Brevet FR2065598A1 — publié le 19710730

La présente invention se rapporte à un ensemble manipulateur comportant un bras composé de trois sections avec articulations pivotantes d'épaule, coude et poignet. Les bras mécaniques, parfois appelés manipulateurs, sont 5 utilisés lorsqu'un environnement particulier est trop hostile ou dangereux pour une participation humaine directe® Les manipulateurs constituent un prolongement des possibilités du bras humain et en outre assurent des facultés que ne possède pas un humain. 10 Un manipulateur type comprend deux ou trois sections pivo tantes de bras dont la dernière porte un outil ou quelque autre dispositif terminal tel qu'un mécanisme de préhension, destiné à accomplir certaine tâche. Le dispositif terminal est visuellement contrôlé par un opérateur par observation directe, ou au 15 moyen d'une installation de télévision. Pour amener le dispositif terminal à la position désirée, l'opérateur utilise un modèle du manipulateur asservi au manipulateur effectif, ou un agencement à- poupée dans lequel les câbles de commande fixés au bras de l'opérateur font mouvoir le manipulateur d'une manière cor-20 respondante au bras; ces types de commande peuvent êtr.e très fatiguants pour l'opérateur, et en outre, lorsque les temps de réponse sont relativement lents, l'opérateur doit effectuer un mouvement, puis attendre pour constater la réponse de l'ensemble manipulateur, et enfin prendre les dispositions correctives né-25 cessaireso Cette technique de mouvement et d'attente prolonge considérablement le temps requis pour l'exécution d'une tâche donnée. Dans un manipulateur pourvu de trois articulations et trois sections de bras, si l'on désire faire mouvoir le dispositif terminal suivant une droite, il est nécessaire que l'opéra-30 teur commande au moins trois moteurs de manoeuvre différents de pivotement. Une insuffisance ou un excès de commande exige une action corrective d'un ou de plusieurs pivots, et la tâche relativement simple de communiquer le mouvement sur une droite devient un processus extrêmement compliqué0 35 La présente invention a donc principalement pour objet de réaliser un dispositif de commande pour appareil manipulateur, qui soulage l'opérateur de la commande manuelle ennuyeuse et détaillée des divers mouvements rectilignes désiréso 70 iViuv 2065598 A cette fin, la présente invention réside dans un dispositif de commande pour un ensemble manipulateur pourvu d'un certain nombre de sections articulées de bras, dont la dernière porte un dispositif terminal, et un certain nombre de moteurs de ma-5 noeuvre. répondant à un signal d'entrée pour effectuer le mouvement relatif de pivotement entre ces sections de bras, ensemble caractérisé par le fait qu'il comprend des. moyens pour commander l'un de ces moteurs de manoeuvre afin de faire mouvoir la première de.ces sections de bras, et des moyens répondant à l'orien-10 tation de position de cette section commandée du bras pour fournir des signaux de sortie aux autres moteurs de manoeuvre afin de faire mouvoir les autres sections du bras en fonction de cette orientation de position,. L'invention ressortira mieux de.la description qui va suivœ 15 d'une forme préférée de réalisation, représentée, à titré d'exemple seulement, aux dessins annexés, sur lesquels : La Figure 1 est une vue d'un manipulateur et de son dispositif de commande utilisé conjointement à un véhicule sous-marin ; 2D La Figure 2 est une représentation par un trait d'un bras manipulateur déterminant diverses longueurs et angles; La Figure 3 est vin schéma simplifié d'une forme préférée de réalisation de la présente invention;- et La Figure 4 illustre le dispositif de traitement de signaux 25 de la Figure 3, d'une manière plus détaillée0 En référence à la Figure 1, l'ensemble manipulateur 10 représenté est monté sur un véhicule sous-marin 12,•partiellement représenté, et qui comprend une coque ou sphère sous pression 13 pour un ou plusieurs opérateurs ou observateurso 