Brevet FR2538744A1 — publié le 19840706

Porte-organe adaptatif utilisable notamment en télémanipulation ou robotique. La présente invention est généralement re- lative aux porte-organe utilisables en télémanipula- tion ou robotique, que ce ornrgae, s oient, indlfférem- ment des organes accomplissant à un certain instant et en un certain point une certaine opération, tels des outils d' trav-al, comme des toarc he s e s T ud t on dees organes de détection ou d'e mesures, et Est pus prédi- :.0 sément relative à ce type de porte-organe dans les- quels les deux: op ra tions, d une part de mise 9 i en tion de l'organe par rapport à son po'a t: de travai. selon un système de coordonnées de référence à trois degrés de liberté, et d'autre part, d'orientation de. l'organe par rapport à ce point de travail, sont com- mandées par deux dispositifs distincts permettant de découpler ces deux opérations. Selon une réalisation antérieurement connue d'un porte-organe de ce genre, un premier porte-organe- initial est susceptible de se mouvoir dans l'espace selon trais degrés de liberté pour commander la mise en position désirée de l'organe par rapport à son point de travail, et ce dispositif porte-organe ini- tial supporte lui-même un second porte-organe terminal comprenant, d'une part, un premier support portant un premier arbre dont l'axe géométrique est incliné par rapport à l'un des axes d'un système de référence dont l'origine est le point de travail et sécant avec cet axe en ce point de travail, des premiers moyens rota- tifs étant prévus pour pouvoir faire tourner ce pre- mier arbre autour dudit axe du système de référence et, d'autre part, un second support porté par le pre- mier arbre portant un second arbre dont l'axe géomé- trique est confondu avec l'axe géométrique de l'organe et incliné par rapport à l'axe géométrique dudit pre- mier arbre en étant sécant avec cet axe également au- dit point de travail, des seconds moyens rotatifs étant prévus pour pouvoir faire tourner ce second ar- bre autour de l'axe du premier, l'action combinée des- dits premier et second moyens de rotation permettant d'obtenir l'orientation -angulaire désirée de l'axe d'organe terminal par rapport au point de travail. Il serait par ail Ierur s Intéressant d'asso- cier' des porte-organe de ce gen-re à des moyens-de dé- tection de la position relative de l'organe par rap- port au point de travail, et à des moyens de;coemande automatique de séquences d'opérations de l'organe-se- lon des logiciels correspondant à des programmes opé- rationnels et contrôlés par les informations fournies par les moyens de détection de position. La présente invention a pour but de perfec- tionner ce genre de porte-organe pour que le second porte-organe terminal permette de commander non seule- ment l'orientation angulaire de l'organe terminal par rapport au point de travail, mais également en outre une adaptation fine et précise de la position de l'organe terminal par rapport à son point de travail sans qu'il soit nécessaire d'avoir à actionner alors le porte-organe initial. Comme les masses-mises en mouvement du por- te-organe initial sont plus importantes que pour le porte-organe terminal, plus léger par construction même, on comprend que l'objectif de l'invention vise à doter les porte-organe du genre précité de performan- ces améliorées en ce sens que l'adaptation en temps réel de la position et de l'orientation de l'organe par rapport à son point de travail, en fonction de l'opération à effectuer et des conditions réelles dans lesquelles cette opération est effectuée, est obtenue avec un temps de réponse minimal et une précision ma- ximale. A ces effets, l'invention a donc pour objet un porte-organe du genre précité comportant un premier porte-organe initial susceptible de se mouvoir dans l'espace selon trois deg rés de liberté pour commander la mise en position-d ésirée de l'organe par rapport à son point de travail, ce premier porte-organe initial supportant lui-même un second poete organe terminal comprenant, d'une part, un premier Putwatuftpremier: arbre dont l'axe géomuétrique est incliné par rapport à l'un des axes d'un système de référence dont l'origine est lç point de travail, et sécant avec cet axe en ce point de travail, des premiers moyens