Brevet FR2520279A1 — publié le 19830729

La présente invention a pour objet un dispo- sitif de préhension à mesure d'effort à structure arti- culée intercalée entre la plaque de contact et son sup- port. Les manipulateurs sont des dispositifs méca- niques qui permettent de remplacer la main de l'homme pour effectuer certaines opérations. Ils s'appliquent par exemple à la protection d'un opérateur contre l'atmosphère radioactive conte- nue dans une enceinte Les gestes de l'opérateur, sur un manipulateur-maitre situé à l'extérieur de l'encein- te, derrière une paroi de protection, sont reproduits par le manipulateur situé à l'intérieur de l'enceinte. Une autre application des manipulateurs est de remplacer la main d'oeuvre par exemple pour des opé- rations répétitives. Cependant, dans tous les cas d'application, la précision que l'on peut obtenir à l'extrémité du manipulateur est limitée par les imperfections de sa réalisation mécanique d'une part, et d'autre part par les capacités de l'opérateur lui-même lorsqu'un manipu- lateur-maître est commandé par un opérateur. Si l'on souhaite par exemple introduire une goupille dans un alésage, il est nécessaire de l'amener exactement dans l'axe de l'alésage Si cette condition n'est pas réalisée, on risque de détériorer la paroi de l'alésage ou la goupille que l'on veut introduire Or, comme on l'a rappelé, la précision d'un manipulateur ne permet pas une précision suffisante pour obtenir un alignement parfait de la pièce à insérer avec l'alésa- ge. Afin de surmonter cette difficulté, on a réa- lisé des dispositifs de préhension à mesure d'effort. Ces dispositifs permettent de mesurer les efforts qui s'exercent sur l'objet qui est manipulé, de comparer la valeur de cet effort à une valeur de consigne détermi- née en fonction de l'opération à réaliser, et de corri- ger la position du manipulateur en fonction de l'écart entre la valeur de l'effort mesuré et la valeur de con- signe Par exemple, dans le cas cité plus haut de l'in- sertion d'une goupille dans un alésage, on doit avoir un effort nul selon deux axes perpendiculaires à l'axe de l'alésage L'effort selon l'axe de l'alésage n'est pas nul, mais il doit rester inférieur à une valeur déterminée en fonction de divers paramètres tels que l'état de surface de l'alésage et celui de la goupille, -ou le serrage des deux pièces Le manipulateur qui por- te la pièce à insérer se repositionne donc jusqu'à ce que l'effort mesuré selon deux directions perpendicu- laices à l'axe de l'alésage soit nul et l'effort selon cet axe inférieur à la valeur de consigne A partir de ce moment, l'opération d'insertion se poursuit Si à un instant quelconque, l'un des efforts venait à dépasser la valeur de consigne, l'insertion s'arrêterait Le ma- nipulateur se repositionnerait, et ainsi de suite. On connaît par exemple selon l'art antérieur une pince dont l'axe principal est relié à une croix dont les extrémités sont piégées par une pièce circu- laire solidaire du manipulateur Les extrémités de la croix sont constituées par des boules déformables qui jouent le rôle de détecteurs de force La force qui s'exerce sur la pince déforme ces boules On en déduit une information relative à la force Cette information est ensuite utilisée pour modifier la position du mani- pulateur Un dispositif de ce genre présente l'inconvé- nient de fournir des informations complexes à interpré- ter parce'que le détecteur de force est situé loin de l'objet à manipuler Par conséquent, les efforts exer- cés sur les détecteurs de force tiennent compte non 3- seulement des efforts exercés sur l'objet mais encore du poids propre de la pince D'autre part, cette pince peut être orientée selon une grande variété de posi- tions, en fonction des degrés de liberté qu'elle com- porte L'interprétation des informations délivrées par le dispositif détecteur de force devra tenir à chaque instant compte de l'orientation de cette pince Il en résulte un calcul très complexe. L'invention a pour objet un