30 L'ensemble manipulateur 10 comprend un bras composé d'une section supérieure 17, d'une section inférieure 19 et d'une section terminale 21 qui porte a son extrémité, un dispositif terminal 22, tel que celui représenté sous la forme d'une brosse de nettoyage 24 d'.un côté, et d'un mécanisme de préhension 25 de 35 1'autre0 Dans le dispositif commandant l'ensemble 10 sont inclus un certain nombre de moteurs de manoeuvre 28, 30 et 32 effectuant le mouvement relatif de pivotement entre.les sections du bras0 70 39109 3 2065598 Par analogie avec le bras humain, on peut également considérer le moteur de manoeuvre 28 comme le dispositif de manoeuvre de l'épaule, le moteur de manoeuvre 30 comme celui du coude, et le moteur de manoeuvre 32 comme celui du poignet» Bien que di-5 vers types de moteur de manoeuvre puissent être incorporés à l'agencement, un dispositif de manoeuvre type pour cet usage est le servo-moteur hydraulique. Les moteurs de manoeuvre 28, 30, 32, permettent le mouvement de pivotement sur un axe horizontal, de telle sorte que, en fait, le dispositif terminal 22 se dépla-10 ce dans le plan du papier. Le dessin ne représente pas des moteurs de manoeuvre supplémentaires permettant à la totalité de l'ensemble de tourner sur un axe vertical A et à une partie du bras terminal 21 de tourner sur un axe vertical Bo En outre, le dispositif terminal 22 peut tourner sur un axe horizontal C pour 15 interchanger les positions de la brosse 24 et du mécanisme de préhension 25„ Dans la sphère sous pression 13 est disposé un appareil de commande d'entrée 34 et un appareil de traitement de signaux 35, communiquant avec les moteurs de manoeuvre 28, 30 et 32, et 20 avec les divers détecteurs de positions, selon la description qui va suivreo L'appareil de commande d'entrée comprend un levier de commande 39 qui peut se déplacer sur deux axes mutuellement perpendiculaires, et peut en outre tourner pour commander, conjointement à un commutateur à poussoir de sélection de mode 25 41, les mouvements du manipulateuro L'observation du dispositif terminal 22 peut s'effectuer à distance au moyen de la télévision, ou' direci^ament de manière visuelle au moyen de l'orifice d'observation 43., L'invention va être décrite maintenant en ce qui concerne 30 le mouvement du dispositif terminal le long d'une droite, et les Figures 2A et 2B sont des diagrammes au trait, simplifiés, de l'ensemble afin d'illustrer et de déterminer diverses relations angulaires et linéaires. Il est évident que si, concuramment au mouvement rectiligne, on commande la rotation de l'ensemble sur 35 l'axe vertical A, le dispositif terminal décrira une ligne cour-be0 Les sections du bras sont représentées sous la forme de 70 39109 4 2065598 traits portant les mêmes chiffres de référence que les sections correspondantes de la Figure 1, et les moteurs de manoeuvre communiquant le mouvement relatif de pivotement entre les sections du bras sont représentés sous la forme de points portant 5 les mêmes chiffres de référence que les moteurs de manoeuvre de la Figure 1. La longueur de la section supérieure 17 du bras porte la référence a, celle de la section inférieure 19 est b, et celle de la section terminale 21 est d. Le moteur de manoeuvre 28 est situé sur l'axe Y et le fonctionnement désiré est le 10 déplacement de la section terminale 21 sur une droite le long de l'axe X. La Figure 2A peut être considérée comme une position de référence ou initiale, et dans cette position initiale la section supérieure 17 du.bras se situe à un angle Qq par rapport à l'axe Y, la section inférieure 19 fait un angle^/3^ par 15 rapport à la section supérieure 17, la section terminale 21 fait un angle par rapport à la section inférieure 19, et l'an gle entre les axes X et Y est S • La distance de l'axe X au point 28 est D et 1'extrémité de la section terminale 21 du bras est disposée au point de 2D coordonnée PQ. Le fonctionnement désiré est le déplacement de cette extrémité à un certain point