FR3093021A1

FR3093021A1 - Robot terrestre à haute mobilité & à haute performance, grâce à ses bras actifs à compliance contrôlée

Info

Publication number: FR3093021A1
Application number: FR1901856A
Authority: FR
Inventors: Jean Frédéric MARTIN
Original assignee: Hms2030
Current assignee: Hms2030
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: FR3093021B1

Abstract

L’invention se situe dans le domaine des robots mobiles terrestres, partiellement autonomes et/ou télé-opérés, destinés à se déplacer et/ou à transporter une charge. L‘invention décrit un robot mobile terrestre, dont au moins une articulation est munie d’un dispositif mécanique motorisé permettant de bloquer momentanément cette articulation, afin de pouvoir transférer l’intégralité des contraintes mécaniques dû au déplacement du robot, ou à la manipulation d’une charge, sur cette articulation, sans sollicitation mécanique de son moteur. Il en résulte un allègement du robot, une augmentation notable de la motricité, et des capacités de manutention du robot. Figure pour l’abrégé : [Fig. 1 ]

Description

Robot terrestre à haute mobilité & à haute performance, grâce à ses bras actifs à compliance contrôlée

Glossaire relatif au texte de la présente invention, sauf mention contraire:

Brasdésigne un organe ayant au moins une articulation, autorisant au moins un degré de liberté relativement à l’autre organe avec lequel il est lié par l’articulation. L’articulation peut être située par exemple à une extrémité du bras, et relier le bras à un autre organe, ou bien se située sur le bras et séparer le bras en deux sous membres (qui deviennent eux aussi des bras). Par ailleurs, il peut se trouver sur un robot une succession de moteurs accouplés directement entre eux, ayant chacun un degré de liberté en rotation ou en translation, il en résulte que l’articulation a apparemment plusieurs degrés de liberté. Par soucis d’analyse et d’exactitude nous décomposerons l’articulation par moteur. En effet un moteur est souvent fixé par une extrémité, par exemple radialement par sa structure, et autorise à sa sortie un degré de rotation ou translation : chaque moteur peut être, dans un montage en série, considéré comme un bras articulé. « Bras » désigne donc un organe dénommé usuellement par : jambe, bras, béquille, patte, membre articulé (poly-articulé), ou organe articulé (poly-articulé), ou moteur ...
Les organes désignés usuellement par : abdomen, torse, tronc, corps sont assimilables en termes de cinématique à un bras, avec cette nuance, qu’en général, cesorganes sont structurels, porteurs, ils contiennent des équipements non cinématiques, mais nécessaires au fonctionnement du robot : les circuits électroniques, batterie, capteurs, radio...
Le motcomplianceest fréquemment utilisé en robotique, il est synonyme de souplesse.
Le mot guidage est employé pour désigner une fonction de guidage mécanique, qui est réalisée par un ou plusieurs guides. Les motsguide et guidagesont interchangeables dans le texte.
Robotdésigne un robot mobile terrestre, selon la définition suivante : par robot mobile terrestre, l’invention entend un véhicule terrestre partiellement autonome ou télé-opérés, destiné à se déplacer et éventuellement transporter une charge utile, par exemple une caméra pour visionner une scène située à distance, et/ou destiné à manipuler un objet, par exemple le bras peut être doté d’un outil pour effectuer une action mécanique, ou bien le bras peut être doté d’une main pour attraper un carton et le ranger. De part la présence de bras le robot décrit peut être considéré comme anthropomorphe.

Domaine de l’invention

L’invention se situe dans le domaine de la robotique, et plus précisément dans le domaine des robots mobiles terrestres, partiellement autonomes et/ou télé-opérés, destinés à se déplacer et/ou à transporter une charge.

Contexte

L’invention se concentrent sur les défis mécaniques que soulève le besoin de mobilité en milieu non-structuré (agriculture, bois, mine...) et en milieu urbain (extérieur, intérieur, post-séisme...). La mobilité d’un robot terrestre est réalisée par des dispositifs mécaniques dédiés, principalement: chenille, jambes / patte / bras, ou roues. L’expérience des dispositifs existants est la suivante :

