VERIN HYDRAULIQUE ET STRUCTURE D'ACTIONNEMENT D'UN BRAS MANIPULATEUR METTANT EN œUVRE AU MOINS UN TEL VERIN

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un vérin hydraulique et une structure d' actionnement d'un bras manipulateur mettant en oeuvre au moins un tel vérin.

Le domaine de l'invention est celui de l'alimentation hydraulique de manipulateurs comprenant des joints tournants, et notamment de manipulateurs possédant une translation télescopique utilisés par exemple dans des milieux dans lesquels l'utilisateur n'a pas accès, par exemple pour des applications nucléaires off-shore et travaux publics.

éTAT DE LA TECHNIQUE ANTéRIEURE

Dans le domaine nucléaire, pour entretenir et/ou contrôler des installations auxquelles un être humain n'a pas accès, sans avoir connaissance au préalable des opérations à accomplir, on utilise des robots à retour haptique. Ces robots sont pourvus de vérins hydrauliques alimentés par des flexibles hydrauliques, qui permettent un câblage entre les pompes, distributeurs et vérins et peuvent compenser la course des mouvements télescopiques . Les flexibles présentent plusieurs inconvénients majeurs, principalement pour des bras manipulateurs :

- Leurs rayons minimaux de courbures sont importants et augmentent l'encombrement des bras.

- Ces flexibles, non protégés, courent le risque d'être arrachés, ce qui ne peut être toléré pour des raisons de sécurité.

- Ces flexibles sont très raides, surtout à des pressions de 200bars, les faire fléchir est problématique .

- Leur variation de volume (gonflement) sous l'effet d'appels de pression lors d'un actionnement perturbe l'asservissement des vérins. Le document référencé [1] en fin de description décrit un système télescopique hydraulique, comprenant deux vérins, dans lequel le premier vérin est alimenté par sa tige creuse. Un piquage dans la chambre de ce vérin permet d'alimenter, à la même pression, le vérin suivant. On obtient ainsi un vérin télescopique dont les éléments ne sont pas concentriques. Ce système utilise simultanément des vérins à simple ou à double effet comme actionneurs et comme dispositifs d'alimentation en fluide. Une telle solution, qui permet de s'affranchir de flexibles, se limite à l'alimentation d'un système télescopique. Si le système télescopique n'est pas en action, le fluide ne peut être acheminé à un vérin amont indépendamment du fonctionnement du système télescopique. Une amélioration du document référencé [1], décrite dans le document référencé [2], consiste à fixer, parallèlement à un système télescopique de puissance, un second système télescopique dont la section utile S2' du vérin, comme illustré sur la figure 1, est faible par rapport à celle du vérin de puissance. La poussée F est alors de :

F = P x S2' , où

P = la pression de poussée, S2' = section utile du vérin, VA : vérin aval,

CH : centrale hydraulique.

Cette poussée F peut s'additionner ou s'opposer à la poussée du vérin de puissance.

Il est également possible, comme illustré sur la figure 2, d'alimenter simultanément les deux chambres 10 et 11 du système télescopique d'alimentation afin de limiter la poussée parasite :

F = P x (S2' -Sl' ) où (S2'-S1') = surface de la section transversale de la tige.

Dans les deux dispositifs décrits ci- dessus, les volumes internes ne sont pas conservés. Ces dispositifs nécessitent l'utilisation d'accumulateurs ou de soupapes de décharge dans le circuit d'alimentation. Dans tous les cas, le vérin de puissance doit vaincre l'effort parasite du vérin d'alimentation des dispositifs amont.

Il est également possible, comme illustré sur la figure 3, d'éliminer la poussée parasite en utilisant un vérin à deux tiges 20 et 21 avec une translation T. Dans cette solution, la section est la même dans les deux chambres 22 et 23, et le piston est en équilibre. Mais cette solution est, à course égale, deux fois plus encombrante qu'un vérin à simple tige.

II est enfin possible, comme illustré sur la figure 4, d'utiliser deux vérins simple effet 30 et 31 identiques, montés tête bêche, comme décrit dans le document référencé [3] . La poussée est équilibrée. Ce dispositif est deux fois plus encombrant qu'un vérin à simple tige, à course égale. La longueur du dispositif est égale à deux fois la course utile, ce qui est pénalisant dans le cas d'un système télescopique dont la qualité est d'avoir une longueur repliée inférieure à la course.

