Brevet FR2510755A1 — publié le 19830204

"Système de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté " La présente invention concerne un système de dé- tection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (ou en abrége dispositif CMD) qui est compressible axialement et déformable en cisaillement. Les dispositifs à centre de mouvement déporté (ou dispositifs CMD) procurent un centre de mouvement déporté à l'extrémité libre d'un organe mraip Jateur,ou à prmxin Lté ou au-delà de cette extrémité L'organe manipulateur avec le centre de mouvement déporté près de son extrémité libre peut remplir diverses fonctions, ou porter des pièces qui remplissent di- verses fonctions, par exemple des fonctions d'amarrage, de montage d'outils, d'insertion et d'engagement Le centre de mouvement déporté est un point autour duquel l'organe mani- pulateur tourne et par rapport auquel l'organe manipulateur accomplit une translation Les dispositifs Cav ont cinq de- grés de liberté principaux: rotation autour de l'axe de l'organe manipulateur, et rotation et translation selon deux axes latéraux mutuellement perpendiculaires et orthogonaux à l'axe de l'organe manipulateur Le dispositif OMD est un dispositif passif et les translations et les rotations résul- tent de forces et de couples qui sont appliqués pendant l'opé- ration Les translations et les rotations peuvent se faire selon n'importe quelle combinaison, en fonction de la souples- se propre de dispositif COD et de la charge appliquée, dans la plage des limites physiques du dispositif OMD. Ia détermination de la force axiale appliquée à un dis-positif CMD est une fonction importante et utile O Tout dispositif C O LD particulier possède une limite au-delà de laquelle il peut être détérioré De plus, les organes avec lesquels le dispositif CPD vient en contact ou est associé sont souvent délicats et nécessitent des forces d'insertion ou de contact modérées qu'il serait interessant de contrôler. Plme dans des opérations plus grossières de dispositifs OMD, dans lesquelles de fortes charges sont appliquées, -le conutr- le de forces axiales élevées est une caractéristique intéres- sante On effectuait antérieurement la détection de force au moyen de capteurs de force qui étaient d'une structure rela- tivement délicate pour permettre de détecter des forces fai- bles aussi bien que des forces élevées De tels capteurs de- vaient être accouplés au dispositif C Pl au moyen d'accouple- ments généralement lourds et volumineux Une solution desti- née à la protection du dispositif CMD, des pièces sur les- quelles il travaille ou du capteur, a consisté à employer un poste de travail verrouillé par un ressort pour maintenir la pièce sur laquelle travaille le dispositif CMDO Le poste de travail utilise une table soumise à l'action d'un ressort et réglée de façon à céder, pour protéger le dispositif CMD et la pièce sur laquelle il travaille, lorsque la force dé- passe un-seuil de sécurité. L'invention a donc pour but de réaliser un système de détection de force simple et perfectionné pour un disposi- tif OMD. L'invention a également pour but de réaliser un tel système destiné à être utilisé avec un dispositif OMD compressible axialement et déformable en cisaillement. l'invention a également pour but de réaliser un tel système de façon qu'il soit petit, d'encombrement réduit, léger, et ne nécessite aucun mécanisme de liaison supplémen- taire pour déterminer la force axiale. L'invention a également pour but de réaliser un tel système qui puisse également fournir des indications de déplacement de rotation de pièces associées du dispositif OID. L'invention a également pour but de réaliser un tel système qui puisse également fournir des indications de déplacementslatéraux de pièces associées du dispositif CMD. L'invention traite du problème de la détermination, du contr 8 le, de la commande ou de la documentation concernant la force axiale pendant le fonctionnement, au niveau d'un dispositif CMD, par l'adjonction directe d'une instrumenta- tion au dispositif CMD lui-même, et sans adjonction de struc- tures de mesure de force spécialisées, délicates, volumineu- ses, massives ou malcommodes On peut utiliser la force axiale déterminée ou le signal de force résultant pour con- tr 8 ler, documenter ou commander un processus faisant inter- venir le dispositif CMD. L'invention résulte de la prise en considération du fait qu'un système de détection de force pour certaines catégories de dispositifs CMD peut ttre construit en employant un ou plusieurs capteurs de proximité axiaux pour détecter la distance entre deux pièces monolithiques rigides et pour convertir le déplacement en une force L'invention consiste en un système de détection de force pour un dispositif CMD qui comporte des première et seconde parties monolithiques rigides distantes l'une de l'autre Des moyens compressibles et déformables en cisaillement accouplent les première et seconde parties et sont disposés le long de rayons disposés de façon conique à partir d'un centre Il existe au moins un capteur de déplacement axial, du type capteur de proximité, qui détecte la distance entre les deux parties. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens compressibles et déformables en cisaillement comprennent au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaille- ment Trois capteurs de proximité axiaux sont intercalés en- tre ces pièces et sont orientés selon des rayons disposés de façon conique à partir du centre Il peut également y avoir des moyens de détection de composantes latérales, pour détecter la position latérale relative des partieset des moyens pour détecter une rotation axiale relative des parties. il existe des moyens qui réagissent à un déplacement axial, détecté de façon caractéristique par un ou plusieurs capteurs de déplacement du type cap-eur de proximité, de façon à dé- terminer la force axiale qui a produit le déplacement détec- té Lorsqu'on utilise un certain nombre de capteurs de dé- placement axial du type capteur de proximité, les moyens destinés à déterminer la force axiale comprennent des moyens qui font la moyenne des signaux de sortie des capteurs de proximité réels et des moyens qui appliquent un facteur d'échelle pour convertir le déplacement axial moyen en une force axiale Il peut également y avoir des moyens qui réa- gissent à la différence entre les déplacements détectés par une paire de capteurs de déplacement axial, de façon à dé- terminer l'angle d'inclinaison entre les deux parties. Un aspect de l'invention porte sur un système de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (C O M), caractérisé en ce qu'il comprend: une pre- mière partie monolithique rigide; une seconde partie mono- lithique rigide distante de la première partie; des moyens compressibles et déformables en cisaillement qui accouplent les première et seconde- parties; et au moins un capteur de déplacement axial, du type capteur de proximité, destiné à détecter la distance entre les première et seconde parties. Un autre aspect de l'invention porte sur un sys- tème de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (CMD), caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide, une seconde partie monolithique rigide distante de la première partie, au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaillement qui accouplent les première et seconde parties et sont dis- posées le long de rayons coniques qui partent d'un centre; et au moins un capteur de déplacement axial du type capteur de proximité, destiné à détecter la distance entre les pre- mière et seconde parties. Un autre aspect de l'invention porte sur un sys- tème de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (CMD), caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide; une seconde partie monolithique rigide distante de la première partie; au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaillement qui accouplent les première et seconde parties et qui sont disposées le long de rayons coniques qui partent d'un centre; et au moins trois capteurs de déplacement axial,du type capteur de proximité, destinés à détecter la distance entre les première et seconde parties. Un autre aspect de l'invention porte sur un sys- tème de détection pour un dispositif à centre de mouvement déporté, caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide; une seconde partie monolithique rigide distante de la première partie; au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaillement qui accouplent les première et seconde parties et qui sont disposées le long de rayons disposés de façon conique à partir d'un cen- tre; au moins un capteur de déplacement axial du type cap- teur de proximité, destiné a détecter la distance entre les première et seconde parties; et des moyens qui fonctionnent sous la dépendance d'au moins un capteur de déplacement axial, du type capteur de proximité, de façon à déterminer la force axiale qui a produit le déplacement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif Ia suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique simplifié d'un système de détection de force pour un dispositif CMD conforme à l'invention; La figure 2 est une vue en plan d'un dispositif CMD) conforme à l'invention; La figure 3 est une coupe selon les lignes 33 de la figure 2; Les figures 4, 5, 6 et 7 sont des représentations schématiques de certains des déplacements relatifs d'un dispositif CMD qu'on peut détecter; et Ia figure 8 est unm schéma synoptique détaillé d'un système conforme à l'invention destiné à déterminer non seul lement une information de force axiale, inais également une information de déplacement axial, une information d'angle d'inclinaison, une information de position latérale et une information de rotation axiale. L'inven-vb Lo peult être mise en oeuv-re au moyen d'um système de détectioin de force poter un dispositif gr ID qui comprend des prei'ère et s conde part'ies monolitlhiques et rigides, mutuelleient espacs Il existe des moyens compres- sibles et déformables en cisaillement qui comprennent de façon caractéristique trcis pièces compressibles