dispositif de préhension à mesure d'effort qui remédie à ces inconvé- nients et qui, plus précisément, permet de délivrer une information qui permet de déterminer directement sans traitement complexe l'intensité de l'effort exercé sur l'objet selon chaque degré de liberté Un objet peut être déplacé selon six degrés de liberté, trois degrés de liberté rotatifs, et trois degrés de liberté prisma- tiques: Un degré de liberté rotatif est réalisé par un pivotement, un degré de liberté prismatique par une translation Dans la suite du texte, l'expression 'de- gré de liberté" désignera donc une translation ou une rotation. Plus précisément, le dispositif de préhen- sion à mesure d'effort de l'invention, qui comporte deux doigts déplaçables pour serrer un objet à manipu- ler, se caractérise en ce que chaque doigt est consti- tué par: un support, une plaque de contact qui vient au contact de l'objet à manipuler, une structure articulée, possédant plusieurs degrés de liberté, intercalée entre la plaque de contact et le support 1 un capteur de mesure de déplacements associé à chacun des degrés de liberté de chaque doigt, ce capteur délivrant une information liée seulement aux mouve- ments effectués selon ce degré de liberté. Le dispositif de préhension de l'invention permet ainsi d'effectuer une opération quelconque telle que le poser, l'insertion, l'extraction, etc Il peut s'adapter à un manipulateur à transmission réversible ou non L'information de déformation délivrée est géné- rale et découplée Cela signifie que les informations délivrées par chaque capteur associé à un degré de li- berté sont fonction exclusivement de la déformation se- lon ce degré de liberté de la structure articulée Ces informations ne nécessitent donc aucun traitement sup- plémentaire En outre, le dispositif de mesure d'effort est situé aussi près que possible de l'objet manipulé, ce qui augmente sa sensibilité. Bien qu'un dispositif de préhension compor- tant six degrés de liberté soit souhaitable afin de pouvoir décomposer les forces et les couples exercés sur l'objet à manipuler selon trois axes orthogonaux, on peut se contenter en pratique d'un nombre de degrés de liberté plus réduit Cela permet une réalisation plus simple qui donne cependant un fonctionnement sa- tisfaisant et permet d'effectuer un grand nombre d'opé- rations courantes. L'invention concerne donc un dispositif de préhension à mesure d'effort qui comporte un axe de symétrie principal et deux doigts qui se déplacent en restant parallèles à cet axe de symétrie principal Le plan défini par les axes des deux doigts est appelé plan de symétrie de la pince La structure articulée comporte trois degrés de liberté qui sont, en partant de la pla- que de contact: une rotation autour de l'axe de chaque doigt; une translation selon un axe perpendiculaire au plan de la pince; une rotation autour d'un axe situé dans le plan de la pince et perpendiculaire à l'axe principal de cette dernière. Selon une autre réalisation, le dispositif de préhension de l'invention comporte un quatrième degré de liberté qui est constitué par une translation selon un axe parallèle à l'axe principal de la pince et situé entre la translation d'axe perpendiculaire au plan de la pince et la rotation autour de l'axe perpendiculaire à l'axe principal de la pince. Dans ces deux réalisations particulières, le mouvement de translation selon l'axe Y est couplé lî- néairement avec l'angle A Sg Pour découpler cette translation, on retire, au signal fourni par le cap- teur, la quantité L A?, L étant la distance du centre de prise C à l'axe situé dans le plan de la pince et perpendiculaire à son axe principal (le centre de prise est constitué par le centre de l'objet à manipuler). De préférence, les capteurs de mesure de dé- placement associés à chaque degré de liberté sont cons- titués par des caoutchoucs conducteurs qui délivrent une information liée à leur déformation. De préférence également, deux caoutchoucs conducteurs sont associés à chaque