Brevet FR2330996A1 — publié le 19770603

L'invention concerne un capteur tactile destiné à venir en contact avec un objet ou un corps de nature quelconque pour délivrer des informations liées à la déformation statique ou dynamique provoquée par cet objet ou ce corps sur le capteur ce capteur se propose, en particulier, de permettre la reconnaissance de la forme d'un objet, de son état de surface, de permettre la détection des pressions d'application exercées sur celuici ou de l'effet de glissement ou d'amorce de glissement se développant au contact de cet objet. L'invention s'étend d une application dudit capteur dans laquelle la valeur de la pression développée entre l'objet et le capteur est asservie de façon B ajuster à chaque instant cette pression à une valeur appropriée pour éviter un glissement. La demande de brevet n" 74.18944 vise un capteur comprenant une couche mince souple sur une face de laquelle est disposée une électrode de surface et, sur l'autre face, une pluralité d'électrodes de mesure ; l'électrode de surface est portée à un potentiel d'excitation déterminé et l'état électrique de chaque électrode de mesure est directement fonction de l'état de compression de la portion de la couche mince, qui se trouve située à proximité de l'électrode considérée ; dans un mode de réalisation préféré, la couche souple est rendue conductrice et l'empreinte du corps sur cette couche souple est liée aux valeurs des courants qui traversent les électrodes de mesure. La présente invention vise un capteur perfectionné fonctionnant selon un principe identique. Un premier objectif de l'invention est de permettre de supprimer l'électrode de surface qui recouvre la face de la couche souple où la pression du corps est appelée à s'exercer la mise en place de cette électrode de surface, notamment par formation d'un dépôt métallique sur la couche souple, est en effet une opération délicate faisant appel à une technologie complexe. De plus, quelle qu'en soit la finesse, cette électrode de surface réduit la souplesse de la couche et sa présence risque d'être préjudiciable à la sensibilité du capteur. Un autre objectif de l'invention est de fournir un capteur apte à détecter une amorce de glissement de l'objet à son contact, en vue notamment d'équiper un système de préhension polyarticulé et d'asservir celui-ci. Le capteur tactile visé par l'invention est un cap teur du type comprenant une couche mince souple présentant une conductivité électrique variable en fonction de son état de compression, une matrice d'électrodes de mesure comportant une pluralité d'électrodes conductrices, lesquelles sont réparties sur une face de cette couche et connectées, chacune, à un conducteur de sortie appelé à délivrer un signal électrique, image de l'état électrique de l'électrode correspondante, et des moyens de traitement reliés à l'ensemble des conducteurs de sortie et aptes à transformer l'ensemble des signaux délivrés en un ensemble de grandeurs exploitable. Le capteur conforme à la présente invention comprend une pluralité d'éléments-conducteurs, répartis sur la même face de la couche souple que les électrodes de mesure de façon à venir s'imbriquer avec celles-ci sans contact électrique ; ces éléments-conducteurs sont reliés à une source électrique adaptée pour fixer leur potentiel à une valeur d'excitation déterminée, de sorte que ces éléments assurent l'alimentation électrique et jouent un rôle de garde électrique à l'égard des électrodes de mesures Lorsque la couche souple est à l'état de repos, non comprimée, il s'établit dans celle-cl une répartition stable des lignes de courant allant des éléments-conducteurs vers les électrodes de mesure La configuration de cette répartition dépend, bien entendu, de la forme des électrodes'et des éléments conducteurs, de leurs positions relatives et de la nature et de l'épaisseur de la couche souple. Lorsque la couche souple est comprimée localement à proximité d'une électrode de mesure, la distribution des lignes de courant est perturbée h proximité de celle-ci et le courant qui traverse ladite électrode subit une variation directement liée aux pressions exercées sur cette couche souple. La densité des électrodes de mesure est ajustée pour que le système bénéficie de la résolution désirée, que la technologie électronique actuelle permet de rendre très fine. Les éléments-conducteurs sont situés sur la même face que les électrodes de mesure et ont la double fonction d'assurer l'alimentation électrique et de jouer le rôle d'anneaux de garde à l'égard des électrodes de mesure (puisqu'ils sont imbriqués