Brevet FR2466010A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un transducteur à six degrés de liberté, qui est conçu pour engendrer les signaux électriques indicateurs de forces et couples appliqués à un élément mobile auquel le transducteur est relié en fonctionnement. En parti- culier, mais non exclusivement, l'invention concerne des transducteurs utilisables avec le bras mobile d'un robot industriel. Les robots industriels sont des machines constituées essentiellement par au moins un bras métallique ayant un ou plusieurs degrés de liberté et qui, au moyen d'une "main" appropriée, est capable de réaliser une grande variété d'opérations qui sont pénibles, dange- reuses et désagréables pour le personnel, du fait qu'elles sont ex- tLrémement répétitives. La main du robot peut, si nécessaire, être constituée de pinces, d'une électrode de soudure, d'un pistolet de pulvérisation pour peinture, ou de tout autre dispositif approprié. Dans chaque cas, afin de permettre au robot de réaliser une tâche spécifique ou une série de tâches, le robot est amené au travers des différentes étapes nécessaires pour exécuter la tâche, de sorte que l'unité centrale de commande du robot peut "apprendre" le trajet dans l'espace qui doit être répété ensuite. Cette opération d"'apprentissage" est réalisée au mieux au moyen du fonctionnement dynamique du robot plutôt que d'utiliser une pro- cédure statiqu e d'apprentissage "point par point" longue et compli- quée, ou par le remplacement du bras du robot par un bras lumineux fixé seulement auKtransducteurs de position du robot, mais non à ses moteurs. Il est de plus nécessaire de pouvoir rendre le robot sensible aux contraintes et aux forces de réaction qui se pro- duisent quand la main du robot est utilisée, par exemple pour assembler des pièces sur une structure; en d'autres termes, le robot nécessite un "poignet" sensible qui, outre qu'il transmet à la main les forces nécessaires pour déplacer la pièce tenue par la main du rabIlot, doit également être capable de détecter les fbrces de réaction exercées sur cette pièce par la structure sur laquelle la pièce est à monter. Le "poignet" sensible, en plus de la détection desdites forces de réaction, doit être capable d'engendrer des signaux électriques pour commander les moteurs du robot en vue de l'optimisation de son mouvement. Pour satisfaire les conditions ci-dessus, il est nécessaire de disposer de transducteurs à haute sensibilité, à six degrés de liberté, qui soient sans hystérésis mécanique et capable d'engendrer des signaux de sortie représentant les forces qui agissent selon chaque degré de liberté, sans engendrer de signaux parasites correspondant aux degrés de liberté non utilisés dans une action ou un mouvement particulier de la main du robot. On connaît des transducteurs ayant six degrés de liberté et utilisant des jauges de contrainte. Ces transducteurs connus présentent différents inconvénients tels que la nécessité d'opérations compliquées d'étalonnage. En outre, avant d'utiliser ces transducteurs, il est nécessaire de réaliser une étude des carac- téristiques d'élasticité et de déformation de la structure à laquelle les transducteurs doivent ttre appliqués. Finalement, les circuits utilisés pour traiter les signaux de sortie dans le cas de jauges de contrainte sont plutôt compliqués et leur sûreté générale de fonc- tionnement n'est pas acceptable industriellement. Le but de l'invention est de fournir un transduc- teur ayant six degrés de liberté, dans lequel on a éliminé les incon- vénients ci-dessus. En vue d'atteindre ce but, l'invention fournit un transducteur à six degrés de liberté qui est conçu pour engendrer des signaux électriques indicateurs des forces et couples appliqués à un élément mobile auquel le transducteur est connecté en utilisa- tion, ce transducteur comprenant: - - une enveloppe rigide destinÉe à être reliée audit élément mobile; la surface intérieure de l'enveloppe ayant trois paires de faces conductrices électriquement, les faces de chaque paire se trouvant dans dés plans parallèles l'un à l'autre et per- pendiculaires aux plans dans Desquels se trouvent les faces appar- tenant aux autres paires; - un corps rigide supporté dans l'enveloppe de façon à être mobile avec six degrés de liberté par rapport à l'enve- loppe; la surface extérieure du corps comprenant trois paires de faces, les faces de chaque paire se trouvant dans des plans paral- lèles l'un à l'autre et perpendiculaires aux plans dans lesquels se trouvent les faces appartenant aux autres paires; chaque face du corps rigide étant dirigée vers la face correspondante des faces électriquement