L'invention a pour objet un vérin hydraulique qui permette de palier les inconvénients des vérins de l'art connu et une structure d' actionnement d'un bras manipulateur mettant en œuvre de tels vérins.

EXPOSé DE L'INVENTION

L' invention concerne un vérin hydraulique comprenant : - une première partie extérieurement tubulaire pourvue, en une première extrémité, d'une cavité annulaire interne entourant une partie tubulaire centrale traversée de bout en bout d'un canal longitudinal et, en une seconde extrémité, d'une cavité tubulaire interne, cette première partie débouchant, en sa première extrémité, sur au moins un orifice, et en sa seconde extrémité, sur une ouverture circulaire centrée,

- une seconde partie extérieurement tubulaire de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre de l'ouverture circulaire centrée munie d'une

cavité centrale tubulaire débouchant, à une première extrémité, sur un orifice centré et, à une seconde extrémité, sur une ouverture de diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe de la partie centrale de manière à pouvoir coulisser de façon étanche sur celle-ci, cette seconde partie comprenant un moyen de communication de fluide entre la cavité centrale tubulaire et une cavité annulaire formée entre la première partie et la seconde partie, cette seconde partie se terminant, en sa seconde extrémité, par une partie cylindrique d'extrémité de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre interne de la cavité annulaire de manière à permettre un coulissement étanche de cette seconde partie dans la première partie, caractérisé en ce que la seconde partie comprend, en outre, un canal longitudinal adapté pour le retour de fluide .

Selon une variante de l'invention, le moyen de communication de fluide est un canal longitudinal formé dans l'épaisseur de la paroi transversale de la seconde partie, ce canal ayant une première ouverture s' ouvrant dans la cavité centrale tubulaire et une seconde ouverture s' ouvrant dans la cavité annulaire. Selon une variante de l'invention, la surface de la section transversale de la partie centrale est égale à la surface de la section transversale de la partie cylindrique d'extrémité de manière à équilibrer les efforts de poussée et conserver le volume total de fluide dans la

canalisation lors de l'extension ou la rétraction de la seconde partie.

Selon une autre variante, la partie tubulaire centrale comprend deux cylindres concentriques formant entre eux un espace libre fonctionnant comme moyen de communication de fluide.

Ces deux cylindres peuvent être soudés sur une virole à chaque extrémité.

Selon encore une variante du vérin selon l'invention, le moyen de communication de fluide comporte un tube extérieur adapté pour faire communiquer la cavité centrale tubulaire avec une cavité annulaire formée entre la première partie et la seconde partie. Selon un perfectionnement de l'invention la seconde partie est pourvue d'un canal longitudinal de retour basse-pression la traversant de part en part et tel que PIxSl - P2xS2 + TxS3 = 0, avec :

- Sl, Pl : surface de la section transversale de la partie centrale et pression appliquée sur cette surface,

- S2, P2 : surface de la section transversale interne de la partie cylindrique d'extrémité et pression appliquée sur cette surface, - S3 : surface de la section transversale externe de la partie cylindrique d'extrémité.

L'invention a aussi pour objet une structure d' actionnement d'un bras manipulateur, par exemple un système télescopique hydraulique, comprenant au moins un vérin passif selon l'invention.

Cette structure peut comporter trois vérins rotatifs disposés en série, reliés chacun à une servovalve, au moins un vérin passif selon l'invention étant intercalé entre deux des servovalves. Les vérins rotatifs sont montés en série si l'on considère la géométrie du bras manipulateur. Par contre d'un point de vue hydraulique leur alimentation se fait en parallèle au travers des servovalves. Les servovalves sont donc montées en parallèle sur le circuit hydraulique. A l'opposé les vérins passifs selon l'invention sont montés en série sur le circuit hydraulique et à ce titre on peut trouver des servovalves en aval ou en amont de ces vérins passifs.

BRèVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention ressortent encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées qui illustrent des modes de réalisation du procédé selon l'invention.

Les figures 1 à 4 illustrent des vérins de puissance de l'art connu.

Les figures 5 à 8 illustrent différentes caractéristiques du vérin hydraulique de l'invention.

La figure 9 illustre le vérin hydraulique de l'invention.

