Le concept retenu est fortement inspiré du système de compensation de gravité zeroG4 de la compagnieequipois inc.(2014) montré à la figure3.8. Le principe de base n’est pas nouveau. En utilisant une structure en parallélogramme, il est possible d’équilibrer statiquement un ddl en conservant le repère vertical pour l’articulation suivante. En juxtaposant des articulations verticales avec des parallélogrammes équilibrés statiquement, ont obtient un bras sériel entiè-
rement équilibré statiquement. Dans cette architecture, il n’y a pas vraiment d’intérêt à avoir plus que deux parallélogramme puisque ce nombre est suffisant pour obtenir un positionneur cartésien avec une redondance en z et que d’autres parallélogrammes ajouteraient simplement plus de redondance. En ayant une articulation double entre les deux parallélogrammes, cela permet une rotation de 360 degrés. Il suffit que la longueur de l’articulation double permette de dégager l’épaisseur des parallélogrammes. Afin de n’utiliser qu’un seul moteur pour actionner l’articulation double, nous utiliserons plutôt un joint roulant.
parall`elogrammes ´equilibr´es statiquement
penture double
Figure 3.8 – Outils de compensation de gravité zeroG4 (equipois inc. 2014).
La figure3.9montre le concept de bras retenu. Il comporte 7 ddls dont les quatre premiers sont équilibrés statiquement. L’épaule est compacte et contient un limiteur de couple permettant de diminuer la force d’un impact avec le coude ou le bras du robot. Le bras ainsi que l’avant- bras sont des structures en parallélogramme équilibré par des cylindres à membrane reliés à un système de contrepoids. Le coude est un joint roulant qui permet au robot de se replier entièrement sur lui-même pour plus de souplesse. Le coude intègre également un limiteur de couple pour plus de sécurité. Le poignet comporte 3 ddls pour atteindre toutes les orientations. Les deux derniers ddls sont couplés par un système de différentiel permettant une meilleure exploitation du couple des moteurs. Un capteur de force six axes précède le préhenseur per- mettant ainsi un contrôle par admittance du robot. La main ainsi que le capteur d’efforts sont reliés par un connecteur rotatif ce qui permet des rotations infinies du dernier axe.
Les sous-sections suivantes présenteront plus en détail chaque composant de la solution retenue. Des calculs détaillés sur les efforts des principaux composant ainsi que les résultats des analyses par éléments finis sont donnés à l’annexeB. Les calculs relatifs au choix des moteurs se trouvent à l’annexe A.
3.3.1 Épaule
Le moment ainsi que le poids du robot sont repris par deux roulements à billes standards, tel que montré à la figure 3.10. L’utilisation d’un moteur à arbre creux permet la traversée d’un arbre d’un roulement à l’autre, ce qui facilite l’assemblage. Le moteur, muni d’un réducteur harmonique de 100 : 1, est fixé à la base de l’épaule. Il est lié en rotation à un limiteur de couple
´epaule
bras joint roulant
avant-bras poignet
capteur de force 6 axes main Robotiq
Figure 3.9 – Solution finale.
à billes par un manchon de transmission et une clavette, permettant ainsi un déplacement axial entre le limiteur de couple et le moteur. L’extrémité du limiteur de couple est fixée à la partie mobile de l’épaule. Un encodeur optique contenu dans le moteur permet le contrôle du robot. Un encodeur magnétique secondaire est utilisé afin de connaître la position réelle du robot à la suite d’un déclenchement du limiteur de couple. L’aimant de l’encodeur est inséré à une extrémité de l’arbre et la puce est positionnée à l’aide d’un couvercle vissé. Deux paires d’amortisseurs en caoutchouc absorbent l’énergie de collision de l’épaule avec elle-même en cas de perte de contrôle de l’épaule.
3.3.2 Bras
Le bras, montré à la figure3.11, est une structure en parallélogramme actionnée et équilibrée par un vérin construit sur mesure à partir du manuel de conception du fournisseurBellofram Corporation(1998). Ce vérin à membrane exploite la totalité de la longueur de la membrane contrairement aux vérins de marque ControlAir inc. (2014). Ce vérin a en fait le double de la course du vérin de même diamètre de ControlAir. La course étant plus longue, un plus grand bras de levier peut être utilisé, diminuant ainsi les efforts à transmettre par le vérin. Le vérin est assemblé à chaque extrémité par des rotules limitant grandement l’effort de flexion enduré par la tige du vérin et son roulement linéaire. Les membrures supérieure et inférieure sont usinées dans un bloc d’aluminium haute performance. Un encodeur magnétique, montré sur la figure3.12, permettra la lecture de l’angle de la membrure supérieure par rapport à la plaque de fixation du bras. Cet encodeur a été choisi en raison de l’absence d’arbre tournant nécessaire aux encodeurs traditionnels.
couvercle de l’encodeur secondaire
base du robot
moteur FHA-17C aimant de l’encodeur secondaire attache au bras du robot
limiteur de couple `a bille
amortisseur
Figure 3.10 – Vue de section de l’épaule.
v´erin `a membrane rotule plaque de fixation du coude plaque de fixation de l’´epaule encodeur magn´etique
Figure 3.12 – Encodeur magnétique déporté.