rotatifs étant prévus pour pouvoir faire tourner ce premier arbre autour dudit axe du système de référence et, d'autre part, un second support porté par le premier arbre portant un second arbre dont l'axe géométrique est in- cliné par rapport à l'axe géométrique ddit premier arbre en étant sécant avec cet axe également audit point de travail, des seconds moyens rotatifs étant prévus pour pouvoir faire tourner ce second arbre au- tour de l'axe du premier, caractérisé en ce que ledit second stipport porte un troisième -supporte portant un troisième arbre sur lequel est monté l'organe de ma- nière que la partie active de l'organe soit d 4 calée par rapport à l'axe géométrique dudit second arbre, des troisièmes moyens rotatifs étant prévus pour pou- voir faire tourner ledit troisième arbre autour de l'axe du second. Lorsque l'on actionne de façon combinée les premiers, seconds et troisièmes moyens rotatifs avec de faibles angles de rotation, on obtient une quasi translation de la partie active de l'organe selon une direction parallèle à l'un des axes de référence du. plan perpendiculaire au premier axe précité et passant par le point de travail. Lorsque l'on actionne seulement les troi- sièmes moyens rotatifs avec de faibles angles de rota- tion, on obtient une quasi translation de la partie active de l'organe selon une direction parallèle à l'autre axe de référence, perpendiculaire au premier, du plan précité. Ainsi, on peut obtenir, avec de faibles ro- tat-ions seules ou combinées, des prem iers-, seconds et troisièmes moyens rotatifs:, une adaptation fine et précise selon deux degrés de liberté de la partie active de l'organe par rapport à son point de-travail. Ces résultats, obtenus par la mise en oeuvre de l'invention, seront mieux appréciés au cours de la description ci-après des principes et d'un mode de mise en oeuvre de l'invention. Cette description sera faite en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est un schéma géométrique rap- pelant l'art antérieur de la technique que la pré-sente invention perfectionne, la figure 2 est le schéma géométrique d'un porte-organe perfectionné selon l'invention utilisa-' ble en télémanipulation ou robotique, la figure 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un porte-organe terminal selon l'invention, et les figur es 4 et 5 illustrent l'utilisa- tion de ce porte-organe terminal en association avec deux types différents de porte-organe initiaux. On se reportera d'abord au schéma géométri- que de la figure 1 représentant l'art antérieur Ce schéma correspond à un porte-organe comprenant un pre- mier porte-organe initial, schématisé par le point P, susceptible d'être mis en une position quelconque de l'espace dans un système de coordonnées à trois degrés 2538744. de liberté xo, yo, zo Le point de travail O est le point origine de ce système de coordonnées. Ce premier porte-organe initial supporte lui-même un second porte-organe terminal comprenant un premier support, schématisé par un bras Sl, portant un premier arbre dont l'axe géométrique OA est incliné par rapport à l'axe Oz O du système de référence lié au point de travail O Des premiers moyens rotatifs Rl, constitués d'un moteur électrique par exemple, permet- tent de faire tourner l'axe OA autour de l'axe Oz O selon des angles e 1. Le premier support 51 supporte à son tour un second support, schématisé par un bras 52, portant un second arbre dont l'axe géométrique OB est incliné par rapport à l'axe OA et des seconds moyens rotatifs R 2 permettent de faire tourner l'axe OB autour de l'axe OA selon des angles 82 L'axe géométrique OB est con- fondu avec l'axe de l'organe, par exemple une torche de soudage, dont l'extrémité active est représentée en T à proximité du point de travail O. On conçoit que, en actionnant le porte-orga- ne initial P, on peut mettre en position l'extrémités T de l'organe à proximité du point de travail O choisi par rapport au système de références x 0, y 0, z O En- suite, en agissant de façon combinée appropriée sur les moyens rotatifs R 1 et R 2, et donc en combinant des rotations e 1 et e 2 on peut orienter au choix l'axe OB par rapport au plan x 0, OY O o Il y a bien découplage à l'aide des deux dispositifs porte-organe, des fonc- tions de mise en position, d'une part, et orientation d'autre part, de l'organe T par rapport à son point de travail Mais, lorsqu'il y a lieu d'affiner la posi- tion de l'organe T par rapport au point de travail 0, on doit le faire par action sur le porte-organe ini- tial de construction plus lourde et de maniement plus lent que dans le cas du porte-organe terminal. 