de compensation du deuxième élément de bras 2 est fourni par le deuxième vérin 12 qui agit sur le tambour 13 qui recopie la position angulaire du deuxième élément de bras 2 grâce à la transmission 14 qui passe autour du second tambour 15 fixé à l'extrémité de l'arbre 3 commandant la rotation du deuxième élément de bras 2. Depending on the angular position of the two arm elements 1, 2 on the one hand, one with respect to the other and, on the other hand, with respect to the base 4, the hydraulic cylinders 11, 12, supplied by the hydro-pneumatic accumulators make it possible to compensate for the static torques of the two arm elements 1,2 with respect to their axes of rotation - 3 and 6, as well as that generated by the weight of the second arm element 2 brought back on its axis of rotation 3. Indeed, the static torque of the first arm element and that generated by the second element 2 brought back on its axis of rotation 3 is equi liberated by the first jack 11 acting directly on the first arm element 1 preferably at a point whose the position is slightly eccentric with respect to the main axis of this arm in order to attenuate the errors coming from the variations of Orientation and pressure of the jack. The compensation torque of the second arm element 2 is provided by the second cylinder 12 which acts on the drum 13 which copies the angular position of the second arm element 2 thanks to the transmission 14 which passes around the second drum 15 fixed to the end of the shaft 3 controlling the rotation of the second arm element 2.
De cette manière, on obtient une compensation très précise des couples statiques des deux bras par rapport à leur axe de rotation ainsi que celle du couple statique engendré par le deuxième élément de bras- sur l'axe de rotation 6 du premier élément. In this way, very precise compensation is obtained for the static torques of the two arms with respect to their axis of rotation, as well as that of the static torque generated by the second arm element - on the axis of rotation 6 of the first element.
Un tel manipulateur présente donc de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer
- une compensation statique de la totalité du bras tout en permettant des débattements angulaires importants des articulations,
- une intégration du système à l'intérieur du bras manipulateur lui-même,
- une compensation des couples statiques sans augmentation notable des inerties,
- un amortissement visqueux ajustable sur les rotations des deux articulations concernées,
- des performances dynamiques accrues par le fait de la réduction de la charge imposée aux actuateurs des deux éléments constituant ledit bras.Such a manipulator therefore has many advantages among which we can cite
- static compensation of the entire arm while allowing significant angular movements of the joints,
- an integration of the system inside the manipulator arm itself,
- compensation for static couples without significant increase in inertia,
- viscous damping adjustable on the rotations of the two joints concerned,
dynamic performance increased by the fact of the reduction of the load imposed on the actuators of the two elements constituting said arm.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment mais elle en couvre toutes les variantes réalisées dans le même esprit. Of course, the invention is not limited to the embodiment described above but it covers all the variants produced in the same spirit.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8012348A FR2483300A1 (en) | 1980-05-28 | 1980-05-28 | Articulated mechanical handling arm - is on swivel base and uses two fixed jacks to counter torque at joints and moment of front arm about shoulder joint |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8012348A FR2483300A1 (en) | 1980-05-28 | 1980-05-28 | Articulated mechanical handling arm - is on swivel base and uses two fixed jacks to counter torque at joints and moment of front arm about shoulder joint |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2483300A1 true FR2483300A1 (en) | 1981-12-04 |
Family
ID=9242671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8012348A Withdrawn FR2483300A1 (en) | 1980-05-28 | 1980-05-28 | Articulated mechanical handling arm - is on swivel base and uses two fixed jacks to counter torque at joints and moment of front arm about shoulder joint |
Country Status (1)
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|---|---|
| FR (1) | FR2483300A1 (en) |
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