distant P (Figure 2B) de coordonnée, se situant sur l'axe X, et par suite la distance verticale entre le point P et 28 est inchangée par rapport à la Figure 2A0 C'est-à-dire que la distance verticale entre tout Z -point de l'axe X et 28 est D0 A la Figure 2A,00 et à la Figure 2B Par suite, Vo - +J3 + D'après les précédentes relations : 80+>^0+ ~ ® " (D 30 :La projection de la section supérieure 17 du bras sur l'axe Y forme une composante de la distance D, et la projection de la section inférieure 19 sur l'axe Y forme l'autre partie de la distance D. Les distances respectives sont a Sin vBo* Vo ) et b Sin , et par suite, a Sin , > + b sinXo 35 Do De même, d'après la Figure 2B, a Sin + b Sin îf = D, et par suite à Sin 4- ) + b Sin>$0 = a Sin b Sin % D'après les précédentes relations »© - £-^JL LUS i. ~ X ClvJ> vXlO • / + ) + b Sin^y^ — a Sin ) - b Sin ^ ' C 2 ) 70 39109 5 2065598 Tant que les égalités des équations (1) et (2) sont maintenues, l'extrémité 21 du bras se déplace sur la droite désirée le long de l'axe X. La Figure 3 est un schéma simplifié de l'appareil destiné à l'exécution du mouvement désiré. 5 Aux sections de bras sont associés un certain nombre de détecteurs de position destinés à produire les signaux de position correspondants relatifs aux sections et indiquant leur orientation angulaireo Un détecteur d'épaule 45 produit un signal de sortie 6, un détecteur de coude 47 produit un signal de sor-10 tieet un détecteur de poignet 49 produit un signal de sortie / , les signaux ©,># et ^ équivalant aux angles ©,..,^3 et Y que l'on vient de décrire,» Selon la présente invention, le mouvement du dispositif terminal suivant une droite est effectué au moyen d'une unique 15 commande, commandant celui des moteurs de manoeuvre qui a été sélectionnée L'orientation de position de la section commandée, conjointement à l'orientation de position des autres sections du bras est utilisée par le dispositif 35 de traitement de signaux pour commander les autres moteurs de manoeuvre afin de faire 20 mouvoir les sections du bras qui leur sont associéeso L'appareil manipulateur peut avoir plusieurs modes de fonctionnement dont l'un est le mouvement du dispositif terminal sur une droite. Le mode particulier de fonctionnement est déterminé par la position du commutateur à poussoir 41 de la Figure 1, 25 et une partie de ce commutateur ainsi que le levier de commande 39 sont schématiquement illustrés à la Figure 3o Le commutateur à poussoir 41, lorsqu'il est enfoncé à la position représentée sert de moyen pour connecter un signal ou commande d'extension en ligne droite de la source 50 au disposi-30 tif 35 de traitement de signaux, au moyen de la ligne 520 A titre d'exemple, la source 50 peut être une tension courant continu. Quand le signal d'extension en ligne droite est produit, les signaux de sortie des détecteurs de position sont emmagasinés comme conditions initiales dans le dispositif de traitement de signauxo 35 Ces positions initiales ©, £ et emmagasinées sont les termes respectifs ©Q , A o + Y o de l'équation (Do Le moteur de manoeuvre d'épaule 28 est commandé par un 70 39109 6 2065598 signal d'entrée ôc» Ce signal est de préférence dérivé d'un mouvement d'avant en arrière du levier de commande 390 A titre d'exemple, avec le commutateur à poussoir 41 dans la position illustrée, pour un mode de fonctionnement d'extension en ligne 5 droite, un bras frotteur 54 capte la tension en un point particulier d'une résistance 55 et l'applique au mécanisme d'épaule-ment par l'intermédiaire de la ligne 57 Préalablement à la manoeuvre du commutateur pour une extension en ligne droite, les moteurs de manoeuvre peuvent être commandés par d'autres appareils, non représentés, au moyen de signaux apparaissant sur les lignes 57, 61 et 62 „ Le signai 15 apparaissant sur la ligne 57 et appliqué à 1'additionneur 64 est le signal d'entrée désiré ou- de référence» Le signal de sortie 6 du détecteur 45 est une indication de la position effective laquelle