degré de liberté, les deux caoutchoucs étant placés de part et d'autre par rapport au déplacement du degré de liberté et four- nissant un signal différentiel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la des- cription qui suit, donnée à titre indicatif et nulle- ment limitatif, d'un exemple de réalisation de l'inven- tion fait en référence aux figures annexées, sur les- quelles: la figure 1 représente une vue d'un organe de préhension sans mesure d'effort; la figure 2 représente une vue schématique d'un organe de préhension à mesure d'effort selon l'in- vention; la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un organe de préhension à mesure d'effort qui comporte trois degrés de liberté; les figures 4 à 6 représentent respective- ment une vue en perspective et deux vues en coupe du mode de réalisation comportant trois degrés de liberté représenté sur la figure 3; la figure 7 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation qui comporte un quatrième de- gré de liberté. Sur la figure 1, on a représenté une vue schématique d'une pince à mâchoires parallèles qui ser- re un objet, ici une vis 4, entre les mâchoires 6 La pince est située à l'extrémité du manipulateur 8 qui permet de la déplacer selon un certain nombre de direc- tions, par exemple en rotation selon le sens des flèches 9. Toutefois, le fait que la pince 2 ne comporte pas de dispositif de mesure des efforts exercés sur la vis 4 ne permet pas d'effectuer certaines opérations. En effet, la précision avec laquelle on peut manipuler la vis 4 est limitée par la précision du manipulateur 8 et celle de la pince 2 C'est pourquoi, pour effectuer une opération qui requiert un positionnement précis de la vis 4 par rapport au filetage, il est nécessaire de mesurer les efforts qui s'exercent sur cette vis afin de repositionner la pince en fonction de ces informa- tions Le dispositif de préhension de l'invention re- présenté sur la figure 2 permet d'atteindre ce résul- tat Il se compose de deux doigts 14 a et 14 b déplaça- bles pour serrer l'objet à manipuler Chaque doigt se compose d'un support rigide 16, qui est déplaçable au moyen de moteurs électriques, et d'une plaque de con- tact 18 qui vient au contact de l'objet à manipuler lorsque l'on rapproche les supports rigides 16 Entre le support 16 et la plaque 18 d'un doigt se trouve une structure;Articulée 20 possédant plusieurs degrés de liberté Un capteur de mesure des déplacements est as- socié à chacun de ces degrés de liberté Chaque capteur délivre une information qui est liée seulement au mou- vement de la structure articulée selon ce degré de li- berté. Un degré de liberté peut être constitué soit- par une translation qui est réalisée par une glissière, soit par une rotation Quel que soit le cas, l'amplitu- de du mouvement de translation ou de rotation est limi- tée au maximum, afin d'influencer le moins possible le fonctionnement de la pince. La structure articulée 20 peut comporter jus- qu'à six degrés de liberté, c'est-à-dire trois degrés de liberté en rotation et trois degrés de liberté en translation On obtient ainsi une décomposition complè- te dés efforts et des couples exercés sur l'objet mani- pulé selon trois axes orthonormés. Toutefois, en pratique, pour des opérations telles que l'insertion, l'extraction, le vissage, le poser, il n'est pas nécessaire de mesurer ces efforts de manière aussi complète On peut se contenter d'un nombre plus réduit de degrés de liberté, par exemple trois Un exemple de réalisation d'un tel dispositif a été représenté schématiquement en perspective sur la figure 3 La réalisation détaillée de ce dispositif est montrée sur les figures 4 à 6. Sur la figure 3, on a désigné par Z l'axe principal de la pince Cette pince comporte deux doigts qui se déplacenten restant paralàles à l'axe z On décrira seulement l'un de ces doigts, étant entendu que les deux doigts sont symétriques, et que la description faite ci-dessous s'applique à chacun deux. On définit pour chaque doigt