Les robots à chenilles (incluant les flippers) sont limités dans le franchissement d’obstacles élevés (>0.4m en général) ou verticaux (murets, barrière) sauf si leur masse est de plusieurs centaines de kg.
Les robots qui se déplacent sur 2 jambes (rarement une) sont communément appelé « humanoïdes ». Les robots humanoïdes sont capables de passer des obstacles verticaux, en sautant par exemple, ou de monter de fortes pentes... Ils seraient également capables de se déplacer sur des sols meubles (sables, boues, neige), mais la gestion de l’équilibre d’un humanoïde est délicate, car elle exige d’une part une précision élevée des données issues des capteurs, et d’autre part un arbitrage correct par le circuit de traitement électronique des données, qui sont contradictoires entre les différents capteurs. Aujourd’hui ces deux exigences ne sont pas toujours satisfaites, notamment pour les sols meubles. C’est pourquoi les humanoïdes ne peuvent pas encore valoriser l’avantage de mobilité intrinsèque dont ils disposent.
Les robots à plus de 2 roues ont une assiette sensiblement parallèle au sol. Ils souffrent donc de manière importante du glissement sur sol meuble. Et les pentes élevées (>40°) peuvent entrainer le retournement du robot. Et enfin, ils ne passent pas d’obstacle vertical de hauteur supérieure au rayon de la roue.
Les robots mus par roues (ou chenilles) situées au bout d’un bras, présentent une mobilité avantageuse, et sont prometteurs. Néanmoins, ils présentent aussi une complexité de conception, qui les cantonne pour l’instant au domaine de la recherche, voire au domaine spatial (cf. rover martien).
La situation des robots, à 1 ou 2 roues est différentes : la stabilité et la mobilité du robot est réalisable sur tous les terrains (dur, boue, neige), quelle que soit la pente, sauf en cas de glissement important (sable, boue et pente...). L’équilibre d’un robot à (1 ou ) 2 roues est régi par l’équation du pendule-inversé, qui requiert une bonne connaissance des masses et moments d’inertie du robot, mais n’exige pas un niveau de précision supérieur à ce qui accessible avec des capteurs usuels du marché.

Aujourd’hui, les robots commercialisés, présentant la meilleure mobilité, dans la catégorie légers (<500kg) sont:

Les véhicules de la société Milrem (Estonie) à chenilles peuvent se déplacer en milieu non-structuré ouvert, mais sont incapables de se déplacer dans un sous-bois dense, de passer des obstacles de .5m de haut, et a fortiori de se rentrer dans un immeuble, et de s’y déplacer.
Le robot humanoïde Atlas de Boston Dynamics, dont les performances sont excellentes en général, mais limitées sur sols meubles, et dont la complexité logicielle, et mécanique, est extrême.

Il apparait que les produits actuels ne répondent pas à l’exigence première des utilisateurs de robots mobiles, à savoir se déplacer aussi bien qu’un humain dans un milieu naturel, ou urbain.

L’invention: introduction

L’invention améliore significativement le fonctionnement des articulations des bras, et permet donc aux bras à la fois de contribuer efficacement à la mobilité, et aussi d’augmenter leur performance en manipulation d’objets.

Sans le dispositif décrit dans l’invention : les contraintes mécaniques résultantes de la dynamique de mobilité d’un robot, et les efforts à fournir, sont très supérieurs par rapport aux performances de bras robotisés usuels, tels que ceux portés par des robots mobiles. Ainsi lors d’une phase de mouvement, où le bras (3) viendrait en support (comme une béquille) au système de motricité direct (23), le couple moteur nécessaire au niveau de l’articulation du coude d’un bras pour supporter la masse d’un robot est de 200 N.m. Or un moteur nu capable de générer un tel couple a une masse de 6kg, et un volume, et une consommation en courant importante. Considérant qu’un bras comporte 3 moteurs en généra, nous obtiendrions un bras complet pesant 30kg. Comme usuellement un robot comporte deux bras, soit 60kg, cela implique que toute la structure du robot, et les autres moteurs soient renforcés pour supporter ces bras, ce qui induit que la masse totale du robot dépasserait certainement 200kg. La consommation énergétique serait plus élevée, d’où une autonomie amoindrie. La mobilité serait au final très contrainte, par exemple il est très probable qu’un tel robot ne puisse pas passer une porte de 0.6m de large. C’est pourquoi dans l’état de l’art les bras sont conservés à une masse minimale, ce qui implique une limitation des performances des bras. Par exemple, le robot humanoïde REEM de PAL Robotics, considéré comme un des meilleurs robots de sa catégorie, porte une charge maximale de 10kg avec ses bras.