2538744, On se reportera maintenant au schéma géomé- trique de la figure 2 d'un porte-organe perfectionné selon l'invention. Les mêmes repères de référence que ceux utilisés pour la figure 1 correspondent à des éléments identiques. Selon l'invention, le support 52 supporte lui-même-un troisième support 53 comportant: un troi sième arbre sur lequel est monté l'organe terminal de manière que l'extrémité active T de cet organe est en position décalée par rapport à l'axe OB du duxième arbre Des troisièmes moyens rotatifs R 3 sont prévus pour pouvoir faire tourner le support 53 autour de l'axe OB selon des angles e 3, Le porteorgane décrit ci-dessus dans son principe, fonctionne en trois temps. Dans un premier temps, le porte-organe ini- tial, par déplacement du point P par rapport au systè- me de référence x 0, y 0, z 0, permet de conduire la par- tie active T de l'organe à proximité du point de tra- vail O. Dans un second temps, des rotations I 1, e 2 et E 3 permettent de régler l'orientation de l'outil TT' par rapport au point de travail O. Sur la figure 2, on a schématisé, à titre d'exemple, un joint J de soudure à effectuer à l'aide de l'extrémité T d'une torche de soudage positionnée à proximité du point de travail ou soudure O. On suppose que, après les premier et second temps de mise en oeuvre, la torche TT' est approxima- tivement en bonne position par rapport au point de soudure O, et en bonne orientation dans le plan Zj Oyj, et que, en raison par exemple d'irrégularité du joint J ou de déformations thermiques des tôles en cours de soudage, tous évènements aléatoires détectés par un détecteur non représenté, il y ait lieu d'adapter fi- nement la position de la partie active T de la torche par rapport au point de soudure O, selon deux degrés de liberté, à savoir transversalement par rapport au joint J et en hauteur par rapport à ce joint Dans ce cas, une faible rotation 3 du support 53 permettra d'obtenir une quasi translation de T parallèlement au plan zj Oxj, c'est- à-dire transversa Iement au joint De même, une faible rotation combinée G 1, 82, et; e 3 per- mettra de maintenir T dans le plan zj Oyj tout en modi- fiant très légèrement l'orientation de TT' dans ce plan, ce qui équivaut à une quasi translation de la partie active T parallèlement à l'axe TT' et donc à une légère adaptation en hauteur de l'organe T par rapport au point de soudure O. La figure 3 représente en perspective un porte-organe terminal selon l'invention Les mêmes re- pères que sur les schémas des figures 1 et 2 corres- pondent à des éléments identiques. On retrouve le support P, monté sur un por- te-organe initial. Un moteur Ri, dont l'axe traverse un second moteur R 2, fait tourner le premier support Si L'axe OA est incliné par rapport à Oz O et sécant avec cet axe au point O Quand le support Si tourne, OA décrit un cône de sommet O et d'axe Oz 0. Le support Si porte à son tour un second support 52 Le moteur R 2, par l'intermédiaire de roues dentées D 1 et D 2, peut faire tourner le support 52 autour de l'axe OA de sorte que l'axe OB du support 52 décrit un cône de sommet O et d'axe OA. Le support 52 porte enfin un support 53 sur lequel est montée la torche de soudure TT' de sorte que la partie active T de cette torche est décalée par rapport à l'axe géométrique OB du troisième support 53 Un moteur R 3 permet de faire tourner T autour de l'axe OB. La figure 4 montre l'association d'un porte- organe terminal, tel que celui de la figure 3, en as- sociation avec un porte-organe initial classique du type cartésien à trois degrés de liberté X, Y et Z. La figure 5 montre l'association du porteorgane terminal avec un porte-organe initial classique du type polyarticulé Ce porte-organe possède trois degrés de liberté actifs par les rotations a, 3 et y qui en font l'équivalent d'un porte-ur cartésien, et un degré de liberté passif par rotation lpour maintenir vertical le porteur terminal