un trièdre tri- rectangle XYZ Pour le doigt 12 a, le trièdre tri-rec- tangle porte les indices a De même, pour le doigt 12 b, le trièdre trirectangle porte les indices b Les axes Za et Zb sont parallèles à l'axe Z Ils déterminent le plan de la pince P Les axes Xa et Xb sont situés dans le plan de la pince P et perpendiculaires à l'axe Z. Les axes Ya et Yb sont perpendiculaires au plan de la pince P. L'objet à manipuler est disposé entre les deux doigts Il est enserré par deux plaques de contact 18 La structure articulée 20 est intercalée entre la plaque 18 et le support rigide (non représenté) d'axe Za De la même manière, le support du deuxième doigt possède un axe Zb. La structure articulée 20 comporte trois de- grés de liberté Ce sont deux rotations et une transla- tion La première rotation, en partant de la plaque de contact 18, est une rotation autour d'un axe Z 1 paral- lèle à l'axe Z. Les axes Z 1 et Z 2 sont situés dans le plan P lorsqu'aucun effort n'est exercé sur les plaques de contact 18 Lorsqu'un effort est exercé, ces axes se déplacent et peuvent-selon le cas rester dans le plan P ou non Cependant, les déformations de la structure ar- ticulée restent faibles dans tous les cas et les axes Z 1 Z 2 restent grosso modo parallèles à l'axe Z. Le deuxième degré de liberté est une transla- tion selon un axe Y 1 perpendiculaire au plan P lors- qu'aucun effort ne s'applique sur la plaque de contact 18 Toutefois, la remarque faite en ce qui concerne le degré de liberté rotatif autour des axes Zl Z 2 s'appli- que également Par conséquent, au cours du fonctionne- ment de la pince, les axes Y 1 respectivement et Y 2 res- tent sensiblement perpendiculaires au plan P. Le troisième degré de liberté est une rota- tion autour de l'axe Xa, respectivement Xb, situé dans le plan de la pince P et perpendiculaire à l'axe Z Il est à remarquer que contrairement aux deux degrés de liberté précédents, l'axe autour duquel s'effectue ce degré de liberté est fixe, quel que soit l'effort exer- cé sur les plaques de contact 18, car l'axe de rotation est relié rigidement au support fixe. A chaque degré de liberté sont associés des capteurs de mesures Dans l'exemple décrit, ces cap- teurs sont des caoutchoucs conducteurs disposés de part et d'autre du déplacement du degré de liberté. On a représenté sur la figure 4 une vue en perspective de l'un des deux doigts qui entrent dans le dispositif de préhension de l'invention Ce doigt est constitué par un support rigide 22 qui comporte un ori- fice de fixation 23 par lequel le support 22 est fixé à l'extrémité du manipulateur Le manipulateur (non re- présenté) communique le déplacement du support 22 pa- rallèlement à l'axe z qui permet de serrer l'objet à manipuler Une fois l'objet serré entre les deux pla- ques 18 (voir fig 3), les opérations désirées peuvent être effectuées. La structure articulée 20 qui comporte trois degrés de liberté est constituée par un palier 24 monté pivotant autour d'un axe 26 solidaire du support rigide 22, comme on peut le voir sur la figure 5 Ce palier peut être un palier de type quelconque Dans l'exemple de réalisation décrit, il s'agit d'un palier constitué de deux roulements obliques 28 Un doigt plan 30 est fixé à l'extérieur du palier 24 Deux caoutchoucs 32 sont disposés de part et d'autre de ce doigt 30 à l'in- térieur d'une fourchette constituée par deux parois 34 solidaires du support rigide 22 Les deux caoutchoucs limitent ainsi la rotation du palier 24 autour de l'axe X Lorsqu'un couple est exercé sur le palier 24, il est transmis par l'intermédiaire du doigt 30 aux caout- choucs 32 L'un de ces caoutchoucs est comprimé tandis que l'autre est détendu Chaque caoutchouc délivre une information qui est liée à sa déformation On obtient ainsi deux informations qui permettent de déduire l'ef- fort exercé sur les caoutchoucs 32 et par suite, le couple exercé sur le palier 24 Un capteur pouvant con- venir pour cette utilisation est décrit dans le brevet français 2 330 996 déposé