conductrices de la surface intérieure de l'enveloppe et étant munie d'au moins deux zones conductrices électriquement, qui sont dans le même plan, sont isolées électriquement l'une de l'autre et s'étendent ensemble sensiblement sur toute ladite face du corps; les zones conductrices associées à chaque f a ce du corps étant séparées par un intervalle étroit de la face conductrice correspondante de l'enveloppe; - une tige reliée au corps rigide et passant avec du jeu au travers d'un alésage dans l'enveloppe, ladite tige ser- vant d'élément de commande ou de réaction - des moyens d'alimentation en fluide pour introduire un fluide diélectrique sous pression entre les parois de l'enveloppe dans chacun desdits intervalles, le fluide diélectrique étant contraint d'entrer dans chaque intervalle dans une direction sen- siblement orthogonale à la face conductrice associée de la surface intérieure de l'enveloppe, le corps étant supporté par le fluide dans l'enveloppe, les zones constituant, en commun avec les faces conductrices de l'enveloppe qui sont en face de ces zones, un certain nombre de condensateurs en nombre égal au nombre desdites zones conductrices, la capacité de chacun desdits condensateurs dépendant de la distance entre la zone conductrice et la face de l'enveloppe constituant le condensateur; et - un moyen de détection relié électriquement à l'enveloppe et à chacune desdites zones, pour fournir des signaux de sortie électriques indicateurs des valeurs instantanées et/ou des variations de la capacité de chacun des condensateurs en fonction de la variation des forces et couples appliqués à la tige.. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente le transducteur en perspec- tive; - la figure 2 représente une vue écorchée du trans- ducteur; - la figure 3 représente une coupe selon la ligne III- III de la figure 2 - la figure 4 représente une coupe selon la ligne IVIV de la figure 3; - la figure 5 représente à une échelle agrandie et en coupe partielle un détail de la figure 3; - la figure 6 représente une vue en perspective mon- trant les canaux utilisés pour introduire le fluide diélectrique dans le transducteur; - les figures 7, 8 et 9 sont des coupes du transduc- teur, montrant schématiquement celui-ci dans une première, une seconde et une troisième position de fonctionnement. Comme le montre la figure 1, le transducteur comprend une enveloppe métallique 1 qui a sensiblement la forme d'un cube creux et comprend une carcasse-extérieure constituée par un élément annu- laire 4 et deux plaques de fermeture 2 et 3. Ces plaques sont fixées à l'élément annulaire 4 au moyen de vis 5. Comme le montre la figure 2, les parois de l'enveloppe sont relativement minces. En plus de sa carcasse extérieure, l'enve- loppe 1 comprend six petits blocs 6 en matériau conducteur de l'élec- tricité, qui sont fixés à la face intérieure des parois respectives de la carcasse. Chaque bloc 6 a la forme d'un parallélépipède. Dans l'enveloppe 1 se trouve un corps rigide 7 sous la forme d'un cube (voir figures 2 et 3). Le corps 7 est par exemple en matériau métallique. Chacune des faces du corps 7 est dirigée vers une surface terminale de l'un des blocs métalliques 6. Chaque face du corps 7 est recouverte sensiblement sur toute son étendue par une paire de plaques 8 en matériau conducteur de l'électricité, les plaques 8 de chaque paire étant coplanaires et- isolées électriquement l'une de l'autre. Les plaques font aussi isolées chacune du corps 7 par revêtement de la face de chaque plaque 8 qui est en contact avec le corps 7 à l'aide d'une couche d'oxyde 9 isolant-électriquement (figure 5), cette couche étant réalisée par exemple par oxydation anodique ou par la mise en place d'isolateurs placés entre les plaques 8 et le corps 7. Les paires de plaques conductrices 8 qui couvrent chacune des faces du corps 7 sont séparées de la face terminale opposée du bloc métallique correspondant 6 par un intervalle étroit. Il en résulte que leur corps 7 peut réaliser des mouvements limités linéaires et/ou en rotation par rapport à l'enveloppe 1. Plus préci- sément, en se reportant à la figure 2, le corps rigide peut réaliser des déplacements par rapport à l'enveloppe 1 qui sont des combinai- sons de déplacementslinéairesle long de trois axes orthogonaux X, Y, Z et de déplacements angulaires correspondants à des rotations autour de ces axes. Le corps 7 peut ainsi être considéré comme possédant six degrés de liberté en ce qui concerne ses déplacements par rap- port à l'enveloppe 1. Le bloc métallique 6 qui est relié à la plaque de fermeture 2 est muni en son centre d'un trou traversant circu- laire 10, comme