L’invention permet de faire participer les bras (3) à la mobilité du robot et/ou à la manipulation d’objet, mais en conservant une masse minimale pour les bras. L’invention consiste à bloquer mécaniquement l’articulation (4) du bras (3), et à supprimer les contraintes subies par l’articulation (4) selon le degré de liberté bloqué. Les calculs et simulations par éléments finis, montrent qu’un robot intégrant le dispositif de l’invention est capable d’une part de soulever une masse de 100kg du sol jusqu’à 1.8m de haut avec ses bras, de monter un escalier droit pentu à 57°, et de monter sur une table à 1.2m de haut, sans sauter et sans appui (autre que le plateau de la table). Ces performances sont déjà remarquables en l’état, et pourront être encore améliorées lors des développements futurs.

Pour que le moteur (5) d’articulation (4) ne soit pas soumis directement à l’effort mécanique du bras (3) selon le degré de liberté de l’articulation qui est bloqué, il faut que le dispositif de blocage reprenne le dit effort dans sa propre chaine cinématique. Le mouvement de l’élément mobile du dispositif de blocage entraine soit le blocage, soit la libération de l’articulation (4), l’élément mobile du dispositif de blocage est donc le plus critique : il s’agit de la goupille (60). Notons également que le moteur (61) de la goupille (60) est très léger et peu puissant : il ne doit pas non plus être soumis à un effort significatif.

Dans les paragraphes suivants, vous trouverez un état de l’art des dispositifs de blocage ou de limitation du mouvement pour les bras robotisés, dont l’élément mobile est dénommé en général « butée ».

Arrière plan technologique: généralités

Il existe différents types de contacts mécaniques, dits butée, permettant un certain contrôle du mouvement des articulations de bras robotisés. Les butées peuvent être classées en différents types, elles sont soit à :

position fixe, définitivement statique, c’est à dire positionnées manuellement, ou inscrites dans la géométrie des composants
position réglable, c’est à dire que ce sont des butées mobiles :
1. déplaçables manuellement, à l’arrêt du robot
2. mues par un moteur, éventuellement pendant le fonctionnement du robot

Et le mouvement des butées mobiles est soit :

une rotation selon le même axe que l’axe de rotation de l’articulation
une rotation selon un axe parallèle à l’axe de rotation de l’articulation
une translation dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’articulation
une translation selon une direction parallèle à l’axe de rotation de l’articulation

De plus, certaines butées ne bloquent le mouvement de rotation :

que s’il est dans le sens horaire (respectivement anti horaire)
quel que soit le sens

Par ailleurs, toutes les butées observées dans l’état de l’art en robotique, ont vocation à limiter le mouvement en rotation d’une articulation.

De plus, il est usuel en robotique de limiter le mouvement d’une articulation par un dispositif effectuant un mouvement de rotation selon le même axe de rotation que celui de l’articulation, il en résulte que le moteur qui actionne la butée, est directement soumis à la somme des contraintes mécaniques, issues d’une part du moteur de l’articulation, d’autre part de l’effort externe lié à la mobilité, ou la manipulation de charge. Il en résulte un effort important sur le moteur de butée, qui est dommageable à sa durée de vie, augmente son dimensionnement, et génère une consommation énergétique de maintien, et/ou l’usure du frein intégré.

Enfin, pour réaliser un blocage de l’articulation avec les dispositifs de l’état de l’art, il faudrait d’une part deux butées, et d’autre part qu’elles se déplacent de manière coordonnée et dans des sens opposés, pour se réunir de part et d’autre de la partie mobile du bras, et en contact direct avec celui-ci. Une telle opération de blocage par double butée, nécessite de résoudre de manière satisfaisante les contraintes contradictoires de jeu et d’hyperstaticité, qui rendraient un tel dispositif délicat à concevoir, à faire fonctionner en dynamique, et à maintenir en état.

Aucun dispositif identifié ne correspond à celui de la présente invention.

Arrière plan technologique : les brevets

Etat de l’art relatif aux dispositifs de contrôle de position et angulaire d’un bras robotisé :

1972 : US3,662,610 décrit un dispositif de blocage mécanique d’un mouvement de rotation éventuellement supérieur à 360°. Le blocage se fait par un mécanisme co-axial à l’axe de rotation. La butée de limitation en rotation n’est pas conçue pour être modifiable.

1989 : JPH08153Y2 (JPH02100792) décrit un dispositif de blocage mécanique d’un mouvement de rotation repositionnable, pour robot articulé. Le dispositif de blocage décrit étant circulaire, et le blocage se faisant par une sphère mobile.

1990 : US 4 934 504 dispositif de réglage des butées mobiles pour le contrôle et le blocage en rotation d’un bras robotisé. En plus des butées mobiles, il y a également un ensemble de capteurs, et donc une rétroaction vers le système de commande, permettant d’éviter le mouvement hors des angles limites définis. Les butées et les capteurs peuvent être déplacés manuellement et aisément pour s’adapter à une nouvelle configuration.