le 5 novembre 1975 pour *cap- teur tactile" La rotation du palier 24 est fonction du couple exercé sur l'objet manipulé selon l'axe X Mais elle est de toute manière limitée à 100. Un flasque 36 rectangulaire est solidaire du palier 24 Deux glissières verticales 38, par exemple des glissières à billes, sont aménagées sur le flasque 36 Les glissières 38 permettent le déplacement verti- cal d'une table mobile 40 par rapport au flasque 36 On réalise ainsi le degré de liberté prismatique selon l'axe Y vertical Deux caoutchoucs capteurs 42 sont disposés au-dessus et au-dessous de la table mobile 40. Ces caoutchoucs sont coincés entre la table mobile et deux ailes 44 du flasque 36 La course de la table 40 est faible, par exemple limitée à 3 mm Les deux caout- choucs 42 fournissent un signal différentiel qui est lié au déplacement de la table mobile 40 et par consé- quent à l'effort exercé selon un axe vertical sur cette table mobile On en déduit ainsi la composante vertica- le de l'effort exercé sur l'objet à manipuler Toute- fois, comme on le verra ultérieurement, le découplage de cette translation n'est pas parfait Mais il est facile de remédier à cet inconvénient. Le dispositif comporte un troisième degré de liberté qui est une rotation autour de l'axe Z 1 Cette rotation est réalisée par deux demi-axes 46 qui perme- ttent le pivotement de la plaque de contact 18 par rap- il port à la table mobile 40 Deux caoutchoucs capteurs 48 sont disposés entre la table mobile 40 et la plaque 18 au-dessus et au-dessous de l'axe Z 1 Seul le caoutchouc inférieur 48 a été représenté sur la figure 4 Lorsque la plaque 18 pivote autour de l'axe Zl, les deux caout- choucs sont déformés en sens inverse L'un est compri- mé, l'autre détendu Comme dans le cas des degrés de liberté précédents, les deux caoutchoucs 48 fournissent un signal différentiel directement lié à la rotation de la plaque de contact 18 autour de l'axe Zl. Il est à remarquer que dans l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, il y a couplage du mouvement de translation selon l'axe vertical Y, donné par les deux glissières 38, avec l'angle de rotation 9 'de la plaque de contact 18 autour de l'axe Zl Cela signifie qu'une rotation de la plaque 18 autour de l'axe Z 1 a pour conséquence un déplacement de la table mobile 40 relativement au flasque 36 En effet, au cours de cette rotation, le centre de prise de l'objet C, c'est-à-dire le centre de l'objet mani- pulé, reste fixe, puisqu'il s'agit d'une rotation pure La rotation de la plaque mobile entraîne donc un décalage de la table mobile 40 par rapport au flasque 36, décalage qui est fonction de l'angle de rotation de la plaque 18 ainsi que de la distance qui sépare le centre de prise C de l'axe Z 1 Plus préci- sément, si l'on appelle AC Pla rotation de la plaque de contact 18 autour de l'axe Zl, nous avons tangente A 9 =_ en appelant L la distance qui sépare le centre de prise de l'axe Z 1 Toutefois, comme A 9 P est faible (inférieur à 10 ), AY est égal à LA 9 '. Par conséquent, il est aisé de découpler le mouvement de translation selon Y Il suffit pour cela de retirer au signal donné par les capteurs 42 une 252027 i quantité L A^ Cette soustraction peut être effectuée très simplement par un dispositif électronique facile à réaliser et qui ne sera par conséquent pas décrit. On a représenté sur la figure 7 un autre mode de réalisation de l'invention qui comporte un degré de liberté de plus que le mode représenté sur les figures 3 à 6 Ce degré de liberté supplémentaire est une translation selon un axe Z'a parallèle à l'axe principal de la pince Il est réalisé par deux glissières horizontales 60 représentées schématique- ment sur la figure 7. Ces glissières horizontales sont disposées entre la rotation autour de l'axe X et la translation selon l'axe Y Ce qui a été dit de la translation selon l'axe Y s'applique à la translation selon l'axe Z En particulier, la course est inférieure à 3 mm. Deux caoutchoucs conducteurs disposés de