La figure 10 illustre une servovalve alimentée par le vérin de l'invention. Les figures 11 et 12 illustrent respectivement une structure d' actionnement d'un bras

manipulateur de l'art connu, et une telle structure comprenant un vérin selon l'invention tel qu'illustré sur la figure 9.

EXPOSé DéTAILLé DE MODES DE RéALISATION PARTICULIERS

Le vérin hydraulique illustré sur la figure 5 comprend :

- une première partie 40 extérieurement tubulaire pourvue, en une première extrémité 41, d'une cavité annulaire interne 42 entourant une partie tubulaire centrale 43 traversée de bout en bout d'un canal longitudinal 44 et, en une seconde extrémité 45, d'une cavité tubulaire interne 46, cette première partie débouchant, en sa première extrémité, sur au moins un orifice 47, et, en sa seconde extrémité, sur une ouverture circulaire centrée 48,

- une seconde partie 50 extérieurement tubulaire de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre de l'ouverture circulaire centrée, munie d'une cavité centrale tubulaire 51 débouchant, à une première extrémité 52, sur un orifice centré 53 et, à une seconde extrémité 54, sur une ouverture 55 de diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe de la partie centrale 43 de manière à pouvoir coulisser de façon étanche sur celle-ci, cette seconde partie comprenant un moyen de communication de fluide entre la cavité centrale tubulaire et une cavité annulaire 46 formée entre la première partie 40 et la seconde partie 50, formé ici d'une canalisation longitudinale excentrée 56 dans la paroi de celle-ci, cette seconde partie se terminant, en sa seconde extrémité 54, par

une partie cylindrique d'extrémité 57 de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre interne de la cavité annulaire 42 de manière à permettre un coulissement étanche de cette seconde partie dans la première partie.

Ce vérin, qui comprend une seule tige tout en équilibrant les efforts de poussée, est moins encombrant que celui illustré sur les figures 3 et 4. La course de ce vérin est égale à sa longueur à vide. Ce vérin est conçu de façon à ce que les surfaces des sections utiles Sl et S2 (Sl surface de la section transversale de la partie tubulaire centrale 43 ; S2 surface interne (par opposition à la section externe S3 illustrée sur la figure 9) de la section transversale de la partie cylindrique d'extrémité 57) soient égales afin que :

Fl = P X Sl = P X S2 où

Fl = la poussée P = la pression d'alimentation

Ce vérin peut être modifié de façon à comprendre plusieurs étages concentriques, pour augmenter sa course tout en conservant un faible encombrement en position repliée. Dans un exemple de réalisation avantageux, les étanchéités entre les différentes parties sont réalisées avec des joints 60 et 61 dits « composites », comme illustré sur la figure 6. Les tubes et les tiges sont en acier rectifié. Les tubes et les tiges peuvent être réalisés en tout matériel ayant une bonne rugosité, par exemple un acier chromé. Les perçages

longs peuvent être réalisés à l'aide de forets dit « η » dont la géométrie permet une lubrification abondante et une facilité d'évacuation des copeaux lors de l'usinage. La figure 7 illustre une variante du vérin de la figure 5, dans laquelle le vérin est dépourvu de perçages longs excentrés. La seconde partie 50 comprend alors deux cylindres concentriques 65 soudés entre eux. La cavité tubulaire interne 46 illustrée sur la figure 5 n'est plus alimentée en fluide par une canalisation longitudinale excentrée 56, mais par un espace libre formé entre les parois des tubes concentriques 65. Les deux tubes 65 sont soudés sur une virole 66 à chaque extrémité . La figure 8 illustre une autre variante du vérin de la figure 5. Ce vérin comprend des éléments analogues à ceux du vérin de l'invention tel que représenté sur la figure 5, qui ont ici les mêmes références, c'est-à-dire notamment une seconde partie 50 coulissant de façon étanche dans une première partie 40. Dans cette variante la chambre cylindrique interne à la seconde partie est reliée à la chambre annulaire 68 formée entre la première et la seconde partie à l'aide d'un tube extérieur 67 rapporté et fixé, par soudage ou en utilisant des raccords, à la première partie, d'un côté en un endroit proche de sa seconde extrémité 45 pour être en communication avec la chambre annulaire 68 et d'un autre côté en un endroit proche de sa première extrémité 41 pour être en communication avec le canal longitudinal 44.