1991 : JPH05177578A il s’agit d’une butée angulaire unidirectionnelle pour moteur et actionneur, non modifiable, et sans consommation d’énergie en position bloquée.

1995 : JPH07136972A dispositif de blocage mécanique d’un mouvement de rotation, pour les articulations d’automates ou de robots de la hanche, de l’épaule et du coude... Il s’agit d’une limitation angulaire réglable.

1997 : WO 87 / 00790 décrit un dispositif de blocage mécanique d’un mouvement de rotation, pour une articulation d’un bras de robot, le blocage est précédé d’un capteur qui permet de lancer un alarme. Il s’agit d’une limitation angulaire réglable.

2013 : WO 175 554 dispositif de butées mobiles pour le contrôle et le blocage en rotation d’un bras robotisé, dit cobot. La butée est actionnable par un moteur, et peut donc être retiré ou activé selon les commandes de l’ordinateur de gestion du bras robotisé. L’activation de la butée est réalisé dans le cas où un homme serait détecté à proximité du bras robotisé, il s’agit donc d’une limitation angulaire conditionnelle.

2013 : JP 111 718 dispositif de contrôle du mouvement en rotation d’un bras robotisé, par activation de butées mécaniques, activables par des actionneurs électromagnétiques ou des moteurs. Il s’agit d’une limitation en rotation pour la protection du personnel travaillant à proximité, ou pour les objets environnants.

2017 : WO 2017/130926 (= US2018370049A1) : dispositif mécanique de limitation angulaire réglable, couplé avec des butées de sécurité réglable, pour limiter le mouvement de rotation d’un bras robotique sur un ou plusieurs de ses moteurs.

2018 : WO 009706 A1 : dispositif de blocage mobile d’une articulation robotisée, la position de ces blocages étant contrôlée et modifiables par deux moteurs séparés et supplémentaires aux moteurs permettant le mouvement du bras lui-même. Il est à noter que les butées mécaniques sont d’une part mobile dans le même axe de rotation que le bras lui-même, d’autre part elles sont maintenues en position par le moteur de commande des butées, cette construction implique que les moteurs de commande des butées doivent être alimentés, et consommer de l’énergie électrique en permanence, ou disposer d’un frein puissant. Il s’agit d’une limitation angulaire réglable.
Etat de l’art relatif à l’adaptation d’un bras robotisé à son environnement :

1982 : GB 2 110 427 A : décrit un dispositif de rétroaction pour un bras robotisé permettant d’adapter la position du bras pour se positionner relativement à une pièce en prenant en compte les informations de capteurs de localisation de la dite pièce.

L’invention: construction

L’invention décrit un robot muni d’un bras (3) doté d’une articulation (4) muni d’un moteur (5) et d’un dispositif, qui peut bloquer cette articulation pour effectuer une certaine action (par ex. : mobilité, manipulation) sans contraindre le moteur de l’articulation bloquée.

Selon l’invention, la goupille (60) fait partie d’une chaine cinématique, composée d’un guidage (62), constitué de un, ou idéalement de deux guides, du moteur de commande (61) du mouvement de la goupille (60), et du réceptacle (70). En position bloquée, l’effort subi par l’articulation du bras selon son degré de liberté, est transmis par cette chaine cinématique, qui réalise ainsi un découplage mécanique du moteur (5). En conséquence, le moteur (5) de l’articulation ne subit pas d’effort significatif, ce qui permet de ne pas le dimensionner en vu de supporter l’effort important subi soit en dynamique pour la mobilité du robot, soit lors de la manipulation de charge.

Le dispositif intègre une goupille (60), qui se déplace entre deux positions, à savoir articulation libre ou bloquée, selon un mouvement :

linéairement, selon une direction :
1. perpendiculaire : à l’axe de rotation de l’articulation (cf. Figures [2] & [3]), ou à la direction de translation de l’articulation
2. parallèle à l’axe de rotation de l’articulation (cf. Figures [4] & [5]) qui est le mouvement préférentiel pour réaliser simplement un découplage des efforts efficace et solide.
en rotation, selon un axe parallèle ou perpendiculaire, à l’axe de rotation de l’articulation ou sa direction de translation. Ce mode de réalisation n’est pas représenté dans les figures. Il est néanmoins aisé d’imaginer une variante des dispositifs illustrés pour permettre un mouvement de la goupille (60) en rotation, ou hydride rotation-linéaire.

Si le mouvement de la goupille correspond à ceux décrits ci-dessus, le moteur de la goupille (61) ne subit qu’un effort résiduel en position articulation bloquée.