3.3.3 Coude
Deux poulies reliées par des câbles assurent le mouvement de type joint roulant. Ces deux poulies sont maintenues à distance constante par un boîtier montré à la figure3.13. La structure particulière de ce boîtier permet de faire la transition entre les hauteurs du bras et de l’avant- bras. Le boîtier est entraîné relativement à la poulie proximale par un moteur sans brosses à réducteur harmonique connecté en série avec un limiteur de couple à billes. Sur la poulie proximale, deux tendeurs permettent de générer une tension suffisante dans les câbles. Un encodeur magnétique est placé sur chaque articulation afin de connaître la position précise du robot, même après un déclenchement du limiteur de couple.
poulie distale poulie proximale moteur tendeur limiteur de couple encodeur secondaire boˆıtier
Figure 3.13 – Vue de section du joint roulant.
3.3.4 Avant-bras
L’avant-bras, montré à la figure3.14, part de la même structure en parallélogramme que celle du bras. Par contre, l’insertion d’un moteur pour le poignet empêche d’insérer le cylindre de
la même manière que pour le bras en raison des interférences causées. Deux tiges de part et autre du cylindre, montées sur des roulements à aiguilles, transmettent la force du cylindre vers la plaque de base. Ces tiges sont connectées au cylindre par un bloc roulant sur un rail. Les roulements linéaires de ce bloc ont pour fonction de reprendre les efforts perpendiculaires au rail, engendrés par les tiges, afin d’éviter de transmettre un moment à la tige du cylindre. De plus, une rotule relie la tige et le bloc pour minimiser les efforts transmis à la tige en cas de désalignement. Le pivot du cylindre est quant à lui installé sur un roulement à aiguilles monté sur rotule de manière à contrer la friction et la transmission des moments au cylindre par sa base.
moteur du poignet tige d’´equilibrage
rail en acier inoxydable roulement `a bille lin´eaire
rotule v´erin `a membrane
plaque de fixation
vis d’´epaulement
Figure 3.14 – Vue de l’avant-bras modélisé.
3.3.5 Poignet
Le poignet, montré à la figure 3.15, est en quelque sorte construit autour de deux moteurs actionnant un système de différentiel couramment utilisé en robotique. Le différentiel permet une redistribution de la puissance des moteurs ainsi que l’intersection de 2 axes de rotation de manière très compacte. La rotation du boîtier du différentiel par rapport au châssis du poignet est assurée par deux roulements montrés sur la figure 3.16. Les arbres des pignons menants sont chacun supportés par deux autres roulements, l’un entre l’arbre du pignon et le châssis du poignet, l’autre entre le pignon et le boîtier du différentiel. Ce dernier roulement est installé directement sur l’engrenage afin de rendre l’assemblage plus compact. La roue de sortie du différentiel est supportée par un roulement à rouleaux croisés lui permettant de supporter d’importantes forces et d’importants moments. La puissance est transmise des moteurs aux pignons par des courroies crantées prétendues par des tendeurs. Les poulies crantées menantes sont vissées directement sur la plaque de sortie des moteurs, ceux-ci étant supportés par un
roulement à rouleaux croisés pouvant reprendre d’importants efforts. Enfin, un capteur de force 6 axes, modèle ATI Mini85 (ATI Industrial Automation 2014), est installé entre la main robotique et la sortie du différentiel afin de permettre un contrôle intuitif du robot.
diff´erentiel
moteurs tendeur poulie menante poulie men´ee
fixation du poignet fixation de la main
cellule de charge
Figure 3.15 – Vue isométrique de la solution retenue pour le poignet.
roulement arbre pignon roulement pignon
roulement boˆıtier diff´erentiel roulement roue
couple conique
pignon roue
moteur FHA-14C-100
Figure 3.16 – Vue de coupe du poignet.
Dans les prochaines sections, nous allons analyser en détail les mécanismes d’équilibrage du bras et de l’avant-bras.