et déform- bles en cisaillement qui accouplent les première et seconde parties et sont dispo: es belon des rayons disposes de façon^ conique i p-artir d'o cent-re,es pièdces sont formées de façon caractéristique par 'aliernance de couches de polymère ou d'élastomère et de couches intercalaires rigides, mais on peut utiliser des pièces ayant d'autres structures, parmi lesquelles des pièces aussi simples que des ressorts hiélicoï- daux de type ouvert ou des ressorts hélicoïdaux de compres- sion Il existe au moins un capteur de déplacement axial, du type capteur de proximité, pour détecter la distance entre les parties, et ces capteurs sont de façon caractéristique au nombre de trois Les capteurs de proximité peuvent etre des capteurs de proximité du type à courants de Foucault du genre Kaman Il peut également y avoir un ou plusieurs détec- teurs pour détecter une information de position latérale et une information de rotation axiale, comme un détecteur biaxial de type Quantrad ou UDT, des analyseurs optiques linéaires à semiconducteurs du type Reticon RI 256 G, ou même de simples photodiodes associées par paires et montées face à des sour- ces appropriées de lumière collimatée La source lumineuse serait montée sur l'une quelconque des parties rigidesmono- lithiques et le récepteur serait monté en face, sur l'autre partie monolithique rigide. La figure 1 représente un système de détection de force 8 qui comprend un dispositif OMD 10, qui emploie des éléments compressibles axialement et déformables en cisail- lement Un signal de déplacement unique provenant du capteur 12 est appliqué directement au miltiplicateur 14 qui multiplie le déplacement par un facteur d'échelle de détection de force, pour convertir directement le déplacement en une force Dans le dispositif CYD 10, le déplacement axial des parties est directement proportionnel à la force axiale appliquée pour produire ce déplacement, et le signal de déplacement peut ttre appliqué directement au multiplicateur 14 Si le capteur 12 fournit plus d'un signal de déplacement, on peut employer un circuit de calcul de moyenne, c'est-à-dire le circuit de sorzation 16, pour faire la somme de tous les signaux de déplacement et pour diviser la somme par le nombre de ces signaux de déplacement, pour appliquer le déplacement moyen au multiplicateur 14 Selon une variante, le circuit de som- mation 16 peut simplement faire la somme et le multiplicateur 14 peut comporter dans son facteur d'échelle un dénominateur équivalent au nombre de signaux de déplacement, pour donner la moyenne. Le dispositif CMD 10 comporte une partie monoli- thique rigide qui est la pièce 20 représentée sur les figu- res 2 et 3, qui est espacée par rapport à une seconde partie monolithique rigide, c'est-à-dire la pièce 22 Les pièces 20 et 22 sont accouplées par trois éléments d'accouplement com- pressibles axialement et d 6 formables en cisaillement, 24, 26 et 28, parmi lesquels seul l'élément 24 est visible sur la figure 3 Chaque élément 24, 26, 28 est un corps cylindrique formé par des couches d'une substance 30 de type polymère ou élastomère, 30, qui alternent avec des couches intercalaires rigides 32, qui sont de façon caractéristique en métal L'élé- ment 24 est monté sur la pièce supérieure 20 au moyen d'une vis 34 et il est logé dans une cavité 36 Les éléments 26 et 28 sont fixés de façon similaire à la pièce 20 au moyen d'une vis 38 pour l'élément 26 logé dans une cavité 40, et d'une vis 42 pour l'élément 28 logé dans une cavité 44 Les extré- mités inférieures des éléments 24, 26 et 28 sont montées d'une façon similaire si la pièce 22 Urn organe manipulateur est suspendu à la pièce 22, avec le centre de mouvement déporté 52 à son extrémité libre 54 Les éléments 24, 26 et 28 sont alignés le long de rayons 58, disposés de façon co- nique, qui partent d'un foyer 60 Bien que les moyens défor- mables en cisaillement soient représentés sous la forme d'un certain nombre d'éléments discrets, ceci ne constitue pas une limitation nécessaire de l'invention On pourrait par exemple utiliser deux éléments dans un dispositif bidimensionnel,et un seul élément est utilisé dans le dispositif qui est repré- senté sur la figure D 12, expliquée à la page 137 de la thèse de docteur ès sciences du MIT, de Samuel H Drake, intitulée "Using Compliance in Lieu of Sensory Feedback for Automatic Assembly, septembre 1977. Trois capteurs de déplacement axial 70, 72, 74, du type capteur de proximité, sont également disposésle long de rayons disposés de façon conique à partir du centre 52. Le capteur 70 est monté dans un alésage 76 dans la pièce 22. Les capteurs 72 et 74 sont montés de façon similaire dans la pièce 22 Les distances entre chacun des capteurs 70, 72, et 74 sont représentées par des lignes de base 80 t Tn détec- teur optique X, Y, 90, destiné à déterminer une information de position latérale et une information de rotation axiale, en ce qui concerne les positions relatives des pièces 20, 22, comprend une source lumineuse 92 qui est située dans une ca- vité 94 de la pièce 