L’articulation peut être bloquée dans différentes positions. Ces positions sont définies par la géométrie mécanique du réceptacle (70). C’est la position relative des deux sous membres du bras au moment de l’activation du moteur (61) en mode « blocage », qui définit la géométrie du bras en position bloquée.

La mise en oeuvre du dispositif, ainsi que le contrôle de tous les moteurs du robot, se fait de manière coordonnée, via les commandes transmises par un circuit électronique muni d’un logiciel embarqué. Le dispositif de blocage permet d’adapter la géométrie du robot à son environnement pour réaliser une action prévue (cf Figure [6] pour plus d’explication). Le circuit électronique de contrôle appréhende son environnement par des capteurs. Et l’action à réaliser est définie, selon un niveau de détail variable, par l’utilisateur humain du robot.

Dispositif de robot terrestre partiellement autonome, ou télé-opéré, dit robot terrestre, destiné à se déplacer et à transporter une charge ;

le dit robot terrestre étant constitué d’au moins un organe référent, dit fixe, lié à au moins un organe mobile ; l’organe référent étant un abdomen (2), un moteur, ou un bras (3) articulé ; l’organe mobile étant un abdomen (2), un bras (3) articulé, un moteur, un membre rigide, une main (30), une roue ou une chenille ; l’organe mobile étant lié à l’organe référent par une articulation (4) autorisant un degré de liberté, la dite articulation (4) étant actionnée par un moteur (5) ;

et le dit robot comporte au moins une articulation, où d’une part un des deux organes, référent ou mobile, est doté des trois composants suivants : une goupille (60), un moteur dédié (61) et un guidage (62) ; et où d’autre part, l’autre organe est doté d’un réceptacle (70) dont la forme est adaptée à celle de la goupille (60) en regard ;

- dans un premier mode : la goupille (60) est rétractée, et le jeu entre la goupille (60) et le réceptacle (70) permet un mouvement de l’articulation (4) libre et contrôlé par le moteur (5) ;

- dans un second mode : la goupille (60), est entrée en contact avec le réceptacle (70) : l’articulation (4) est alors bloquée, et l’intégralité de l’effort, appliqué selon le degré de liberté de l’articulation (4), est transmis mécaniquement entre l’organe référent et l’organe mobile, par la chaine cinématique du dispositif de blocage, qui est composée de la goupille (60), le guidage (62), le moteur (61) et le réceptacle (70), sans sollicitation mécanique du moteur (5) de l’articulation selon son degré de liberté ; le dit moteur pouvant alors être inactivé.

Dispositif de robot terrestre, où le réceptacle (70) est doté de plusieurs positions d’accueil de la goupille (60) offrant plusieurs possibilités de blocage de l’articulation (4).

Dispositif de robot terrestre, où le mouvement de la goupille (60) pour passer du premier au second mode, dépend du degré de liberté de l’articulation à bloquer :

si le degré de liberté de l’articulation à bloquer est en rotation, alors la goupille (60) se déplace linéairement sur une ligne parallèle à l’axe de rotation de l’articulation ;
si le degré de liberté de l’articulation à bloquer est en translation, alors la goupille (60) se déplace linéairement sur un plan normal à cette direction de translation de l’articulation.

Dispositif de robot terrestre, où le robot terrestre est doté d’au moins deux mains (30) ; chaque main étant disposée à l’extrémité d’un bras, le dit bras étant lié à la dite main par une articulation; chaque main étant dotée soit d’une forme, soit d’une contre-forme, soit des deux, permettant d’accoupler solidement entre elles les au moins deux mains; l’accouplement des au moins deux mains bloque le degré de liberté des articulations portant les mains.

Dispositif de robot terrestre, comprenant un ou deux moteur(s) d’épaule interne, où au moins un membre supérieur, dit bras articulé (3), a une longueur supérieure à la distance entre l’axe du moteur d’épaule interne (200) et le sol, considérant que le robot terrestre est préalablement dans une configuration où la distance entre l’axe du moteur d’épaule interne (200) et le sol est maximale.

Dispositif de robot terrestre, où un abdomen (2) supérieur est d’une part muni de deux bras (3) chacun terminé par une main, et est d’autre part associé par une articulation (4), dite de hanche (22) contrôlée par un moteur (220), à un second abdomen (2) muni d’un système de motricité direct (23), constitué d’au moins une roue, ou chenille, et d’un moteur associé.