est appliquée au dispositif 35 de traitement de signaux ainsi qu'au différentiateur 66, dont la sortie est appliquée à 20 l'additionneur 64, et est un signal de régime effectif qui est comparé au signal de référence pour obtenir un signal d'écart afin d'entraîner le moteur 28 de manoeuvre d'épaule. En réponse au signal de position & fourni par le détecteur 45, le dispositif de traitement de signaux 35 fonctionne pour produire un si-25 gnal de sortie M c sur la ligne 75 afin de commander le moteur 30 de manoeuvre de coude et un signal Y c sur ligne 76 afin de commander le moteur 32 de manoeuvre de poignet, de manière à maintenir les égalités des équations (1) et (2). Chacun des mécanismes de coude et de poignet comporte une 30 boucle de rétroaction asservie pour régler la réponse des sections du braSo La sortie j8 du détecteur 47 de position de coude est appliquée à trois circuits différents, dont l'un est le dispositif 35 de traitement de signaux, le second l'additionneur 79, et le troisième le différentiateur 81, le signal de régime 35 de sortie de ce dernier étant également appliqué à l'additionneur 7 9 qui produit un signal d'écart pour entraîner le moteur 30 de manoeuvre de coudeo Le différentiateur 81 reçoit 70 39109 7 2065598 additionnellement le signal commandé»^ du dispositif 35 de traitement de signaux et effectue la différence entre les signaux M commandés et effectifs. Ces servo-boucles sont bien connus des techniciens. 5 D'une manière similaire, en ce qui concerne le mécanisme de poignet, le signal de sortie de position ^ du détecteur 49 de poignet, est appliqué au dispositif 35 de traitement de signaux, à un additionneur 85 et à un différentiateur 87 qui reçoit additionnellement le signal commandé Yct ^ dont le signal 10 de sortie différentié ou de régime est appliqué à l'additionneur 85 pour produire un signal d'écart destiné à entraîner le moteur 32 de manoeuvre de poignet. Le fonctionnement de commande de l'appareil est dirigé par le dispositif 35 de traitement de signaux dont la Figure 4 re-15 présente une vue plus détaillée. Le dispositif 35 a pour fonction de recevoir les signaux de position effective, et, lorsqu'il est commandé, de les emmagasiner, puis de produire les signaux corrects afin d'entraîner deux des moteurs de manoeuvre en fonction de la position du seul mécanisme entraîné de manière que 20 l'extrémité de la section terminale du bras se déplace sur une ligne droite. Pour accomplir cette fonction, divers types de dispositifs de traitement de signaux peuvent être utilisés, et le circuit de la Figure 4, de nature analogique en est tm exemple. 25 Le dispositif 35 de traitement de signaux comprend un cer tain nombre d'amplificateurs opérationnels portant les références Al à A9, pourvu chacun d'une capacité respective de rétroaction, Cl à C9, parmi lesquelles les capacités C4, Cl et C8 sont utilisées pour 1'emmagasinage de certaines valeurs. Un certain 30 nombre de résistances de comptage faisant partie de l'agencement portent les références Rl à R23. Des relais Kl à K5 respectivement commandent les interrupteurs de commande SI à S5, et en l'absence de commande d'extension en ligne droite sur la ligne 52 des relais, les interrup-35 teurs SI à S5 restent dans la position représentée. Les détecteurs de position 45, 47 et 49 de la Figure 3, appliquent des signaux de sortie de position respectifs ©, JB et ^ aux amplificateurs opérationnels correspondants Al, A2 et A3, 70 39109 8 2065598 possédant chacun un gain d'une unité de sorte que la sortie de Al est -©,. la sortie, de A2 est - AJ , et la sortie de A3 est - V . Ces trois signaux sont appliqués par l'intermédiaire de Al à l'entrée de A4 dont la sortie est la sommation positive 5 des trois signaux de position 6, et ^ o Le signal négatif © de Al est additionnellement appliqué par l'intermédiaire de la résistance R8, de sorte que l'entrée appliquée à A5 est © + + -©. Le terme © est annulé et la sortie + Y ) de A5 est appliquée au générateur de fonction sinuosïdale 91. 