Projet Haption Bloc moteur Inca 6D

La société Haption fut fondée initialement dans les locaux du CEA dans la région parisienne, puis re-localisée à la Technopôle de Laval peu après. L'entreprise s'est ensuite implantée à Soulgé sur Ouette(53). Haption est un essaimage du CEA destiné à l'industrialisation de leurs robots. Sujet de l’étude Le VIRTUOSE 6D40-40 est un bras maître de nouvelle génération pour la télé-opération à retour d’effort. Le INCA 6D comprend 8 câbles qui s'enroulent sur des tambours. La structure peut être adaptée au cahier des charges du client afin de positionner au mieux les moteurs dans le but de minimiser la gêne engendrée par la présence des câbles dans l'espace de travail. La position des moteurs impacte directement l'espace de travail utile.

Câble de liaison effecteur-bloc moteur Le système est composé d’une structure en profilés rainurés anodisés recevant les différents organes : 8 blocs moteurs, un effecteur, sa baie de commande et d’autres éléments.

Câble de liaison effecteur-bloc moteur

Bloc moteur 1.1 système de ressorts de rappel Chacun des 8 moteurs est relié à un ressort de traction qui exerce un effort de rappel sur les câbles moteur assurant une tension constante sur les câbles et évitant ainsi les phénomènes de chevauchement de câbles lors des enroulements/déroulements. Ces ressorts sont protégés par des goulottes. 1.2 Bloc moteur Le bloc moteur intègre l’ensemble des fonctions mécaniques de transmission d’efforts. Il est constitué d’un carter et d’un capot en plastique de couleur noire. Les blocs moteurs dépassent des poteaux de la structure d’environ 50 mm de chaque côté (largeur de 200 mm). Goulotte

Le bloc moteur est composé de 4 étages que l’on décrit en partant du haut : Un étage de gestion des câbles en sortie comprenant des poulies folles qui guident les câbles de façon à éviter les problèmes d’enroulements. Un étage positionnement comprenant une poulie dentée de 60 dents et un potentiomètre multi-tours (10 tours). Un étage d’enroulement des câbles comprenant une poulie dentée de 14 dents pour recevoir le couple de l’étage moteur, une zone d’enroulement du câble partant vers l’effecteur, une zone d’enroulement du câble d’équilibrage partant vers le ressort de rappel, une petite poulie dentée de 14 dents pour la synchronisation de l’étage d’enroulement et celui de l’étage de positionnement. Un étage moteur comprenant un moteur RE40, un codeur 3600 pts et une poulie dentée de 14 dents.   Il est aussi composé d’un connecteur et d’un faisceau de câbles (5) permettant de faire transiter les différents signaux du contrôleur vers le moteur ( et vice-versa ). (voir fonctionnement avec la vidéo) -        1 2 3 5 4

Fonctionnement des tambours F Câble effecteur R1 A Fcâble rappel R2 Équation des moments en A: ||F câble effecteur|| x R1 = ||F câble rappel|| x R2 Longueur d’enroulement pour un tour: Lcâble effecteur = 2πR1 et Lcâble rappel = 2πR2 soit Lcâble rappel = Lcâble effecteur R2/R1 Le rapport des rayons étant de 2, on doit enrouler deux fois moins de longueur de câble de rappel mais générer un effort deux fois supérieur à l’effort de tension du câble effecteur.

Encombrement du système de rappel: Ressort de rappel Course Fcâble rappel Max Min Longueur mini de câble de rappel à enrouler Détermination pour le ressort de: La longueur à vide Lo La raideur k (faible) Diamètre du fil et matière Flèche précharge Précharge Fcâble rappel Zone d’utilisation Encombrement du système de rappel: Lo + Flèche précharge + Longueur mini de câble de rappel à enrouler = TROP ENCOMBRANT

Problématique Comme décrit précédemment, le système est équipé de ressorts de rappel. Ces ressorts permettent d’assurer une tension continue dans les câbles, même lorsque le système n’est plus sous-tension. Ainsi, on évite l’emmêlement des câbles sur les poulies, et on améliore la précision d’enroulement.   Le ressort choisi a les caractéristiques suivantes : -        Raideur : 0.0012 daN/mm -        Longueur libre : 360 mm -        Longueur maxi : 1500 mm -        précontrainte : 100 mm -        Diamètre fil : 0.6 mm  Effort de rappel mini/maxi : 2,50 N /5 N L’inconvénient de ce système est de devoir gérer l’intégration des ressorts de rappel (ressorts, câbles, poulies déviatrices), ce qui n’est pas toujours aisé selon l’environnement imposé par les clients. Aussi, il serait intéressant de concevoir un système permettant de reproduire la fonction attendue dans un volume beaucoup plus faible; l’idéal serait d’intégrer ce système dans le volume proposé par le bloc moteur actuel.

