Brevet FR2527499A1 — publié le 19831202

Système souple pour manipulateurs industriels ". La présente invention concerne un système souple pour des manipulateurs industriels et plus particulière- ment l'invention concerne un système souple donnant une certaine plage de réglage de la souplesse ou de l'élas- ticité De plus, l'invention concerne un système pour mesurer directement et de façon précise les déviations radiales et axiales dans le système souple pour donner des Informations de position. Dans la conception et la construction de manipula- teurs industriels pour copier certains aspects limités des diverses possibilités humaines pour améliorer la précision du positionnement par les manipulateurs indus- triels dans des travaux tels que la réunion de pièces, d'un outil et d'une pièce, d'une pièce et d'un moyen de fixation ou autres paires d'éléments à réunir Lorsque les pièces sont réalisées avec précision et que les outils ou les gabarits qui les tiennent sont positionnés de façon précise, il n'y a généralement pas d'erreur dans l'assemblage Toutefois, toutes les surfaces d'une pièce ne présentent pas une finition avec la même tolérance et souvent les surfaces à réunir se trouvent dans des positions qui ne sont pas connues parfaitement La con- ception et la réalisation de manipulateurs mécaniques se traduisent en définitive par un compromis entre la vitesse du manipulateur, sa capacité de charge et la précision du positionnement pour remédier aux inconvénients ci- dessus. Il est connu d'utiliser un dispositif souple pour faciliter à rémedier aux imperfections rencontrées dans les opérations de réunion Le dispositif souple remédie à ces difficultés en fonctionnant comme un élément-flot- tant multi-axe qui permet d'absorber les erreurs d'alu- gnrement de position et d'angle entre les pièces Le brevet U.S 4 098 001 décrit un dispositif souple à centre éloigné qui maintient une pièce de façon qu'elle puisse tourner autour du point de contact de cette pièce avec la pièce à laquelle elle doit être réunie L'erreur laté- raie et l'erreur d'angle sont absorbées indépendamment, si bien que la pièce répond aux forces de contact au cours de l'introduction et cela se traduit passivement par un réalignement par rapport à l'axe d'introduction. Il a été également proposé d'utiliser une réaction par détection à l'aide de dispositifs à vision ou de dis- positifs tactile pour permettre de satisfaire aux con- ditions de positionnement précis sur des manipulateurs industriels A cet effet, un appareil de détection de forces (dynamomètre) qui effectue une analyse des contrain- tes a été incorporé aux dispositifs souples Un exemple d'un tel appareil détecteur offrant six degrés de liberté est décrit au brevet U S 4 094 192 Toutefois dans les applications industrielles, la réponse à un tel appareil détecteur par les manipulateurs de grandes dimensions est généralement trop lente pour éviter que des efforts im- portants ne s'établissent C'est pourquoi, on ajoute un certain degré de souplesse mécanique pour rendre le sys- tème à manipulateurs plus performant. La présente invention a pour but de créer un dispo- sitif à souplesse réglable offrant une plage de réglage de la souplesse, donnant au choix cinq et demi degrés de liberté et fournissant sélectivement des informations de réaction de position. De façon générale, la présente invention concerne un système souple à centre éloigné qui définit un centre éloigné pour un dispositif-assembleur, le système se com- posant d'un premier élément fixé au dispositif-assembleur, un moyen reliant le premier élément au second élément, ce moyen de liaison réglant et limitant le déplacement axial du second élément par rapport au premier élément à une limite prédéterminée, choisie, un premier moyen de pous- sée étant prévu entre le premier et le second éléments, le premier moyen de poussée interdisant le déplacement axial par compression du second élément par rapport au premier élément et un second moyen de poussée étant prévu entre le premier et le second éléments, ce second moyen de poussée interdisant le déplacement radial du second élément par rapport au premier élément. Un mode de réalisation préférentiel décrit ci-après concerne un système souple pour un dispositif-assembleur tel qu'un manipulateur industriel ou un robot Une plage de réglage de la souplesse se fait avec cinq et demi degrés de liberté et comprend un premier élément monté sur le dispositifassembleur et un second élément auquel est fixé une pince ou un outil Un moyen de liaison limite le mouvement d'écartement axial du second élément par rapport au premier élément et le moyen de poussée prévu entre eux interdit la compression axiale Des moyens de poussée sont également prévus pour interdire le déplacement radial du second élément par rapport au premier élément Les moyens de poussée axiale sont des sphères en élastomère renforcé, qui présentent une dureté de ressort croissante de façon monotone et dont la plage de rigidité peut se régler automatiquement en utilisant un fluide sous pression La détection locale de position de la pince ou de l'outil se fait parl'intermédiaire d'un réseau de transformateurs différentiels linéaires variables Un microprocesseur correspondant assure l'ana- lyse des signaux pour le réglage éventuel du manipulateur. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue de-dessous d'un système souple dont certaines parties ont été coupées, selon l'invention. la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1. la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1. la figure 4 est un schéma simplifié du système souple actuel. la figure 5 est un graphique représentant la courbe force/déviation d'un système souple selon l'inven- tion. la figure 6 est un schéma-bloc du système de réaction de position selon l'invention. la figure 7 est un schéma-bloc du système pro- grammable mécaniquement selon l'invention. Les dessins montrent un système souple pour des manipulateurs industriels avec un centre éloigné d'élas- ticité offrant une certaine plage de réglage de la sou- plesse De façon caractéristique, la position du centre d'élasticité est variable pour s'adapter aux différentes conditions de charge et de précision de position Aux figures 1 à 3, le dispositif à centre éloigné d'élasti- cité (encore appelé "dispositif RCC") porte de façon générale la référence 11 et se compose d'un premier élé- ment 13 monté sur un bras de réglage d'un manipulateur industriel et un second élément 15 auquel est fixée la pince du manipulateur Une bride continue 17 entoure la périphérie du premier élément 13 et est perpendiculaire à la partie plane du premier élément 13 Des moyens de liaison 19 sont prévus entre le premier et le second éléments 13 et 15 pour limiter le déplacement axial du second élément 15 dans le sens allant en s'écartant du premier élément 13 jusqu'à une limite maximale prédéterminée Toutefois, le moyen de liaison 19 n'intervient pas pour le déplacement axial en compression du second élément vers le premier élément 13 Un matériau qui convient particulièrement bien pour servir de moyen de liaison se caractérise par une forte résistance à la traction associée à une souplesse en compression Un exemple d'un tel matériau est un câble à brins de fibres diffusé dans le commerce sous la marque 'KEVLAR" par la Société Du Pont. Un premier moyen de poussée est prévue entre le pre- mier et le second éléments 13 et 15 pour régler le dépla- cement axial en compression mentionné ci-dessus Ce moyen de poussée axiale est constitué par des sphères 21 en élastomère qui résistent à la compression mais n'opposent qu'une faible résistance aux déplacements latéraux du fait de leur forme sphérique Chaque sphère en élastomère 21 est une sphère creuse en caoutchouc de préférence renfor- cé par une couche extérieure en câble souple ou tissu réalisée par exemple en fibres de "KEVLAR" et remplie d'un fluide pour donner à la sphère une rigidité de niveau prédéterminée En d'autres termes, la pression interne des sphères en élastomère peut être modifiée par une alimentation appropriée en fluide de façon à modifier la rigidité de ressort effective des sphères Comme cela sera exposé de façon plus détaillée ci-après, le centre d'élasticité (du dispositif RCC 11) peut se modifier en modifiant la rigidité de ressort des sphères 21 Bien que le fluide servant à régler la pression interne régnant dans les sphères 21 peut être de l'eau ou même de l'air, il est préférable d'utiliser un fluide très visqueux pour donner un effet d'amortissement du mouvement du second élément 15 par rapport au premier élément 13 Bien qu'il soit préférable d'utiliser des sphères creuses en élas- tomère, on peut également utiliser des sphères pleines en élastomère, ayant un coefficient connu de rigidité de façon à constituer un système souple passif. Des seconds moyens de poussée 23 sont prévus entre la bride périphérique 17 et le second élément 15 par l'intermédiaire de sièges 25 et 27 servant au montage. Les seconds moyens de poussée 23 réglent le déplacement radial du second élément 15 par rapport au premier élé- ment 13 et se composent de plusieurs éléments sphériques fonctionnant comme des ressorts à élasticité déterminée. Les éléments sphériques peuvent être des sphères pleines en caoutchouc ou des sphères creuses mises en pression à un niveau prédéterminé Etant donné leur forme sphérique, les seconds