part et d'autre de la table mobile fournissent un signal dif- férentiel lié au déplacement de cette table et par conséquent à l'effort exercé sur l'objet à manipuler selon la direction de l'axe Z. REVENDICATIONS 1 Dispositif de préhension à mesure d'ef- forts, du genre de ceux qui comportent deux doigts ( 14 a, 14 b) déplacables pour serrer un objet à manipu- ler, caractérisé en ce que chaque doigt ( 14 a, 14 b) est constitué par: un support ( 16), une plaque de contact ( 18) qui vient au contact de l'objet à manipuler, une structure articulée ( 20), possédant plusieurs degrés de liberté, intercalée entre la plaque de contact ( 18) et le support ( 16), un capteur de mesure de déplacements ( 32, 42, 48) associé à chacun des degrés de liberté de chaque doigt, ce capteur délivrant une information liée seulement aux mouvements effectués selon ce degré de liberté. 2 Dispositif de préhension selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un axe de symétrie principal Z et deux doigts d'axe Za, Zb qui se déplacentenrestantparalèles à l'axe Z, le plan défini par les axes parallèles Za, Zb étant appelé plan de la pince P, la structure articulée ( 20) com- portant trois degrés de liberté qui sont, en partant de la plaque de contact: une rotation autour d'un axe (Z 1, Z 2) situé dans le plan de la pince P, une translation selon un axe (Y 1, Y 2) perpendicu- laire au plan P, une rotation autour d'un axe (X 1, X 2) situé dans le plan P et perpendiculaire à l'axe principal Z de la pince. 3 Dispositif de préhension selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un quatrième degré de liberté, ce degré de liberté étant constitué par une translation selon un axe (Z'1, Z'2) parallèle à l'axe (Z) et situé entre la translation d'axe 4 Dispositif de préhension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les capteurs ( 32, 42, 48) associés à chaque degré de liberté sont constitués par des caoutchoucs conducteurs qui délivrent une information liée à sa déformation. Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que deux caoutchoucs capteurs ( 32, 42, 48) sont associés à chaque degré de liberté, ces deux caoutchoucs étant opposés par rapport au déplacement du degré de liberté et fournissant un signal différentiel. 6 Dispositif de préhension selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte un support rigide ( 22) solidaire de l'ensemble de manipulation, un axe ( 26) solidaire de ce support, un palier ( 24) monté pivotant sur l'axe ( 26), un flasque ( 36) solidaire du palier ( 24), une table ( 40) mobile en translation par rapport au flasque ( 36) et une plaque de contact ( 18) destinée à entrer en contact avec l'objet à manipuler, mobile en rotation autour d'un axe (Z 1, Z 2) par rapport à la table mobile ( 40). 7 Dispositif de préhension selon lesrevendi- cations 3 et 6, caractérise en ce que le quatrième degré de liberté est réalisé au moyen de deux glissières ( 60) d'axe (Z'1, Z'2), situées entre la table mobile ( 40) et le flasque ( 36). 8 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6 et 7, caractérisé en ce que les caout- choucs ( 42) relatifs au degré de translation selon l'axe (Y 1, Y 2) ou les axes ('1, Z'2) sont disposés de part et d'autre de la table mobile ( 40). 9 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6 et 7, caractérisé en ce que les caout- choucs ( 48) relatifs au degré de liberté rotatif autour de l'axe (Zl,' Z 2) sont situés entre la plaque de con- tact ( 18) et la table mobile ( 40). Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'un doigt plat ( 30) est fixé au palier ( 24) réalisant la rotation au- tour de l'axe (X 1, X 2), les deux caoutchoucs capteurs ( 32) étant situés de part et d'autre de ce doigt. 11 Dispositif de préhension selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on découple la translation selon la glissière d'axe (Y 1, Y 2) en soustrayant au signal fourni par le capteur la quantité L A O, L étant la distance du centre de prise à l'axe (Zl, Z 2).