Pantopterons : de nouveaux manipulateurs découplés pour les applications de Pick-and-Place

 
Les objectifs du projet Pantopteron

Il y a encore quelques décenies, tout manipulateur parallèle connu à 3 degrés de liberté (ddl) était associé, de manière inévitable, avec un fort couplage cinématique, des singularités et un espace de travail défini par une forme géométrique compliquée. En mai 2001, un nouveau manipulateur révolutionnaire et très simple, à 3 ddl, était proposé par Gosselin et Kong. Ce manipulateur fût appelé le Tripteron (Fig. 1). De conception très simple, ce manipulateur peut être décrit comme un manipulateur Cartésien et est pleinement isotrope (sa matrice Jacobienne est diagonale et constante). Par la suite, de nombreuses variation du Tripteron furent proposées dans la littérature.

 

Fig. 1. Manipulateur Tripteron.

 

Le manipulateur Tripteron de base a trois jambes identiques. Chaque jambe est constituée d'un actionneur fixe sur la base qui permet une translation suivant une direction donnée, et de trois chaînes cinématiques planes. Pour rendre le mouvement du manipulateur isotrope, les plans de ces trois chaînes cinématiques doivent être orthogonaux.

Pour le Tripteron de base, le mouvement de la plate-forme selon un axe du repère de base est directement proportionnel au déplacement de chaque actionneur linéaire. Quand le plan de la chaîne cinématique est orthogonal à la direction de l'actionneur correspondant (comme pour le mécanisme de la Fig. 1), il y a une relation de 1 pour 1 entre l'entrée et la sortie, et la matrice Jacobienne du manipulateur est égale à la matrice identité. Mais pour ce type de manipulateur, le facteur d'amplification entre l'entrée et la sortie ne peut être supérieur à 1.

Cependant, comme nous en avons été témoins avec la récente commercialisation du robot Quattro par Adept Technology, le seul moyen pour essayer d'entrer en compétition avec le large succès commercial du manipulateur Delta, utilisé pour les applications de Pick-and-Place, est de concevoir un robot encore plus rapide. C'est pourquoi il nous a semblé intéressant de concevoir un manipulateur de type Tripteron avec un facteur d'amplification supérieur à 1. Non seulement, ce robot serait isotrope, mais en plus, il se déplacerait plusieurs fois plus rapidement que ses actionneurs linéaires, ce qui est intéressant quand on sait que le coût d'un actionneur dépend de ses capacités de vitesse et d'accélération.

 
Le Pantopteron à 3 degrés de liberté en translation

La solution que nous avons proposé pour répondre à la problématique est montrée à la Fig. 2. Il s'agit d'un manipulateur composé de 3 jambes identiques, réalisées à l'aide de mécanismes pantographes, actionnés par 3 moteurs linéaires.

 

Fig. 2. Prototype CAO d'un manipulateur Pantopteron.

 

Cette structure a 3 degrés de liberté en translation, les rotations de la plate-forme étant supprimée par l'intermédiaire de cardans.

Le moteur M1 (Fig. 3) (resp. M2 et M3), orienté suivant l'axe x (resp. y et z) du repère global, contrôle, en les amplifiant d'un facteur k (k = AiEi/AiFi est le rapport du pantographe), les translations de la plate-forme suivant l'axe x (resp. y et z). Ainsi, les mouvements de ce manipulateur sont pleinement découplés, et sa matrice Jacobienne J est égale à J = k I, où I est la matrice identité. Un manipulateur Pantopteron se déplace donc k fois plus vite qu'un Tripteron.

 

Fig. 3. Chaîne cinématique du manipulateur Pantopteron.

 

Parmi les avantages d'un tel manipulateur, on peut noter :

• l'isotropie du mécanisme
• l'amplification des mouvements
• un volume de travail k^3 fois plus grand que le volume de travail d'un Tripteron
• un coût réduit, car à volume de travail égaux, les actionneurs du Pantopterons sont k fois moins longs que ceux du Tripteron. Or, le coût d'un actionneur linéaire dépend directement de la longueur de son actionnement.

Cliquez sur ce lien pour obtenir une animation d'un prototype CAO de Pantopteron.

 
Le Pantopteron-4

En suivant la même logique, nous avons proposé un manipulateur Pantopteron-4, avec 4 degrés de liberté partiellement découplés (mouvements de Schönflies - Fig. 4)

Fig. 4. Chaîne cinématique du manipulateur Pantopteron4.

 

Le principe de fonctionnement de ce manipulateur est relativement similaire à celui du Pantopteron, puisque les 3 moteurs M1, M2 et M3 vont contrôler les translations de la plate-forme suivant les axes x, y et z du repère. Le quatrième mouvement, i.e. la rotation de la plate-forme autour de l'axe z du repère, est due au déplacement du moteur M4, qui entraîne en rotation la jambe pantographe à laquelle il est relié.

En plus des avantages précédement cités pour le Pantopteron, le Pantopteron4, comme il n'est composé que de 3 jambes, a vraisemblablement un volume de travail plus grand que ces concurrents directs (à savoir le Quadrupteron et l'Isoglide4). De plus, puisqu'il n'est composé que de 3 jambes, il a moins de masses en mouvement, et donc des capacités dynamiques intéressantes.

Cliquez sur ce lien pour obtenir une animation d'un prototype CAO de Pantopteron-4.

 

Pour plus d'informations sur ces travaux, le lecteur devra se référer à :

S. Briot et I.A. Bonev, « Pantopteron-4: a New 3T1R Decoupled Parallel Manipulator for Pick-and-Place Applications », Mechanism and Machine Theory, 2010, Vol. 45, No. 5, pp. 707-721.

S. Briot et I.A. Bonev, « Pantopteron: a New Fully-Decoupled 3-DOF Translational Parallel Robot for Pick-and-Place Applications », ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 2009, Vol. 1, No. 2.

S. Briot et I.A. Bonev, « Self Motions of the Pantopteron », ASME 2009 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE, 30 août - 2 septembre, 2009, San Diego, California, USA.