avec ces dernières et que leur potentiel est constante Ils permettent ainsi de localiser l'effet des modifications des lignes de courant aux seules zones concernées par la compression de sorte que seules les électrodes situées dans ces zones subissent des modifications de leur état électrique ; les autres électrodes protégées par les éléments-conducteurs demeurent sensiblement dans le même état.Les électrodes de mesure sont, avantageusement, constituées par des pastilles conductrices de petites dimensions, les éléments-conducteurs étant situés autour desdites électrodes et entre celles-ci, de façon à entourer chacune d'elles. Dans un tel capteur, une des faces de la couche souple est, donc, nue, dépourvue de toute électrode de surface ; en conséquence, ce capteur est exempt des inconvénients afférents à la présence de celle-ci. En particulier, sa fabrication est beaucoup plus simple, et sa sensibilité peut entre élevée en prévoyant une couche de grande souplesse, apte à se déformer sous l'action d'efforts réduits. La couche souple dont la résistivité est fonction de l'état de compression peut être de nature diverse. Par exemple, cette couche peut être réalisée au moyen d'un matériau alvéolaire, du type mousse expansée, chargé au moyen d'une poudre de matériaux conducteurs, charbon actif, poudre métallique, etc... Un tel matériau alvéolaire peut être tès sensible à la moindre pression exercée et le capteur est apte à déceler un contact s'exerçant sur le capteur même avec un effort négligeable. Un tel capteur peut, en particulier, fonctionner, en tout ou rien, pour indiquer la présence ou l'absence de contact à l'aplomb de chaque électrode de mesure. La couche souple peut également être réalisée en un matériau compact élastique, du type élastomère à base de silicone, chargé au moyen d'une poudre de matériaux conducteurs. Ce matériau est moins sensible que le précédent et subit une déformation faible pour des efforts légers et plus importante pour des efforts plus intenses. La répartition des courants traversant les électrodesde mesure donnera, donc, une image de l'empreinte que forme le corps dans la couche élastique du capteur. I1 est à remarquer que les deux types de capteurs sus-évoqués peuvent être associés pour former un capteur à la fois, apte à détecter un contact dès son apparition et à fournir, ensuite, la mesure des pressions exercées. A cet effet, le capteur le plus sensible est disposé en surface pour que l'action s'exerce d'abord sur celui-ci, l'autre capteur accolé au dessous du premier n'étant sollicité que lorsque le premier a subi un écrasement minimum. Dans ce cas, la matrice d'électrodes de mesure et les éléments-conducteurs du premier capteur sont choisis pour présenter une souplesse aussi grande que possible ; il sont, par exemple, constitués par un circuit imprimé souple, en particulier un circuit double face dont la technologie est à à l'heure actuelle parfaitement au point. Par ailleurs, les moyens de traitement du capteur peuvent être adaptés, soit pour effectuer des mesures des pressions absolues exercées (valeur de la pression moyenne à l'aplomb de chaque électrode de mesure), soit pour détecter des variations de pression, soit encore pour réaliser les deux types de traitement. Dans le premier cas, les moyens de traitement comprennent, notamment, un circuit d'adaptation à constante de temps déterminée, agencé pour intégrer les signaux issus des conducteurs de sortie et fournir des signaux analogiques, dits statiques, de valeurs proportionnelles aux valeurs moyennes des pressions exercées sur le capteur ; la constante de temps qui condi- tionne la durée de la période sur laquelle sont effectuées les moyennes, est choisie de façon à éliminer les courtes variations accidentelles de pression qui peuvent se présenter. Dans le deuxième cas,les moyens de traitement comprennent, notamment, un circuit d'amplification et de détection, agencé pour détecter les variations des signaux issus des conducteurs de sortie et fournir des signaux, dits dynamiques, de valeurs proportionnelles à l'amplitude des variations de pression. Un tel capteur est, en particulier, en mesure de déceler l'état de rugosité de la surface d'un corps ; il suffit de provoquer un déplacement rapide et de faible amplitude du corps par rapport au capteur (ou du capteur par rapport au corps) les déformations de la couche souple engendrées par un tel déplacement présentent, en effet, des variations d'autant plus accentuées que la surface du corps est plus rugueuse ; l'amplitude des signaux dynamiques, liée à ces