La figure 9 illustre le vérin de l'invention. Cette réalisation diffère du vérin de la figure 5 en ce que la seconde partie tubulaire comprend en plus un canal 80 adapté pour le retour de fluide T (RT) . La partie cylindrique d'extrémité 57 de la seconde partie 50 est pourvue d'une section externe S3.

Dans cette réalisation, on ne peut pas satisfaire à la fois la conservation du volume entre les deux chambres haute pression (ce qui implique Sl = S2) et l'équilibre en effort entre les trois chambres du vérin. Et l'utilisateur se doit de faire un choix.

Dans le cas particulier où l'on souhaite obtenir un équilibre d'effort, la variation de volume de fluide est donc limitée « au mieux » et l'erreur compensée grâce au débit de fuite des actionneurs situés en aval du vérin.

Pour avoir l'équilibre d'effort, il faut que Fl - F2 + F3 = 0, Fl, F2 et F3 étant les efforts appliqués respectivement sur les sections Sl, S2 et S3, soit :

Pl x Sl - P2 x S2 + T x S3 = 0

Si Pl = P2 = P

PxSl -P x S2 + T x S3 = 0

PxπRl ² -P x π(R3 ² - R2 ² ) + T x π (R3 ² - Rl ² ) = 0 On a les dimensions Rl, R2, R3 et e telles qu'illustrées sur la figure 9.

On fixe Rl et e, et on en déduit R3

On peut ainsi avoir dans un exemple de réalisation : Rl = 9 mm e = 8 mm

R2 = Rl + e = 17 mm

P = 210 bars

T = 20 bars

R3 = 20.01 mm Avec cette réalisation, on peut alimenter une servovalve et son vérin, parallèlement à un système télescopique . On assure également le circuit de retour de pression T. Le circuit de haute pression P reste à volume constant (i.e. les volumes Vl et V2 associés aux sections Sl et S2) .

Servovalve alimentée par le vérin de l'invention

La figure 10 illustre une servovalve alimentée par un vérin de l'invention, illustrée ici avec la réalisation de la figure 9, comprenant une première et une seconde buses 70 et 71, une palette 72 pourvue d'une première face et une seconde face, un moteur couple 73. La servovalve est reliée à une chambre logeant le vérin selon l'invention. La palette 72 est pourvue d'un prolongement 74 en forme de ressort. Les buses 70 et 71 sont reliées à des alimentations S ^* par exemple à une pression P = 210 bars. Le débit de fuite est environ 1 litre/minute à une pression d'environ 20 bars, dans un exemple de réalisation. La servovalve comprend aussi des sorties Sl ^* et S2 ^* reliées aux chambres du vérin aux pressions A et B, respectivement, et un retour T ayant une pression de environ 20 bars. Des étranglements 75 et 76 sont localisés entre la chambre du vérin et les alimentations. Les étranglements 75 et 76 ont pour fonction de permettre à la pression de varier sans que

celle-ci soit instantanément compensée par le débit provenant des alimentations S ^* . Ces fuites ou débits de retour 77 sont collectés par un circuit spécifique. Ces fuites sont des pertes de charges nécessaires au fonctionnement de la servovalve. Un tiroir 78, distribue l'huile à l'entrée et à la sortie du vérin du robot .

La fonction de la servovalve débit ou pression selon la figure 10 est d'asservir les vérins d'un bras manipulateur hydraulique. Contrairement aux distributeurs « tout ou rien », le fonctionnement de cette servovalve nécessite un débit de fuite (77) permanent qui permet de réguler en permanence le débit et/ou la pression dans les vérins. Un jet est envoyé des buses 70 et 71 sur les deux faces de la palette 72. Lorsque la palette 72 est dans le plan médian des buses, la pression en amont des deux buses est la même. Cette pression est fonction de la fuite existante entre la buse et la palette. Lorsque la palette 72 est déviée par le moteur couple 73, la section de passage du fluide entre buse et palette se trouve diminuée d' un premier côté et augmentée d'un second côté. La pression en amont des buses 70 et 71 chute donc d'un côté et augmente de l'autre. Dans un mode de fonctionnement, le tiroir 78 se déplace proportionnellement de la gauche vers la droite, ouvrant le passage de fluide de P vers la pression A. La pression B se trouve simultanément reliée au conduit de retour T. Le rappel du tiroir 78 est assuré par le ressort 74. Le fluide sortant du retour T retourne à la cuve de la centrale hydraulique à la pression P= P atmosphérique. La pression d'environ

20 bars est due aux pertes de charge entre la servovalve et le réservoir de la centrale. Idéalement cette pression T est égale à la pression atmosphérique, mais le débit important de fuite et la section des conduits de retour provoquent des pertes de charge qui maintiennent une pression dans le circuit de retour T.