le montre la figure 3. La plaque de fermeture 2 est également munie en son centre d'un trou traversant 11 aligné avec le trou 10 dans le bloc métallique 6. Une tige 12 qui, comme on le décrira plus loin, sert d'élément de commande et de réaction est reliée rigidement au corps 7 et dépasse de l'enveloppe 1 au travers des trous 11, 10, au travers desquels elle passe avec du jeu. Une seconde tige de commande 13 est reliée rigidement au moyen de vis 14 à la plaque de fermeture 3 de l'enve- loppe 1. En fonctionnement, la tige 13 est reliée rigi- dement soit à un bras mobile (non représenté, par exemple d'un robot industriel) ou à un support semblable, non mobile. La plaque 3 de l'enveloppe 1 est traversée de part en part par un trou taraudé 16 (voir figure 3). Un tube souple 15 est relié à la plaque 3 en correspondance avec le trou 16, au moyen d'un raccord 17. Chacun des blocs métalliques 6 est muni de per- çages traversants 18 (figure 5) qui sont perpendiculaires à la face intérieure de l'enveloppe à laquelle le bloc 6 est relié. Chacun de ces perçages 18 dans chaque bloc 6 possède une portion terminale élargie 19 qui s'ouvre en direction de l'une des deux plaques conduc- trices correspondantes 8 montées sur la face du corps 7 à l'opposé du bloc 6. Les perçages 18 de chaque bloc 6 communiquent avec le tube 15 au moyen d'un système de canaux 20 réalisés dans les parois de l'enveloppe. Le système de canaux est représenté en partie sur la figure 3 et en totalité sur la figure 6. En plus des trous 10, la plaque 2 de l'enve- loppe 1 est munie d.'un autre trou traversant 21. Pendant l'utilisation du transducteur, une source de fluide comprimé (non représentée) est reliée au tube souple 15. Cette source C qui, par exemple, est un générateur d'air comprimé de type connu introduit un fluide sous pression par l'intermédiaire du tube 15, du système de canaux 20 et des perçages 18, dans les intervalles entre les faces terminales de chaque bloc 6 et les plaques conductrices conjuguées 8, le corps 7 étant suspendu de façon fluidique dans l'enveloppe 1, avec les plaques 8 écartées des blocs 6. De préférence, la distance entre la face terminale de chaque bloc 6 et la plaque 8 située en face est de l'ordre de dizaines de microns. La paire de plaques conductrices 8 portées par le corps 7 coopère avec la face terminale correspondante des blocs 6 pour cons- tituer douze condensateurs (deux par bloc 6), la capacité de chacun d'eux dépendant de la distance entre la plaque 8 correspondante et la face terminale conjuguée du bloc. Le fluide comprimé qui maintient le corps 7 en suspension fluidique dans l'enveloppe 1 constitue le matériau diélectrique des condensateurs. Le trou 21 de la plaque 2 permet au fluide comprimé de s'écouler hors de l'enveloppe 1. Comme on l'a déjà signalé, la tige de commande 12 est reliée rigidement au corps 7. En utilisation, l'extrémité dépas- sante de la tige 12 peut être reliée directement à la "poignée" du bras du robot, cette poignée étant saisie par l'opérateur pendant la phase d"'apprentissage" du fonctionnement du robot, afin de faire exécuter au robot pour la première fois une série d'opérations que le robot devra répéter ensuite. Un raccordement électrique 22 (figure 4) est relié à la face interne de la plaque de fermeture 3 de l'enveloppe 1. Le raccordement a plusieurs bornes. Chaque bloc 6 et chaque plaque conductrice 8 sont reliés (par des moyens non représentés) à une borne particulière 23 du raccordement 22. Des moyens de détection (non représentés) d'un type connu sont placés à l'extérieur de l'enveloppe 1 et sont reliés au raccordement 22 par des moyens non représentés. Ces moyens de détection servent à fournir des signaux de sortie électriques indiquant les valeurs instantanées et/ou les variations de capacité de chacun des douze condensateurs constitués par les plaques 8 et les blocs 6. De préférence, les blocs métal- liques 6 sont maintenus à un potentiel constant, de sorte que toute variation dans la capacité des condensateurs se manifeste sous la forme d'une variation du potentiel de la plaque 8 correspondante. Pendant le déroulement de la phase d"'appren- tissagd' décrite ci-dessus, l'opérateur applique à la tige de commande 12 des couples et des forces qui sont convertis en déplacementsangulaires et linéairestrès petits du corps 7 par rapport à l'enveloppe 1 et, par conséquent, des plaques 8 par rapport à la plaque en regard du bloc 6. Ces déplacements produisent des variations de capacité des condensateurs qui, à leur tour, donnent lieu à des variations du potentiel des plaques 8, ces variations indiquant, d'une manière qui sera décrite