moyens de poussée 23 présentent une résis- tance minimale au déplacement axial relatif des premier et second éléments 13 et 15. L'examen de la figure 4 montre facilement que la possibilité de réglage des premiers éléments de poussée ou sphères 21 permet de modifier la position du centre d'élasticité par rapport au dispositif RCC 11 Il en résulte une plage de réglage de la souplesse dans une unité En résumé, le centre éloigné 29 est un point projeté sur la pince ou l'outil porté par le second élé- ment 15 (A titre d'illustration, la pince est représen- tée sous la forme d'un élément allongé 31) Comme le centre éloigné 29 est connu, on peut déterminer son com- portement sous différentes conditions d'erreurs axiales latérales La position du centre éloigné 29 à la distance 11 du second élément 15 est une fonction de k, kb et O kx est la force de cisaillement, kb est la force axiale selon un angle Q; O est l'angle correspondant à la dif- férence entre la position du câble 19 et de l'axe Z ou axe central "z" du système élastique, projeté selon la ligne "a". L'intérêt caractéristique résultant de la possibi- lité de modifier le centre éloigné 29 en modifiant Il est d'augmenter à la fois la plage des charges et la pré- cision de positionnement que l'on peut obtenir par un seul dispositif RCC 11 Par exemple, si le manipulateur industriel porte une charge plus longue et plus lourde, on a une augmentation de 1 I De même, on obtient une augmentation de kx et kb Si l'angle O reste constant, la longueur 11 est une fonction du rapport kb/kx La lon- gueur 11 peut ainsi s'augmenter soit en augmentant kb, soit en diminuant k x En augmentant kb, on a l'intérêt supplémentaire d'augmenter la rigidité à la flexion du dispositif RCC 11 Une telle augmentation convient mieux pour des efforts et des couples importants imposés par une charge plus longue et plus lourde. Selon la présente invention, la valeur de k b des éléments sphériques constituant le premier et le second moyens de poussée axiale 21 peut s'augmenter ou se dimi- nuer en réglant la pression interne régnant dans les éléments sphériques à l'aide d'un fluide approprié Il en résulte que la rigidité de ressort effective des élé- ments sphériques 21 change de même que la position du centre éloigné 29. Le graphique donnant la force de déflexion selon la figure 5 caractérise la plage de réglage de la souples- se dont on dispose dans l'appareil selon l'invention. Etant donné que la courbe force/déflexion est une courbe non linéaire, il en résulte une plage d'utilisation de la rigidité L'axe Y du graphique traduit une augmentation de la charge totale en suspension sur le dispositif RCC 11 L'expression "charge totale" représente la combinai- son de la pince et de la charge manipulées ainsi L'axe X donne le degré de déflexion subi par le dispositif RCC 11 pour une unité de force constante Différents états de charge correspondent chacun à des origines de coordon- nées distinctes O 1 2 ' 03, 04 Chacune des origines représente successivement une augmentation de la valeur de kb des éléments sphériques 21 Ainsi à titre d'exem- ple, la déviation subie par l'élément RCC 11 pour une augmentation de la valeur de kb et une augmentation de la charge pour un niveau de force donné est moindre que la déviation subie par le dispositif RCC 11 pour un-coef- ficient kb de valeur moindre, et pour une charge plus faible pour le même niveau de forces De même pour une charge constante, on peut modifier la valeur de kb pour régler la sensibilité aux efforts et le degré de déflexion par unité de force dans le dispositif RCC 11. Une caractéristique supplémentaire du mode de réali- sation décrit ci-dessus est la mesure de position par l'intermédiaire du dispositif RCC 11 Comme représenté aux figures 1 et 6, l'information de position s'obtient par l'intermédiaire d'une série de transformateurs diffé- rentiels variables linéaires (transducteurs LVDT) 33 et La déviation du second élément 15 par rapport au pre- mier élément 13 du dispositif RCC Il se mesure directe- ment et de façon précise à l'aide des transducteurs LVDT 33 et 35 On utilise au moins trois transducteurs LVDT 33 pour le premier et le second éléments 13 et 15, pour détecter tout déplacement axial ou toute variation d'orien- tation du second élément 15 par rapport au premier élé- ment 13 Les transducteurs LVDT 35 sont placés entre le premier et le second éléments 13 et 15 pour détecter tout déplacement radial et toute rotation autour de l'axe Z d'un élément par rapport à l'autre Les transducteurs LVDT 33 sont montés sur le second élément 15 et un élé- ment de référence 37 est prévu en contact avec leur noyau sur le premier élément 13 Au moins trois et de préférence