Comme illustré sur la figure 10, la sortie du canal longitudinal 44 du vérin de l'invention illustrée sur la figure 9 peut être reliée aux alimentations S ^* , et le conduit de retour T être relié à l'orifice 47 de la première partie 40.

Dans un exemple de réalisation, la servovalve possède deux circuits amont différents nécessaires à son installation : - un circuit d'alimentation en pression

P = 210 bars,

- un circuit de retour T - 20 bars. Sl ^* et S2 ^* sont reliées aux deux chambres du vérin piloté par cette servovalve. L'objectif est toujours d'alimenter la servovalve qui se situe en aval du vérin télescopique, sans utiliser de flexibles. Cela nécessite deux circuits indépendants, un premier à haute pression P =210 bars dans cet exemple de réalisation, un second à basse pression T = environ 20 bars dans cet exemple de réalisation.

Pour alimenter la servovalve, on peut utiliser deux dispositifs séparés choisis parmi ceux décris ci-dessus, un premier dispositif pour la haute pression, et un second dispositif pour la basse pression. Dans cet exemple, pour la haute pression P,

on utilise un vérin équilibré, par exemple un vérin à double tige (voir la figure 3) , un vérin tête bêche

(voir figure 4), ou un vérin équilibré à une tige ou un vérin sans perçages longs (figure 5, figure 7) . Pour la basse pression, on peut utiliser un vérin équilibré comme pour la haute pression.

Cependant, cela n'est pas forcément nécessaire, la pression étant relativement basse par rapport à la pression P, on peut aussi bien utiliser un vérin non équilibré moins complexe et moins coûteux connu de l'homme du métier. L'effort parasite est faible et est compensé par le vérin télescopique de puissance. Les variations de volumes sont moins gênantes car il s'agit du retour au réservoir (la pression atmosphérique) . Les volumes excédentaires sont refoulés dans le réservoir.

Structure d' actionnement d'un bras manipulateur

Dans la structure d' actionnement d'un bras manipulateur de l'art connu illustrée sur la figure 11, l'alimentation en pression de chaque actionneur se fait de manière parallèle afin de pouvoir assurer leur indépendance de pilotage. Le montage des vérins 90, 91 et 92 l'un par rapport à l'autre est réalisé en série afin que le mouvement d'un vérin déplace dans l'espace l'ensemble des trois vérins situés en aval de sa position, trois servovalves 93, 94 et 95 étant reliées respectivement à chacun de ces vérins.

Ce type d'alimentation peut être réalisé avec des vérins rotatifs, car les distances Ll et L2 séparant les vérins restent constantes. Sur la figure

11 sont illustrées les pressions d'entrée des vérins

pi, p2, p3, p4, p5 et p6 et les pressions de sorties Pl, P2, P3, P4, P5 et P6 de ces vérins. P* et T* correspondent à la pression du circuit d'alimentation, et à la pression du circuit retour. Ce n'est plus le cas lorsque l'on veut pouvoir faire varier les distances Ll et L2 entre les vérins. Dans ce cas, le changement de longueur nécessite l'utilisation d'un dispositif permettant de s'accommoder de ce changement sans variation du volume de la chaîne d'alimentation.

Le fait d' intercaler un vérin passif de l'invention 100, tel qu'illustré sur la figure 9, dans cette chaîne comme illustré sur la figure 12, permet alors de résoudre le problème exposé dans le paragraphe précédent. L'alimentation parallèle en fluide garantissant l'indépendance de mouvement de chaque vérin 90, 91 ou 92 est conservée et le montage mécanique en série avec longueur variable (Ll, L2) de ces vérins est réalisable.

REFERENCES

[1] US 5, 638, 616

5 [2] EP 0 924 158

[3] US 3, 858, 396