22, et un réseau détecteur 96 qui est situé dans une cavité 98 de la pièce 20. Le détecteur X, Y, 90 peut discerner des décalages dans la direction X (figure 4) et des décalages dans la di- rection Y (figure 5) Le détecteur 90 peut également discer- ner une rotation ez (figure 6), qui est indiquée par le dé- faut d'alignement des repères 100, 102 On peut utiliser les capteurs de déplacement axial 70, 72 et 74, du type cap- teur de proximité, pour déterminer le déplacement entre les pièces 20 et 22, c'est-à-dire DA, DB et DC (non représenté), sur la figure 7 On peut également les utiliser pour déter- miner l'angle d'inclinaison ou la rotation relative eu ou Gv entre les pièces 20 et 22 On peut calculer directement les angles ex ou ey dans le système de coordonnées cartésien préféré, au moyen d'unetransformation géométrique simple, à partir des angles dans les-coordonnées eu et ev des capteurs. Les signaux de sortie du détecteur 90, figure 8, peuvent fournir directement l'information de position laté- rale X et Y et l'information de rotation axiale ez Les si- gnaux de proximité DA, DB et DC sont appliqués à un circuit de sommation 110 qui combine les trois signaux et les appli- que à un multiplicateur de facteur d'échelle 112-qui, dans ce-cas, divise la somme par trois pour obtenir le déplacement axial moyen, et la multiplie également par un facteur d'échel- le pour donnmler la force axiale Fz Si c'est souhaitable ou nécessaire, le signal de sortie du circuit de sommation 110 peut Ctre simplement divisé par un facteur de trois dans un diviseur 114 pour donner le déplacement axial moyen Z. On peut obtenir l'information d'angle d'inclinai- son O u' ev en calculant la somme algébrique des déplacements DA, DB dans un circuit de sommation 116, puis en la multipliant par un facteur d'échelle dans un multiplicateur 118 pour obtenir G v On combine les signaux DB et DC dans un circuit de sommation 120 puis on les multiplie par un facteur d'échel- le dans un multiplicateur 122 pour obtenir Eu Une transformation géométrique simple permet de faire passer des angles d'inclinaison O u et O v aux angles d'inclinaison dans le syst&me de coordonnées choisi X, Y. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVEIMDICATIONS 1 Système de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (CID), caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide ( 20); une seconde partie monolithique rigide ( 22) distante de la pre- mière partie; des moyens compressibleset déformables en ci- saillement ( 24, 26, 28) qui accouplent les première et secon- de parties; et au moins un capteur de déplacement axial ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, destiné à détecter la distance entre les première et seconde parties. 2 Système-selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs de proximité axiaux espa- cés. 3 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois capteurs de proximité axiaux es- pacés ( 70, 72, 74). 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque capteur de proximité axial ( 70, 72, 74) est disposé le long de rayons disposés de façon conique à partir d'un centre ( 52). Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de détection de composantes latérales de déplacement ( 90) qui sont destinés à détecter la position latérale relative des première et seconde parties. 6 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 90) destinés à détecter une rotation axiale relative des première et seconrde parties. 7 o Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 110, 112) qui réagissent à l'un au moins des capteurs de dé- placement axial ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, de façon à déterminer la force axiale qui a produit le dé- placement détecté. 8 Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens destinés à déterminer la force axiale comprennent des moyens ( 110) qui font la moyenne des signaux 1 l de sortie des capteurs de proximité amial ( 70, 72, 74) et des moyens ( 112) qui appliquent un facteur d'échelle pour convertir le déplacement axial moyen en untme force axiale. 9 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens compressibles et dé- formables en cisaillement comprennent au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaillement ( 24, 26, 28) qui sont disposées le long de rayons coniques ( 56) qui par- tent d'un centre ( 60). 10 Système de détection de force pour un dispositif à centre de mouvement déporté (CMD), caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide ( 20), une seconde partie monolithique rigide ( 22) distante de la pre- mière partie, au moins trois pièces compressibles et défor- mables en cisaillement ( 24, 26, 28) qui accouplent les pre- mière et seconde parties et sont disposées le long de rayons coniques ( 58) qui partent d'un centre ( 60); et au moins un capteur de déplacement axial ( 70, 72, 74) du type capteur de proximité, destiné à détecter la distance entre les première et seconde parties ( 20, 22). 