quatre transducteurs LVDT 35 s'utilisent pour détecter le déplacement radial Le signal fourni par chaque trans- ducteur LVDT ( 33 et 35) est fourni à un microprocesseur 39 qui donne un réseau de points de flottement et éventuel- lement un signal d'erreur Dès que les déviations du point d'élasticité sont calculées, on peut former des ordres explicites pour modifier les coordonnées de la trajectoire de la pince Par exemple dans un manipulateur industriel point à point, les modifications se font sous la forme de mouvements ponctuels discrêts obtenus par l'intermé- diaire du dispositif de commande 41. Selon la figure 7, un système permettant de modifier la valeur du coefficient kb par la mise en pression de plusieurs éléments sphériques 21 permet de donner au dis- positif RCC 11 une certaine possibilité de programmation mécanique Comme un fluide est utilisé pour rigidifier les sphères élastiques, la pression peut être modifiée automatiquement Le dispositif RCC Il est monté mécanique- ment entre la pince 31 et le bras de manipulateur 45. Dans de nombreuses applications, la pince et le bras sont orientés horizontalement en fonction du travail à effec- tuer Lorsqu'ils sont disposés horizontalement, lepoids mort de la pince 31 peut être suffisant pour créer un vecteur de force perpendiculaire de façon générale à l'axe Z I 1 en résulte que le centre éloigné 29 peut dévier par rapport à son état "zéro" c'est-à-dire la position du centre éloigné 29 lorsque le bras 35 et la pince 31 sont verticaux Par le réglage séparé des élé- ments sphériques 21, on peut pratiquement corriger la déviation du centre éloigné 29. Les signaux de sortie des transducteurs LVDT 33 et peuvent servir à identifier toute déviation du centre éloigné par rapport à la disposition de la pince Un moyen de traitement et de commande 47 qui répond à ce signal de sortie communique avec un moyen d'alimentation en fluide 49 muni d'une pompe et d'un réservoir à fluide. Une pompe ou une vanne, distinctes, peuvent être prévues pour régler le débit de fluide à travers les différentes conduites 51 allant à chaque sphère élastique 21 Le moyen d'alimentation en fluide 49 fonctionne soit pour augmenter ou pour diminuer séparément la pression du fluide dans chacun des éléments sphériques 21 En réglant la valeur du coefficient kb par modification de la pres- sion du fluide, on effectue une réorientation du centre éloigné 29. Le signal de sortie des transducteurs LVDT 33 et peut également servir à identifier la charge manipulée par la pince pour établir la plage adéquate de réglage de souplesse par la mise en pression sélective des élé- ments sphériques. I 1 est à remarquer que dans de nombreuses applica- tions, une augmentation des dimensions physiques de la charge se traduit en général par une augmentation de son poids Toutefois dans certains cas, la longueur de la charge peut augmenter alors que son poids reste le même ou éventuellement diminue En conséquence, alors qu'un capteur formé de transducteurs LVDT 33 et 35 représentés ici correspond à la masse de la charge par déviation du second élément 15, d'autres capteurs répondant à la forme physique de la charge manipulée peuvent s'utiliser dans ce système Un réseau linéaire de diodes constitue un exemple d'un tel capteur susceptible d'être adapté pour permettre de programmer mécaniquement le système selon l'invention. Il est clair qu'il n'est pas nécessaire que le dispositif RCC Il soit programmable mécaniquement et automatiquement comme cela a été décrit ci-dessus Dans les applications pour lesquelles la charge est relative- ment constante, on peut fixer la pression du fluide dans les éléments sphériques 21 à un niveau prédéterminé pour toute la durée de l'application particulière Pour une 1 l charge relativement constante, on peut utiliser des éléments sphériques pleins avec ou sans renforcement par des fibres de Kevlar. La description ci-dessus concerne un système élas- tique destiné à des manipulateurs industriels donnant une plage de réglage de la souplesse, l'ensemble étant réali- sé en une seule pièce De plus, le système souple est équipé d'un réseau de transducteurs LVDT qui permet d'au-. tres réglages de position du manipulateur et de la pince par l'intermédiaire d'un moyen de commande La souplesse réglable assure cinq et demis degrés de liberté Seul le développement axial est limité à une valeur prédéter- minée. R E V E N D I C A T I O N S ) Système souple à centre éloigné qui définit un centre éloigné pour un dispositif-assembleur, système caractérisé en ce qu'il se compose d'un premier élément ( 13) fixé au dispositif-assembleur, un second élément ( 15) espacé du premier élément ( 13), un moyen de liaison ( 19) reliant le premier élément ( 13) au second élément ( 15), ce moyen de liaison ( 19) réglant et limitant le déplace- ment axial du second élément ( 15) par rapport au premier élément ( 13) à une limite prédéterminée susceptible d'être choisie, un premier moyen de poussée ( 21) étant prévu entre le premier et le second éléments ( 13, 15), ce pre- miermoyen de poussée ( 21) interdisant le déplacement axial par compression du second élément ( 15) par rapport au premier élément ( 13), et un second moyen de poussée ( 23) étant prévu entre le premier et le second éléments ( 13, 15), ce second moyen de poussée ( 23) interdisant le déplacement radial du second élément ( 15) par rapport au premier élément ( 13). 20) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de liaison ( 19) limitant le déplacement axial du second élément ( 15) s'écartant du premier élé- ment ( 13) est en un matériau présentant une résistance à la traction et une souplesse à la compression. 30) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second moyen de poussée se compose d'un ensemble d'éléments sphériques ( 21), chacun d'eux étant placé dans un moyen de montage, l'un étant associé au premier élément ( 13) ainsi qu'une autre partie associée au second élément ( 15), le déplacement radial du premier et du second éléments ( 13, 15) étant ainsi interdit et le moyen de montage permet le mouvement des éléments sphériques au cours du déplacement axial du premier et du second éléments ( 13, 15) - 4 ) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier moyen de poussée ( 21) se compose d'un ensemble d'éléments sphériques, ces éléments inter- disant le déplacement axial en compression du second élé- ment ( 15) par rapport au premier ( 13). 50) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments sphériques sont des sphères plei- nes en élastomère. 6 ) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments sphériques formant les premiers moyens de poussée ( 21) sont des sphères creuses en élas- tomère, mises sous pression à un niveau approprié de rigidité de ressort, la position du centre éloigné ( 29) étant une fonction de cette valeur choisie. ) Système selon la revendication 6 comportant des moyens ( 49, 47) pour modifier la pression régnant dans les éléments sphériques ( 21) avec une variation consécu- tive de la position du centre éloigné ( 29), les éléments sphériques sous pression présentant une rigidité de res- sort à croissance monotone en fonction de la pression pour établir la plage de réglage de souplesse. ) Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 35) pour détecter le déplacement axial et le déplacement radial relatifs du premier élément ( 13) par rapport au second élément ( 15), le moyen de détection donnant un signal indiquant la position du centre éloigné ( 29) en fonction de ce dépla- cement radial et de ce déplacement axial. ) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen pour détecter le déplacement axial et le déplacement radial relatifs est formé d'un ensemble de transformateurs différentiels variables linéaires. ) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la position du centre éloigné ( 29) se détermine en fonction de la demande relative à la charge manipulée par le dispositif-assembleur et le système comporte des capteurs répondant à ces demandes, des moyens pour régler la pression régnant dans les éléments sphériques ( 21) sous pression et un moyen de commande ( 49, 47) répondant aux capteurs ( 33, 35) pour commander le moyen de réglage ( 47 >. 11 ) Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen de réglage de pression met sélective- ment en pression chacun des éléments sphériques ( 21). > Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les éléments sphériques sont mis en pression à l'aide d'un fluide visqueux pour réaliser un effet d'amortissement du mouvement du second élément ( 15) par rapport au premier élément ( 13). 13 ) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détecter le déplace- ment axial et le déplacement radial relatifs du premier élément ( 13) par rapport au second élément ( 15), le moyen de détection donnant un signal indiquant la posi- tion du centre éloigné ( 29) en fonction du déplacement radial et du déplacement axial. ) Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que le moyen pour détecter le déplacement axial et -le déplacement-radial, relatifs est formé d'un ensemble de transformateurs différentiels variables linéaires. 151) Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments sphériques ( 21) sont mis en pres- sion à l'aide d'un fluide visqueux pour donner un effet d'amortissement du mouvement du second élément ( 15) par rapport au premier élément ( 13).