Figures descriptives de l’invention

Les figures illustrent plusieurs modes de réalisation de l’invention, et ne constituent pas une description exhaustive des dispositifs que recouvre l’invention. Les figures ne limitent donc pas la portée des Revendications.

Figure [1] : Le robot est composé de deux abdomens (2) : - l’un pourvu du système de motricité direct (23) doté de deux roues, chacune actionnée par un moteur ; - l’autre doté de deux bras (3) également mû chacun par un moteur spécifique. La liaison entre les abdomens est l‘articulation (4) de hanche (22). Le bras (3) de l’abdomen supérieur se subdivise en deux sous membre, le premier (6) attaché à l’abdomen, et le second (7) disposé au delà de l’articulation (4) de coude. Le moteur (5) réalise une fonction de rotation de l’articulation (4) selon un unique degré de liberté en rotation. A l’extrémité du sous membre (7) se trouve une articulation (4) liée à une main (30), actionnée par un moteur (31) (non représenté sur la figure). Les deux mains sont réunis au centre, sur le devant du robot, par l’action des moteurs d’épaules externes (240) et internes (200) (car l’articulation (4) du coude est bloquée à 90°, inactivant le moteur (5)). Chaque main porte soit une forme ou soit une contre-forme, leur permettant de se lier entre elles solidement. Les mains sont solidaires mécaniquement, et supportent la totalité de l’effort dû à la manipulation de la masse (300), ne transmettant au l’articulation de main aucune contrainte (ou seulement résiduelle) selon son degré de liberté bloqué.

Ce premier dispositif de blocage de l’articulation (3) du coude est composé d’une goupille (60) et de son moteur (61) tous deux fixés sur le sous membre supérieur (6). Sur la position bloquée représentée, la goupille (60) vient se poser sur le réceptacle (70) en formant un angle de 90° avec le sous membre (7). Le moteur (5) est donc déchargé des efforts dus à la masse (300) et au poids du sous membre (7). L’effort de soulever est donc générer par les deux moteurs d’épaule internes (200) et le moteur de hanche (220), tous trois sont lourds et puissants. Les moteurs liés au système de motricité direct (23), dans ce cas, servent à maintenir l’équilibre du robot.

Figure [2] : Il s’agit d’un agrandissement de la figure [1] au niveau de l’articulation du coude, qui est bloquée. Nous visualisons les deux sous membres (6) et (7), qui forment un angle de 90°. Nous distinguons le dispositif de blocage constitué dans ce mode de réalisation : d’un moteur (61) de type linéaire, qui pousse ou tire la goupille (60) dans un guidage (62) unique, doté d’un coussinet bronze lubrifié, de longueur sensiblement égale au diamètre la goupille. L’extrémité de la goupille est en contact avec le réceptacle (70), dont la forme complémentaire à la goupille permet le blocage de l’articulation. Le réceptacle est fixé sur le sous membre mobile (7).

Figure [3] : Il s’agit du même dispositif représenté sur les figures [1] et [2], mais en position ouverte (articulation libre). Nous visualisons sur le réceptacle (70) deux protubérances, de formes sensiblement cylindriques, formant un angle de 90° entre elles, dites axes protubérants (71). Ces axes sont fixes, d’un diamètre inférieur à celui de la goupille (sur l’illustration : 15mm diamètre axe vs 25mm diamètre goupille), et dotés d’un chanfrein d’entrée. De manière correspondante, la goupille (60) présente à son extrémité mobile une forme concave profonde, qui permet lors de l’actionnement du moteur (61) qu’un axe protubérant (71) pénètre dans la goupille (60) sur une longueur sensiblement égale à son diamètre (soit 15mm), selon un ajustement glissant ordinaire. Il résulte de ce contact que l’articulation est bloquée, et l’effort en rotation de l’articulation est supporté par le réceptacle (70) et le guidage (62). Les moteurs (61) et (5) peuvent ne pas être alimentés en position bloquée. Comme il existe deux axes protubérants formant un angle de 90°, il existe deux positions de blocage de l’articulation : l’articulation (4) peut être bloquée en position tendue (0° d’angle) comme illustré sur la Figure [6], ou à angle droit (90°) comme sur les figures [1] et [2].