P. Cette description se terminera par quelques commentaires sur l'utilisation des moyens décrits ci- dessus en association, nécessaire en pratique sinon en théorie, avec des moyens de commande automatique de séquences d'opérations de l'organe. L'ensemble des moyens décrits ci-dessus amène à considérer, pour sa mise en oeuvre, trois' re- pères qui sont les suivants: un repère R O de base, qui est lié au porteorgane initial et permet de prendre en compte les coordon- nées x 0, y O et z O du point P; un repère Rj, lié à la trajectoire que doit suivre l'organe pour effectuer séquentiellement ses opéra- tions; par exemple ce repère Ri, lié au joint de soudure J et défini par le plan longitudinal (zj Oyj), transversal (zj Oxj), et tangent (xj Oyj) au joint J, est un repère cartésien (xj, yj, zj, 0); et un repère Rt, lié à la torche (ou à tout autre ou- til); ce repère Rt aura pour origine le point T, extrémité active de la torche, et pour axes l'axe Tzt confondu avec l'axe de l'outil, et les axes Txt et Tyt complètant le trièdre cartésien (Txt, Tyt, Tzt, T). ) 2538744, Les relations entre ces différents repères sont les suivantes: les repères Rt et Rj sont liés par des conditions prédéterminées du processus opérationnel mis en oeuvre définissant la position et l'orienrrtation: de l'organe par rapport à son point de travail, par exemple de la torche de soudure par rapport au joint On a donc une première relation de la fbrme Rt=Fp(Rj), Fp indiquant qu'il s'agit d'une fonction définie selon un procédé; les repères Rt et R O sont liés par une fonction. d'apprentissage Fa selon une relation de la forme Rt=Fa(R 0) * La trajectoire généralisée modèle de l'or- gane en position et orientation (X, Y, Z) figure 4, ou (a, 13, y, f) figure 5 et G 9 i e 2, 3 dans le repère Ro sera définie par le calcul à partir des relations F et F liées au procédé et à l'apprentissage. Par rapport à cette trajectoire modèle, on effectuera des corrections à partir d'informations provenant d'un détecteur de point de travail Confor- mément à l'une des caractéristiques propres de l'in- vention, ces corrections ne s'exerceront pas sur le porte-organe initial, mais seulement sur le porte-or- gane terminal Ces corrections ne concernant par exem- ple que deux degrés de liberté, porteront sur Y et Z et seront obtenues, par le calcul, par des variations faibles Ae 1 AG 2 et AG 3 des angles Gi, 82 et 43 o Bien que l'on ait décrit ci-dessus'des modes particuliers de réalisation de l'invention, par réfé- rence aux figures 3 à 5, on précise que l'invention s'étend à toutes les réalisations mettant en oeuvre le principe géométrique et cinématique faisant l'objet de la figure 2. L 2538744 REVENDICATION Porte-organe adaptatif utilisable en télé- manipulation ou robotique, du genre comportant un pre- mier porte-organe initial (P) susceptible de se mou- voir dans l'espace selon trois, degrés de liberté pour commander la mise en position désirée de l'organe (T) par rapport à son point de travail (O) , ce premier porte-organe init ia I supportant lui-mgme un second porte-organe terminal comporenaaty d'une part, un pre- mier support (Sl) portant un premier arbre dont l'axe géométrique (OA) est incliné par rapport à l'un des axes (Oz 0) d'un système de référence dont l'origine est le point de travail et sécant avec cet axe en ce point de travail (O), des premiers moyens rotatifs (R 1) étant prévus pour pouvoir faire tourner ce pre- mier arbre autour dudit axe (Oz 0) du système de réfé- rence et, d'autre part, un second support ( 52) porté par le premier arbre portantun second arbre dont l'axe géométrique (OB) est incliné par rapport à l'axe géo- métrique (OA) dudit premier arbre en étant sécant avec cet axe également audit point de travail ( 0), des se- conds moyens rotatifs (R 2) étant prévus pour pouvoir faire tourner ce second arbre autour de l'axe (OA) du premier, caractérisé en ce que ledit second support ( 52) porte un troisième support ( 53) portant un troi- sième arbre sur lequel est monté l'organe de manière que la partie active (T) de l'organe soit décalée par rapport à l'axe géométrique (OB) dudit second arbre, des troisièmes moyens rotatifs (R 3) étant prévus pour pouvoir faire tourner ledit troisième support ( 53) au- tour de l'axe (OB) du second.