10 La sortie -Y de A3 est appliquée par l'intermédiaire de la résistancë R19 et de l'interrupteur S2 à l'amplificateur A8 qui inverse le signal d'entrée pour produire un signal de sortie de % a Le signal ^ est inversé par l'amplificateur A6 et appliqué au générateur de fonction sinuosïdale 92. Grâce à un 15 choix correct des résistances R13 à R18, la sortie -u8 ♦ r> de 1 * amplificateur A5 et la sortie - O de l'amplificateur A6 sont traitées pour donner les signaux a Sin ) et b Sin ^ • Ces signaux sont appliqués au moyen de 1'interrupteur S3 à 1'amplificateur A7 qui produit comme signal de sortie le néga-20 tif du signal d'entrée, . L'amplificateur A9 reçoit deux signaux d'entrée, de l'amplificateur A5 et if de l'amplificateur A8„ Le terme est soustrait et le terme -J3 est inversé de sorte que la sortie de 1'amplificateur A9 est o Les interrupteurs S4 et S5 25 occupant la position représentée, les valeurs,. ^ et $ ne sont pas produites comme signaux commandés fl c et A ; ces signaux commandés sont reçus, sur les lignes 61 et 62 et sont produits par d'autres dispositifs d'entrée» Quand l'opérateur a fait mouvoir l'appareil manipulateur 30 à un premier point de coordonnée à partir duquel il désire le déplacer en ligne droite, il appuie sur le commutateur à poussoir (41 Figure 3), et une commande d'extension en ligne droite apparaissant sur la ligne 52 est appliquée à tous les relais Kl à K5 qui engagent alors leurs bras de contact respectifs sur 35 le contact opposée Quand cette commande lui est appliquée, le dispositif 35 de traitement de signaux emmagasine les signaux de position produits à ce premier point de coordonnée. Au moment 70 39109 9 2065598 de l'excitation du relais Kl et de l'ouverture de l'interrupteur SI, la capacité C4 emmagasine la sortie de l'amplificateur A4, qui est 8 + û et puisque ces valeurs indiquent le premier point de coordonnée, les signaux sont maintenant dési-5 gnés par ©£ *jB . ïo , constituant les trois premiers termes de l'équation (1). Quand le relais K3 est excité pour ouvrir l'interrupteur S3, la capacité d'emmagasinage C7 de la sortie/ de l'amplificateur A7 emmagasine la grandeur - a Sin 10 tion (2). L'excitation du relais K2 fait mouvoir le bras de contact S2 à son autre position et la capacité C8 emmagasine la dernière sortie de l'amplificateur A8, sortie qui était Y . En référence à l'équation (1). si © est soustrait de ©Q + + 0 , le résultat est./^ + o • Cette opération est o o ' 15 exécutée à 1'entrée de 1'amplificateur A5 qui reçoit le signal continuellement variable -© pour produire une sortie anticipée + Y )• L'interrupteur S2 étant amené à son autre position, l'entrée appliquée à l'amplificateur A8 consiste en trois signaux a Sin U8 + » ), b Sin o , et -a Sin L& Q+ Yo) - b 20 Sin JB „ o Si l'équation (2) est satisfaite, l'addition de ces signaux doit donner zéro, et une entrée zéro appliquée à l'amplificateur A8 maintient sa sortie à la même valeur que celle au moment de l'excitation dt^relais K20 Toutefois, puisque © varie, la sortie de l'amplificateur A5 varie, modifiant ainsi le ter-25 me a Sin et l'entrée appliquée à l'amplificateur A8 n'est plus zéro, ce qui par suite modifie sa sortie ^ 0 La sortie 0 est appliquée par l'intermédiaire d^, l'interrupteur S4, dans son autre position, au moteur 32 (Figure 3) de manoeuvre de poignet comme signal YLe signal JB est appliqué 30 au moteur 30 de manoeuvre de coude par l'amplificateur A9 par l'intermédiaire de l'interrupteur S5 dans son autre position. Le changement du signal produit par 1 * amplificateur A8 fait produire par l'amplificateur A6 une sortie qui fait varier le terme b Sin appliqué à l'amplificateur AS. 35 Par exemple, si a change, le signal modifié appliqué à l'amplificateur A6 produit un signal de sortie variable en A&» La valeur variable de ^ modifie la valeur du signal b Sin £ à 70 39109 10 2065598 l'entrée de l'amplificateur A8, décalant ainsi le signal variable a Sin + 0 ) tendant à