Figure [4] : Il s’agit d’une vue de dessus d’un second dispositif selon lequel la goupille (60) peut bloquer l’articulation (4), par un mouvement linéaire et parallèle à l’axe de rotation de l’articulation. Selon l’illustration, la vis sans fin, entrainée en translation par le moteur linéaire (61), joue le rôle de goupille (60). La fonction de guidage (62) de la goupille (60) est réalisée par les parois latérales du tube carré, constituant le sous membre (6), qui est percé de part en part, afin de laisser passer la goupille (60), selon un ajustement glissant à jeu important. Le moteur linéaire (61) est fixé sur l’équerre qui supporte le moteur (5) de l’articulation (4). Le réceptacle (70) est une plaque épaisse, qui est fixée avec un support (701) sur le sous membre (7), et traverse par une fente aménagée en son centre le sous membre (6). Selon l’illustration, la goupille (60) est sans contact avec le réceptacle (70), l’articulation dispose donc du degré de liberté en rotation contrôlé par le moteur (5). La position angulaire illustrée est à 0° : articulation tendue. Les axes de rotation des moteurs (5) et (61) sont représentés par un trait pointillé mixte en gras.

Figure [5] : Il s’agit d’une vue de coté du dispositif présenté en Figure [4]. Cette vue permet de constater que le réceptacle (70) est une plaque percée de plusieurs alésages (simples trous de diamètre légèrement supérieur à celui de la goupille(60)) qui peuvent être traversés par la goupille (60), et sont autant de positions possibles de blocage angulaire de l’articulation (4). La présence de 6 alésages, indique qu’il y a selon ce dispositif 6 positions de blocage de l’articulation (4), de -90° à +135° d’angle relatif entre les sous membres (6) et (7). Certains composants situé à l’arrière du bras, et donc non visibles, ne sont pas représentés (moteur (61), équerre...). La forme du réceptacle (70) est logiquement circulaire à l’extérieure, celle intérieure est indicative, et dessinée à main levée.

Figure [6] : Cette figure illustre l’adaptation dimensionnelle du robot conséquente de l’activation du dispositif de blocage, et permettant la montée d’une marche d’escalier. Nous avons :

Un moteur de hanche (220), qui contrôle l’angle formé entre les deux abdomens
Un moteur interne de l’épaule (200) par bras (3). Il est intégré à l’abdomen supérieur, et met le bras en rotation d’avant en arrière (rotation autour d’un axe normal à la feuille passant par l’épaule).
Un moteur externe de l’épaule (240) par bras (3). Il est porté par le bras et fixé à la sortie du moteur (200). Ce moteur (240) permet d’écarter latéralement le bras. Sur l’illustration ce moteur écarte le bras d’un faible degré (3°), afin de laisser passer le robot entre ses bras à son arrivée sur la marche supérieure. Le moment à l’écartement généré par le poids du corps, via l’appui des deux bras sur la marche, sur ce moteur est faible (à savoir : la moitié de sin(3°) soit 2.5% du poids * longueur du bras plié) un dispositif de blocage n’est donc pas nécessaire.
Un moteur (5) d’articulation (4) par bras (3). Son activation permet de plier le coude, est donc de faire varier la distance entre l’épaule et l’extrémité du bras.

Prenons comme hypothèse que la longueur de bras (3) tendu permette au bras de toucher le sol (utile par exemple, afin d’aider à la mobilité sur un sol meuble, en posant la main (30) au sol). Si ces bras tendus sont posés sur la marche d’escalier à monter, alors le robot sera penché en arrière. Or pour monter un escalier, il est nécessaire que le robot soit penché vers l’avant (du coté où les bras sont en appui). En conséquence, la distance entre l’épaule et l’extrémité du bras (3) doit être raccourcie, afin de pouvoir appuyer les bras sur la marche supérieure, tout en permettant au robot de basculer en direction des bras. Cette adaptation nécessaire de la longueur du bras (3), se fait par la rotation de l’articulation (4) du coude, qui s’écarte sur le coté, suivi du blocage de l’articulation (4) avant de prendre appui sur le bras (3). Avec cette distance plus courte, le robot peut basculer vers l’avant, portant son centre de gravité sensiblement au dessus du point d’appui du bras (3), assurant ainsi sa stabilité lors du soulèvement des abdomens (2). L’effort fourni par l’action combinée des moteurs puissants (200) et (220) permet de soulever le robot en appui sur les bras (3), puis de reposer les roues entre les bras une fois arrivé sur la marche supérieure.