11 Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs de proximité axiaux espa- cés. 12 Système selon la revendication 10, caractérisé, en ce qu'il comprend trois capteurs de proximité axialux espa- cés ( 70, 72, 74). 13 Système selon l'une quelconque des revendications à 12, caractérisé en ce Que chaque capteur de proximité axial ( 70, 72, 74) est disposé le long de rayons disposés de façon conique à partir d'un centre ( 52). 14 Système selon l'une quelconque des revendications à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de détection de composantes latérales de déplacement ( 90) qui sont destinés à déteeter la position latérale relative des première et seconde parties. Système selon l'une quelconque des revendications à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 90) destinés à détecter une rotation axiale relative des 10755 -12 première et seconde parties. 16 Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 110, 112) qui réa- gissent à l'un au moins des capteurs de proximité axiaux ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, de façon à dé- terminer la force axiale qui a produit le déplacement détec- té. 17 Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens destinés à déterminer la force axiale comprennent des moyens ( 110) qui font la moyenne des signaux de sortie des capteurs de proximité axiaux et des moyens ( 112) qui appliquent un facteur d'échelle pour convertir le déplacement axial moyen en une force axiale. 18 Système de détection de force pour un disposi- tif à centre de mouvement déporté (OMD), caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide ( 20); une seconde partie monolithique rigide ( 22) distante de la première partie; au moins trois pièces compressibles et dé- formables en cisaillement ( 24, 26, 28) qui accouplent les première et seconde parties et qui sont disposées le long de rayons coniques ( 58) qui partent d'un centre ( 60); et au moins trois capteurs de déplacement axial ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, destinés à détecter la dis- tance entre les première et seconde parties. 19 Système selon la revendication 18, caractérisé en ce que les capteurs de déplacement axial ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, sont disposés le long de rayons disposés de façon conique à partir d'un centre ( 52) et sont situés dans des positions intercalées entre lesdites pièces ( 24, 26, 28). Système selon l'une quelconque des revendica- tions 18 ou 19, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 110, 112) qui font la moyenne des signaux de sortie des capteurs de proximité axiaux ( 70, 72, 74) et qui appliquent un facteur d'échelle pour convertir le déplacement en une force. 21 Système selon l'une quelconque des revendica- tions 18 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 116, 120) qui, à partir de la différence entre les déplacements détectés par une paire de capteurs de dé- placement axiaux, du type capteur de proximité, déterminent l'angle d'inclinaison entre les première et seconde parties ( 20, 22). 22 Système selon l'une quelconque-des revendica- tions 18 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de détection de déplacement latéral ( 90) qui sont des- tinés à détecter la position latérale relative des première et seconde parties ( 20, 22). 23 Système selon l'une quelconque des revendica- tions 18 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 90) destinés à détecter une rotation axiale re- lative des première et seconde parties ( 20, 22). * 24 Système de détection de force pour un disposi- tif à centre de mouvement déporté, caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie monolithique rigide ( 20); une seconde partie monolithique rigide ( 22) distante de la première partie; au moins trois pièces compressibles et déformables en cisaillement ( 24, 26, 28) qui accouplent les première et seconde parties et qui sont disposées le long de rayons ( 58) disposés de façon conique à partir d'un centre ( 60); au moins un capteur de déplacement axial ( 70, 72, 74) du type capteur de proximité, destiné à détecter la distance erntre Leas premiere et seconde parties; et des moyens ( 110, 112) u fonctioiment sos la dépendance d'au moins Lu cape teur dl déplacement axiae, d-i type capteur de proximités de faon à d terminer La force axale qui a produit le déplace- ie.r t d't t. 5 Système d d-tection de force pour um disposi- tif à centre le mouvemen a'perté (C 04 D), caractérisé en ce ail r oa rend: iune -remi e partle monolithique rigide ( 2 S); lle seconde parftie onolihic/us rigide ( 22) distante de la première partie; a oins trois pices co-r 1 ressibles -, *t d 'or:-eles en cisaillemient ( 24, 26 23) qui accouplent .es p J- miee et seeonuee za:'ie S et oui sont disposées le lrog -4 e rayons '50) disoss le f ( 70, 72, 74), du type capteur de proximité, destinés à détec- ter la distance entre les première et seconde parties; et des moyens ( 110, 112) destinés à faire la moyenne des signaux de sortie des capteurs de proximité axiaux et à appliquer un facteur d'échelle pour convertir ledéplacement en une force.