variations, permet, donc, d'apprécier l'état de surface du corps.De plus, un tel capteur, notamment s'il est muni d'une couche souple relativement sensible est apte à déceler toute amorce de glissement entre le corps et le capteur ; en effet, dans la phase qui précède un glissement, la déformation subie par la couche souple se modifie et subit un léger déplacement tangentiel qui engendre la création d'un signal dynamique. Il est à noter que cette modification apparaît avant même qu'il y ait, à proprement parler, glissement, c'est-à-dire avant qu'un point du corps quitte dans le sens tangentiel, le point du capteur avec lequel il se trouvait en contact. Ainsi, le capteur permet de déceler, non seulement une amorce de glissement mais encore l'imminence d'un tel mouvement, et ce d'autant plus nettement que la couche souple est plus malléable. Bien entendu, les moyens de tracement du capteur peuvent comprendre une combinaison des circuits sus-évoqués disposés en parallèle ; les signaux statiques et dynamiques déIL- vrés par ces circuits sont, en particulier, injectés dans un circuit de sommation qui les combine selon l'application envisagée en vue de leur exploitation. Il est à noter que, quel que soit le cas, les signaux issus des conducteurs de sortie peuvent être recueillis simultanément ou, au contraire, séquentiellement au moyen d'un commutateur électronique comme il est indiqué dans la demande de brevet n" 74.18944. La description qui suit, en référence aux dessins annexés, présente à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la description - la figure 1 schématise, en coupe, et à échelle très dilatée, un capteur conforme à la présente invention - la figure 2 est un schéma symbolique appelé à faciliter la compréhension du fonctionnement de ce capteur ; - la figure 3 est un schéma partiel de détail d'un autre mode de réalisation ; - la figure 4 schématise un exemple d'un ensemble de traitement susceptible d'équiper le capteur en vue de l'asservissement d'un système de serrage , - les figures 5a, 5b, 5c et 5d présentent l'allure de signaux à différentes étapes du traitement. Le capteur schématisé à titre d'exemple, à échelle dilatée, à la figure 1, comprend une couche mince 1 d'une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres, réalisée en une mousse alvéolaire expansée, notamment mousse de silastène ; cette mousse est chargée avant expansion au moyen d'un mélange de poudre fine de charbon actif et de poudre fine métallique. Cette couche i bénéficie d'un haut pouvoir de déformation élastique et sa résistivité est fonction de son état de compression. Sur une face de la couche 1, est collé un circuit imprimé souple, double face 2 comprenant un support souple dié lectrique 3, une matrice d'électrodes de mesure telles que 4 entourées par des aléments-conducteurs 5. En l'exemple, comme cela est bien connu pour les circuits imprimés double face, chaque électrode est formée par des pastilles métalliques circulaires, de faible diamètre, disposées sur chaque face du support 3 et à sa partie centrale, par un trou métallisé dans lequel est soudé un conducteur de sortie 6 Les eléments- conducteurs 5 sont constitués par de ftns revetements métalliques garnissant les deux faces du support 3 et interrompus à proximité des électrodes de mesure 4 de façon à être électriquement isolés de celles-ci. Une source électrique schématisée en 7 porte les éléments-conducteurs 5 à un potentiel électrique d'excitation de valeur constante. Il s'établit, ainsi, dans la couche souple conductrice d4stribution de courants du type de celle schématisée à la figure 2.Un moyen de mesure de courant tel que 8 disposé sur le conducteur de sortie de chaque électrode permet de mesurer l'intensité qui traverse cette électrode ; la distribution des lignes de courant est directement e à l'état de compression de la couche souple et par un étalonnage approprié, la mesure des intensités qui traversent à chaque instant les électrodes fournit une mesure des pressions P auxquelles est à chaque instant soumise cette couche souple 1. Dans un tel capteur, une face de la couche souple 1 est libre et les pressions s'exercent directement sur la couche souple 1 de sorte que le capteur peut être extrêmement sensible. Notons que rien ne s'oppose à ce que la couche i soit fixée de façon amovible sur le circuit 2 pour la rendre interchangeable. La figure 3 est un schéma éclaté montrant partiel le- met un capteur comportant un autre type d'électrodes de mesure 9 et d'éléments-conducteurs 10. Dans ce mode de réalisation, chaque électrode de mesure s'étend sur une zone déterminée