Dans l’exemple de mobilité, illustré par la figure [6], il est possible de remplacer l’escalier par un autre obstacle, et l’adaptation géométrique des bras peut se révélée utile, et très souvent nécessaire. L’analogie est évidente pour d’autres obstacles proéminents, mais l’analogie est également valide pour des trous, tranchés etc. Par exemple : afin de franchir ces obstacles en creux, le robot peut prendre une vitesse horizontale faible (0.5m/s) puis s’appuyer sur ces bras (3) tendus, avec articulations (4) de coude bloquées, et inclinés (10°) vers l’avant puis donner une impulsion avec ses moteurs d’épaule interne (200), afin de fournir une légère vitesse verticale aux abdomens (2), qui pourront ensuite pivoter autour de l’épaule, les bras restant en appui sur le sol, pour reposer les roues quelques (20 à 50) centimètres plus loin. Dans le cas où, d’une part la vitesse horizontale est accrue, et complémentairement aux moteurs d’épaule interne (200) le moteur de hanche est activé (220), alors une vitesse verticale supérieure peut être atteinte, et le robot peut sauter un obstacle de longueur plus importante (en relation avec sa vitesse horizontale et verticale). Les équations du mouvement montrent que le franchissement d’une tranchée de 2m de large est aisé, ce qui constitue une performance notable parmi les robots anthropomorphes.

Claims

Dispositif de robot terrestre partiellement autonome, ou télé-opéré, dit robot terrestre, destiné à se déplacer et à transporter une charge ;
le dit robot terrestre étant constitué d’au moins un organe référent, dit fixe, lié à au moins un organe mobile ; l’organe référent étant un abdomen (2), un moteur, ou un bras (3) articulé ; l’organe mobile étant un abdomen (2), un bras (3) articulé, un moteur, un membre rigide, une main (30), une roue ou une chenille ; l’organe mobile étant lié à l’organe référent par une articulation (4) autorisant un degré de liberté, la dite articulation (4) étant actionnée par un moteur (5) ;
et le dit robot comporte au moins une articulation, où d’une part un des deux organes, référent ou mobile, est doté des trois composants suivants : une goupille (60), un moteur dédié (61) et un guidage (62) ; et où d’autre part, l’autre organe est doté d’un réceptacle (70) dont la forme est adaptée à celle de la goupille (60) en regard ;
- dans un premier mode : la goupille (60) est rétractée, et le jeu entre la goupille (60) et le réceptacle (70) permet un mouvement de l’articulation (4) libre et contrôlé par le moteur (5) ;
- dans un second mode : la goupille (60), est entrée en contact avec le réceptacle (70) : l’articulation (4) est alors bloquée, et l’intégralité de l’effort, appliqué selon le degré de liberté de l’articulation (4), est transmis mécaniquement entre l’organe référent et l’organe mobile, par la chaine cinématique du dispositif de blocage, qui est composée de la goupille (60), le guidage (62), le moteur (61) et le réceptacle (70), sans sollicitation mécanique du moteur (5) de l’articulation selon son degré de liberté ; le dit moteur pouvant alors être inactivé.
Dispositif de robot terrestre selon la revendication précédente, où le réceptacle (70) est doté de plusieurs positions d’accueil de la goupille (60) offrant plusieurs possibilités de blocage de l’articulation (4).
Dispositif de robot terrestre selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le mouvement de la goupille (60) pour passer du premier au second mode, dépend du degré de liberté de l’articulation à bloquer :
si le degré de liberté de l’articulation à bloquer est en rotation, alors la goupille (60) se déplace linéairement sur une ligne parallèle à l’axe de rotation de l’articulation ;

si le degré de liberté de l’articulation à bloquer est en translation, alors la goupille (60) se déplace linéairement sur un plan normal à cette direction de translation de l’articulation.
Dispositif de robot terrestre selon l’une quelconque des revendications précédentes, , où le robot terrestre est doté d’au moins deux mains (30) ; chaque main étant disposée à l’extrémité d’un bras, le dit bras étant lié à la dite main par une articulation; chaque main étant dotée soit d’une forme, soit d’une contre-forme, soit des deux, permettant d’accoupler solidement entre elles les au moins deux mains; l’accouplement des au moins deux mains bloque le degré de liberté des articulations portant les mains.
Dispositif de robot terrestre selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ou deux moteur(s) d’épaule interne, où au moins un membre supérieur, dit bras articulé (3), a une longueur supérieure à la distance entre l’axe du moteur d’épaule interne (200) et le sol, considérant que le robot terrestre est préalablement dans une configuration où la distance entre l’axe du moteur d’épaule interne (200) et le sol est maximale.
Dispositif de robot terrestre selon l’une quelconque des revendications précédentes, où un abdomen (2) supérieur est d’une part muni de deux bras (3) chacun terminé par une main, et est d’autre part associé par une articulation (4), dite de hanche (22) contrôlée par un moteur (220), à un second abdomen (2) muni d’un système de motricité direct (23), constitué d’au moins une roue, ou chenille, et d’un moteur associé.