maintenir la sommation des signaux d'entrée de 1'amplificateur A8 égale à zéro, pour satisfaire ainsi l'égalité de l'équation (2)0 Tant que l'égalité est main-5 tenue, le dispositif terminal se déplace sur une ligne droite lorsque l'on fait varier l'entrée indépendante 6. Le dispositif 35 dë traitement de signaux de la Figure 4 résout efficacement une série de deux équations simultanées, l'équation Cl) et l'équation (2), renfermant deux inconnues-^? et 10 Y «Le moteur de manoeuvre d'épaule est commandé de telle sorte que le terme © est connu et l'un des deux autres moteurs de manoeuvre est arbitrairement choisi pour être déplacé, c'est-à-dire le moteur de manoeuvre de poignet recevant le signal 0 c. Le signal restant jS c de moteur de manoeuvre est dérivé de la 15 soustraction effectuée à l'entrée de l'amplificateur A90 70 39109 u 2065598 REVENDICATIONS lo- Appareil de commande pour un ensemble manipulateur pourvu d'un bras composé de sections articulées, dont la dernière porte un dispositif terminal, et d'un certain nombre de mo-5 teurs de manoeuvre répondant chacun à un signal d'entrée pour effectuer le mouvement relatif de pivotement entre ces sections du bras, appareil caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour commander l'un de ces moteurs de manoeuvre afin de faire mouvoir la première section du bras, et des moyens répon-10 dant à l'orientation de position de cette section commandée pour appliquer aux autres moteurs de manoeuvre des signaux de sortie destinés à faire mouvoir les autres sections du bras en fonction de cette orientation de position. 20- Appareil de commande selon revendication 1, caractéri-15 sé par un certain nombre de détecteurs de position pour produire des signaux respectifs de position de ces sections de bras, indiquant la position angulaire de ces sections, des moyens pour disposer initialement ce dispositif terminal sur un premier point de coordonnée, un dispositif de traitement de signaux ré-20 pondant à une commande d'entrée pour emmagasiner les signaux de position produits à ce premier point de coordonnée; et un dispositif produisant des signaux pour commander le mouvement de l'un de ces moteurs de manoeuvre afin de faire mouvoir la première de ces sections de bras, le dispositif de traitement de 25 signaux répondant à ces signaux de position emmagasinés et au signal de position indiquant l'orientation angulaire de cette . première section au cours de son déplacement, pour produire les signaux'de sortie respectifs destinés à commander les autres moteurs de manoeuvre selon une relation prédéterminée afin de 30 faire mouvoir ce dispositif terminal à un second point de coordonnée. 30- Appareil de commande selon revendication 2, caractérisé par le fait que ce dispositif de traitement de signaux est programmé de manière à produire des signaux de sortie ayant une 35 relation pour faire mouvoir ce dispositif terminal sur une ligne droite entre ces premier et second points de coordonnée,, 4«— Appareil selon revendication 2 ou 3, caractérisé par 70 39109 12 2065598 le fait que 1'ensemble manipulateur est monté sur un véhicule sous-marin pourvu d'une coque sous pression, et par le fait que le moyen produisant des signaux est disposé dans cette coque sous pression pour être actionné par un opérateur. 5 5.- Appareil de commande selon revendications 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que ce dispositif produisant des signaux comprend s un levier de commande, et des moyens répondant au mouvement de ce levier pour produire une tension correspondante, laquelle est appliquée à l'un de ces moteurs de manoeuvre. 10 6o--Appareil de commande séL on revendication 5, caractérisé par un commutateur monté sur le levier de commande, et des moyens comprenant ce commutateur pour connecter le dispositif produisant des signaux au dispositif de traitement de signaux au moment de la mise en activité de ce commutateur, cette connexion effec-15 tuant un emmagasinage des signaux de position.»