et est constituée par une portion de tissu conducteur en forme de peigne ; les élements-conducteurs 10 sont eux-m8me constitués par des portions de tissus-conducteurs en forme de peigne, imbriquées avec celles qui forment les électrodes de mesure. Comme précédemment, ces éléments-conducteurs sont reliés à une source électrique pour être portés à un potentiel d'excitation constant afin d'assurer l'alimentation électrique et de jouer le rôle de garde électrique à l'égard des électrodes. Ce mode de réalisation est notamment intéressant lorsque l'application envisagée ne requiert pas une résolution très fine, par exemple, dans le cas où il suffit de déceler un contact à l'intérieur d'une zone sans nécessité de connaitre les coordonnées du point de contact dans cette zone. Les électrodes 9 et éléments-conducteurs 10 sont assujettis sur une face d'une couche souple Il de même nature que celle précédemment décrite. La figure 4 représente un capteur équipé due moyens de traitement en vue de l'asservissement d'un système de serrage comprenant, au moins, un élément de serrage symbolisé par une flèche F et un actionneur M, par exemple un moteur, agencé pour actionner cet élément F. Ce système de serrage peut, en particulier, être constitué par un système orthopédique de préhension pour lequel il convient d'ajuster la pression de serrage des objets de façon à éviter un glissement lorsque ceux-ci sont soulevés. On retrouve sur cette figure 4 les conducteurs de sortie 6 du capteur qui transmettent les courants électriques traversant les électrodes de mesure à un ensemble de pré-traitement 12. Ce dernier sélectionne les informations reçues avec les adresses des électrodes correspondantes et, le cas échéant, leur fait subir un traitement préalable (notamment linéarisation de la fonction de transfert entre les intensités des courants et les pressions exercées). Le processus de sélection et la nature du traitement préalable sont, bien entendu, fonction de l'application ; l'ensemble 12 peut, en particulier comprendre un commutateur séquentiel adapté pour explorer successivement chaque conducteur dans un ordre lié à leurs adresses. Un tel ensemble est décrit dans la demande de brevet n" 74.18944, à laquelle on se reportera pour plus de détails. Les signaux issus de l'ensemble 12 sont traités en parallèle par deux voies dites statique et dynamique, l'une pour mesurer les pressions moyennes exercées, l'autre pour mesurer les variations de pression. La voie statique comprend un circuit d'adaptation 13 à constante de temps déterminée, agencé pour intégrer chaque signal et fournir un signal analogique de valeur proportionnelle à la valeur moyenne de la pression, durant des périodes de temps déterminées. On a symbolisé à la figure 5a l'allure d'un signal issu de l'ensemble 12 ; l'intensité io correspond à l'état de repos du capteur. Lorsqu'unie pression est exercée à l'aplomb d'une électrode, l'intensité du signal correspondant à cette électrode-croSt jusqu'à une valeur i p liée à la valeur de cette pression. En cas de variation de la pression exercée due, par exemple, à un mouvement de faible amplitude de l'élément de serrage, le signal subit des variations d'intensité ou bruit B liées à ces variations de pression. On a symbolisé à la figure 5b l'allure du signal délivré par le conduit d'adaptation 13 ; la constante de temps de ce circuit est choisie de façon à intégrer le signal sur une période adaptée pour éliminer les bruits. La voie dynamique comprend, en l'exemple, un circuit d'amplification et de détection 14, agencé pour amplifier et détecter le bruit de chaque signal et fournir un signal dynamique tel que symbolisé à la figure 5c, de valeur proportionnelle à l'amplitude du bruit ; un circuit de temporisation 15 est prévu, en l'exemple, pour prolonger chaque signal dynamique et lui conférer une durée minimum t déterminée. On a schématisé à la figure 5d un signal issu de ce circuit 15. Les signaux issus des circuits 13 et 15 sont injectés dans un circuit de sommation 16, adapté pour fournir selon l'application envisagée un signal de commande de l'actionneur M à partir des signaux statiques et dynamiques. La composante statique du signal de commande permet, à chaque instant, de réguler l'effort de serrage en fonction de la pression décelée par le capteur, cependant que la composante dynamique permet d'asservir cet effort de serrage pour engendrer une réaction réflexe" en cas d'apparition de perturbations accidentelles dans la répartition des pressions sur le capteur. On a vu, en particulier, qu'une tendance au glissement se traduit, dans la phase qui précède le mouvement, par l'apparition de signaux dynamiques ; l'asservissement de l'ac tionneur M peut ainsi être réalisée de façon à accroitre la pression de serrage dès qu'apparatt une tendance au glissement. La prise est ainsi raffermie jusqu'à ce que l'objet soit convenablement maintenu ; la valeur d'incrémentation de la pression de serrage peut être constante et programmée à l'avance ou encore être variable et fonction de l'amplitude de la composante dynamique du signal de commande. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précede, mais en comprend toutes les variantes. REVENDICATIONS 1/ - Capteur tactile appelé a' venir en contact avec un corps pour délivrer des signaux électriques liés à la défor mation -provoquée par ledit corps sur celui-ci, ce capteur comprenant une couche mince souple présentant une conductivité électrique variable en fonction de son état de compression, une matrice d'électrodes comportant une pluralité d1électrodes conduc trices, dites électrodes de mesure, réparties sur une face de cette couche souple et connectées, chacune, à un conducteur de sortie appelé à délivrer un signal électrique image de l'état électrique de l'électrode correspondante, des moyens de traitement reliés a' l'ensemble des conducteurs de sortie et aptes à transformer l'ensemble des signaux délivrés en un ensemble de grandeurs exploitables, ledit capteur étant caractérisé en ce qulil comprend une pluralité dtéléments-conducteurs, répartis sur la même face de la couche souple que les électrodes de la premier2matrice de façon à venir s'imbriquer avec celles-ci sans contact électrique, ces éléments-conducteurs étant reliés à une source électrique adaptée pour fixer leur potentiel à une valeur d'excitation déterminée, de sorte que lesdits éléments-conducteurs assurent l'alimentation électrique à l'égard des électrodes de mesure. 2/ - Capteur tactile selon la revendication 1, ca caractérisé en ce que les électrodes de mesure sont formées par des pastilles conductrices de petites dimensions, les élémentsconducteurs etant situés autour desdites électrodes de mesure et entre celles-ci, de façon à entourer chacune d'elles. 3j - Capteur tactile selon la revendication 1, ca racterisé en ce que les électrodes de mesure sont constituées par des portions de tissus conducteurs en forme de signez les aléments-conducteurs étant eux même constitués par des portions de tissus-conducteurs en forme de peigne imbriquées avec celles des électrodes de mesure. 4/ - Capteur tactile selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche mince, souple est constituée par un matériau alvéolaire, du type mousse expansée, charge au moyen d'une poudre de matériaux conducteurs. 5/ - Capteur tactile selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche mince, souple est constituée par un matériau compact élastique, du type élastomè re à base de silicone, chargé au moyen d'une poudre de matériaux conducteurs. 6/ - Capteur tactile selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un circuit d'adaptation à constante de temps déterminée, agencé pour intégrer les signaux provenant des conducteurs de sortie et fournir des signaux analogiques, dits statiques, de valeur proportionnelle à la valeur moyenne de la pression exercée sur le capteur, durant des périodes de temps déterminées. 7/ - Capteur tactile selon l'une des revendications 1,2,3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un circuit d'amplification et de détection, agencé pour détecter les variations des signaux issus des conducteurs de sortie et fournir des signaux, dits dynamiques, de valeur proportionnelle à l'amplitude des variations de pression. 8/ - Capteur tactile selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un circuit de temporisation adapté pour prolonger les signaux dynamiques délivrés par le circuit d'amplification et de détection et leur confèrer une durée minimum déterminée. 9/ - Capteur tactile appelé à asservir un système de serrage doté d'au moins un élément de serrage mobile en contact avec ledit capteur, cet élément étant associé à un actionneur agencé pour le mouvoir, ledit capteur étant caractérisé en ce qutil est conforme aux revendications 6, 7 et 8 prises ensemble et comprend un circuit de sommation dans lequel sont injectés les signaux statiques et les signaux dynamiques sus-évoqués, ledit circuit de sommation étant adapté pour délivrer un signal de commande du moteur, en vue d'asservir l'effort de serrage aux valeurs des pressions statiques et des variations de pression, détectées par ledit capteur.