de la situation initiale (Identification des ressources) Modélisation causale de la situation initiale (Identification des ressources) Moteur générateur d'effort pour choc Tambour d'enroulement pour câble effecteur Déroulement - enroulement câble effecteur (sans chevauchement) Poulies folles pour Effort "constant" sur le câble effecteur Tambour d'enroulement pour câble de rappel Vitesse variable du Longueur de Enroulement câble effecteur (2m) Enroulement câble de rappel (course) enroulement câble de rappel (sans Encombrement extérieur du ressort + câble Caractéristiques du ressort de rappel Câble de rappel (caractéristiques)

de la situation initiale Modélisation causale de la situation initiale Moteur générateur d'effort pour choc Tambour d'enroulement pour câble effecteur Déroulement - enroulement câble effecteur (sans chevauchement) Poulies folles pour Effort "constant" sur le câble effecteur Tambour d'enroulement pour câble de rappel Vitesse variable du Longueur de Enroulement câble effecteur (2m) Enroulement câble de rappel (course) enroulement câble de rappel (sans Encombrement extérieur du ressort + câble Caractéristiques du ressort de rappel Câble de rappel (caractéristiques)

Contradictions Physiques Mise en évidence des Contradictions Physiques Moteur générateur d'effort pour choc Tambour d'enroulement pour câble effecteur Déroulement - enroulement câble effecteur (sans chevauchement) Poulies folles pour Effort "constant" sur le câble effecteur Tambour d'enroulement pour câble de rappel Vitesse variable du Longueur de Enroulement câble effecteur (2m) Enroulement câble de rappel (course) enroulement câble de rappel (sans Encombrement extérieur du ressort + câble Caractéristiques du ressort de rappel Câble de rappel (caractéristiques) CP4 CP1 CP5 CP2 CP3

Contradictions Physiques Expression des Contradictions Physiques CP1 : Le facteur utile « Effort constant sur le câble effecteur » devrait exister dans la mesure où il favorise l’« enroulement/déroulement des 2m de câble effecteur » et ne devrait pas exister pour limiter la « longueur du câble de rappel » CP2 : Le facteur utile «  Tambour d’enroulement pour câble effecteur  » devrait exister car il permet de « stocker le câble effecteur » et ne devrait pas exister afin de limiter l’ « encombrement du système de rappel » . CP3 : Le facteur utile «  Tambour d’enroulement pour câble de rappel  » devrait exister car il permet de « stocker le câble de rappel » mais il ne devrait pas exister afin de «  limiter les risques de chevauchement du câble de rappel». CP4: Le facteur nuisible «  Déroulement – Enroulement câble de rappel (course)  » ne devrait pas exister car il augmente les «  risques de chevauchement du câble de rappel  » même s’il favorise l’« enroulement/déroulement des 2m de câble effecteur » CP5: Le facteur utile «  Tambour d’enroulement pour câble de rappel   » devrait exister car il permet «  stocker le câble de rappel  » mais ne devrait pas exister car il implique « Un encombrement conséquent du système de rappel ( rappel ) ».

Contradictions Techniques Expression des Contradictions Techniques CT1: L’amélioration de « l’effort constant sur le câble effecteur » dégrade « les caractéristiques du ressort de rappel » Paramètre à améliorer: 10 Paramètre en conflit: 3 Principes de résolution: 17, 19, 9, 36 CT2: L’amélioration de « Tambour d’enroulement pour câble effecteur » dégrade « les caractéristiques du ressort » Paramètre à améliorer: 3 Paramètre en conflit: 10 Principes de résolution: 17, 10, 4 CT3: L’amélioration de « Déroulement – Enroulement câble de rappel (course) » dégrade « Tambour d’enroulement pour câble de rappel » Paramètre à améliorer: 3 Paramètre en conflit: 5 Principes de résolution: 15, 17, 4 CT4: L’amélioration de «  Déroulement – Enroulement câble de rappel (course)  » dégrade «  longueur de déroulement enroulement câble effecteur » Paramètre à améliorer: 3 Paramètre en conflit: 7 Principes de résolution:7, 17, 4, 35 CT5: L’amélioration de «  Tambour d’enroulement pour câble de rappel  » dégrade «  les caractéristiques du ressort » Paramètre à améliorer: 5 Paramètre en conflit: 3 Principes de résolution:14, 15, 18, 4

Distribution des principes de solutions dominants Le principe17 arrive 2 fois en première place et 2 fois en seconde. Changement de dimension Le principe 4 arrive 3 fois en troisième place et 1 fois en quatrième Asymétrie Le principe 15 arrive 1 fois en première place et 1 fois en deuxième Mobilité

Solutions envisagées Principe 15 Mobilité Principe 15 Mobilité Changement de dimension Principe 15 Mobilité Principe17 Changement de dimension