ci-dessous, l'ampleur des contraintes, forces et couples appliquées à la tige 12. Le fonctionnement du transducteur est décrit ci-après. Les figures 7, 8 et 9 représentent les compo- sants actifs principaux du transducteur pour trois positionnements différents du corps 7 par rapport au bloc 6 supporté dans l'enve- loppe 1. La figure 7 montre les positions relatives du corps 7 et des blocs métalliques 6 quand aucune contrainte n'est ap- pliquée à la tige 12. Dans cette situation, toutes les plaques 8 sont sensiblement équidistantes des faces terminales des blocs correspon- dants 6. Par suite, les capacités des douze condensateurs constitués par les douze plaques 8 et les blocs 6ont sensiblement la même valeur. La figure 8 représente la position prise par le corps 7 par rapport auxblocs 6 après un déplacement linéaire du corps 7 le long de l'axe des X, sous l'action d'une force parallèle à l'axe des X. Dans cette situation, chacun des deux condensateurs formés par - 2466010 les plaques 8 fixées à la face droite du corps 7 (comme le montre la figure 8) et par la face terminale du bloc opposée 6 prend une valeur de capacité plus grande que celle correspondant à la situation repré- sentée sur la figure 7; il en est ainsi parce que la distance entre les plaques 8 et le bloc correspondant a été réduite. Au contraire, la capacité de chacun des deux condensateurs formés par les plaques 8 fixées à la face gauche du corps 7 et par la face terminale du bloc opposé 6 est réduite en fonction de l'augmentation de la distance entre lesdites plaques conductrices et le bloc correspondant6. En détectant la variation de capacité des condensateurs constitués par les plaques 8 fixées aux faces opposées du corps 7, il est possible d'engendrer des signaux électriques indiquant les contraintes appli- quées à la tige 12 du transducteur dans des directions parallèles aux axes de coordonnées X, Y et Z. La figure 9 représente la position prise par le corps 7 par rapport aux blocs 6 quand le corps 7 a été soumis à une rotation autour de l'axe des Y, cette rotation étant appliquée au moyen de la tige 12. Dans cette situation, en considérant les plaques 8 attachées à la face droite du corps 7 (comme le montre la figure 9), il est possible de détecter ce qui suit: - une légère augmentation de la capacité du condensateur constitué par la plaque conductrice supérieure 8 et la portion correspondante du bloc 6 en regard par rapport à la capacité du condensateur dans le reste de la configuration du transducteur illustré sur la figure 7; - une légère diminution de la capacité du conden- sateur constitué par la plaque conductrice inférieure 8 et la partie correspondante du bloc en regard 6 par rapport à la capacité de ce condensateur dans le reste de la configuration du transducteur re- présenté sur la figure 7. De même, en ce qui concerne les condensateurs comportant les plaques 8 fixées à la face gauche du corps 7, comme le montre la figure 9, on peut voir que: - le condensateur comprenant la plaque supérieure 8 prend une capacité légèrement inférieure à celle du reste de la configuration du transducteur; - le condensateur comprenant la plaque infé- rieure 8 prend une capacité légèrement plus grande que dans le reste de la configuration du transducteur. Le seul effet de la rotation du corps 7 autour de l'axe des Y sur le reste des huit condensateurs est de provoquer une petite variation de leurs surfaces, de sorte que les capacités de ces condensateurs restent sensiblement inchangées. A partir de la figure 9, on voit qu'en détec- tant le changement de capacité des condensateurs comprenant les plaques 8 fixées à la même phase du corps 7, il est possible de dériver des signaux électriques indiquant la grandeur des couples appliqués au corps 7 par l'intermédiaire de la tige 12. Le transducteur représenté a été décrit en se reportant à une utilisation possible comme un "poignet" sensible placé à l'extrémité du bras mobile d'un robot industriel en vue de détecter les contraintes appliquées pendant le déroulement de la phase dite d"'apprentissage". Toutefois, il est évident que le transducteur peut être utilisé avantageusement pendant le déroulement de l'assemblage d'une pièce par la main du robot, pour détecter les contraintes de réaction appliquées extérieurement à une telle pièce. On notera éga- lement que le transducteur peut être utilisé autrement que sur des robots. D'autres modifications sont possibles, par exemple l'enveloppe 1 et le corps 7 peuvent avoir une forme appropriée de parallélépipède au lieu d'une forme de cube.. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 24660 10 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Transducteur à six degrés de liberté, concu pour engendrer des signaux électriques indiquant les forces et couples appliqués à un élément mobile auquel le transducteur est relié en cours d'utilisation, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enveloppe rigide (1) destinée à être reliée audit élément mobile; la surface intérieure de l'enveloppe (1) ayant trois paires de faces conductrices électriquement, les faces - de chaque paire se trouvant dans des plans parallèles l'un à l'autre et perpendiculaires aux plans dans lesquels se trouvent les faces ap- partenant aux autres paires; - un corps rigide (7) supporté dans l'enve- loppe (1) de façon à être mobile avec six degrés de liberté par rap- port à l'enveloppe (1); la surface extérieure du corps (7) comprenant trois paires de faces, les faces de chaque paire se trouvant dans des plans parallèles l'un à l'autre et perpendiculaires aux plans dans lesquels se trouvent les faces appartenant aux autres paires; chaque face du corps rigide étant dirigée vers la face correspondante des faces électriquement conductrices de la surface intérieure de l'enve- loppe (1) et étant munie d'au moins deux zones (8) conductrices élec- triquement, qui sont dans le même plan, sont isolées électriquement l'une de l'autre et s'étendent ensemble sensiblement sur toute ladite face du corps; les zones conductrices (8) associées à chaque autre face du corps (7) étant séparées par un intervalle étroit de la face conductrice correspondante de l'enveloppe (1); - une tige (12) reliée au corps rigide (7) et passant avec du jeu au travers d'un alésage (11) dans l'enveloppe (1), ladite tige servant d'élément de commande ou de réaction; - des moyens d'alimentation en fluide (15, 16, 17, 18, 19, 20) pour introduire un fluide diélectrique sous pression entre les parois de l'enveloppe (1) dans chacun desdits intervalles, le fluide diélectrique étant contraint d'entrer dans chaque intervalle dans une direction sensiblement orthogonale à la face conductrice associée de la surface intérieure de l'enveloppe, le corps (7) étant supporté par le fluide dans l'enveloppe (1), les zones (8) consti- tuant, en commun avec les faces conductrices de l'enveloppe (1) qui sont en face de ces zones, un certain nombre de condensateurs en nombre égal au nombre desdites zones conductrices (8), la capacité de chacun desdits condensateurs dépendant de la distance entre la zone conductrice (8) et la face de l'enveloppe constituant le conden- sateur; et - un moyen de détection relié électriquement à l'enveloppe (1) et à chacune desdites zones (8), pour fournir des signaux de sortie électriques indicateurs des valeurs instantanées et/ou des variations de la capacité de -chacun des condensateurs en fonction de la variation des forces et couples appliqués à la tige (12). 2. Transducteur selon la revendicatim l, caracté- risé en ce que l'enveloppe (1) et le corps rigide (7) ont tous deux sensiblement la forme d'un cube. 3. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'enveloppe (1) et le corps rigide (7) ont tous deux sensiblement la forme d'un parallélépipède. 4. Transducteur selon l'une quelconque des reven- dications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) comprend une carcasse extérieure en forme de cube ou de parallélépipède ayant des parois minces, et un élément respectif (6) faisant saillie vers l'intérieur à partir de la surface intérieure de chaque paroi de la carcasse, chacun des intervalles étant délimité extérieurement par la face intérieure de l'élément correspondant (6) dépassant vers l'intérieur. 5. Transducteur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que chacun desdits éléments faisant saillie vers l'inté- rieur est constitué par un bloc (6) en matériau conducteur électrique- ment, chaque bloc (6) étant dé forme parallélépipédique et étant fixé à la surface intérieure desdites parois minces. 6. Transducteur selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimen- tation en fluide comprennent, pour chacun desdits intervalles, au moins un canal (18) formé dans l'épaisseur de l'enveloppe (1) et ouvrant dans l'intervalle par l'intermédiaire d'une portion terminale élargie C.9) du canal. 7. Transducteur seLon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérise en ce que ledit fluide diélec- trique est constitué d'air eomprimé. 8. Transducteur selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des zones électriquement conductrices prévues sur la surface extérieure du corps rigide (7) est constituée par une plaque (8) conductrice électriquement, fixée sur la surface extérieure du corps (7).