Brevet FR2553524A1 — publié le 19850419

Dispositif pneumatique de localisation du point d'application d'un effort et application d'un tel dispositif L'invention a pour objet un dispositif pneumatique de localisation du point d'åpplication d'un effort modifiant la section de passage offerte par un élément de circuit elasti- quement déformable. Un tel dispositif trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la réalisation de palpeurs pour-des manipulateurs ou robots ainsi que pour des appareils de pesage ou de recon- naissance de forme. L'invention vise notamment à fournir un tel dispositif ne mettant en oeuvre que des éléments mécaniques rustiques, fournissant néanmoins une précision de localisation acceptable, et pouvant être complétés par des éléments permettant une évaluation de l'effort et de l'étendue du tronçon sur lequel s'exerce ce dernier, lorsqu'il est réparti. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif pneumatique de localisation du point d'application d'un effort modifiant la section de passage offerte par un 6 ment de circuit élastique, caractérisé en ce que ledit élément est placé dans un circuit dont un point est relié à un excitateur destiné à créer, audit point, une excitation harmonique dont la longueur d'onde est très supérieure aux dimensions transversales du circuit et en ce qu'un appareil de mesure du débit est placé sur un conduit reliant les extrémités de l'élément élastique. Le circuit est avantageusement symétrique par rapport à l'excitateur et à l'élément élastique et il sera avantageux de concevoir ce circuit de façon que le milieu dudit élément présente un ventre de pression et un noeud de vitesse en l'absence d'écrasement. Le débitmètre placé dans le conduit, qui constitue l'équivalent pneumatique de la branche de mesure d'un pont de Wheatstone constitue un capteur différentiel de pression. I1 doit évidemment être très sensible pour détecter tout déséquilibre du pont consécutif à une variation de pression acoustique à ses bornes. Ce débitmètre peut notan- ment être du genre décrit dans le brevet FR-A-2 308 090 et dans son addition FR-A-2 451 022. Le dispositif qui vient d'êtré décrit permet une détermination précise du point d'application d'un effort provoquant un écrasement tel qu'il y ait obturation complète de l'6lé- ment. La variation de signal fournie par le débitmètre présente alors une variation pratiquement linéaire en fonction de la position du point de déformation et, lorsque l'effort est réparti et provoque l'écrasement complet sur une lon toueur notable, le signal du microdébitmètre est représentatif du point milieu du tronçon écrasé. Le signal fourni par le microdébitmètre du dispositif ci-dessus défini donne une première indication sur l'intensité de l'effort en cas d'écrasement incomplet. Toutefois, la relation de proportionalité entre la; déformation et le signal dépend de l'emplacement du point d'écrasement. Dans un mode avantageux d'exécution de l'invention, permettant d'obtenir une indication beaucoup plus précise sur l'amplitude de la déformation et l'intensité de l'effort appliqué, le dispositif comprend deux excitateurs supplémentaires alimentés en opposition de phases et reliés aux circuits à l'emplacement des points de jonction du conduit contenant l'appareil de mesure de débit.Lorsque seuls les deux excitateurs supplémentaires fonctionnent dans un dispositif ainsi modifié, la différence de pression appliquée à l'appareil de mesure de débit ne résulte pas d'une modification du régime d'ondes stationnaires, mais des pertes de charge subies par l'écoulement alternatif. La courbe de réponse du dispositif présente alors, pour un écrasement partiel, une zone linéaire de pente constante, sensiblement indépendante de l'endroit où s'exerce l'effort de déformation. L'étalonnage est donc représenté par une courbe unique. Au surplus, le dispositif ainsi modifié permet de déterminer les extrémités de la zone d'application d'un effort réparti d'écrasemett complet de l'élément de circuit. Il suffit pour cela d'ouvrir le circuit à l'un, puis à l'autre, des points de jonction du conduit contenant l'appareil de mesure de débit. Comme il a été indiqué plus haut, le dispositif est applicable à la constitution de palpeurs de contact d'un organe avec une pièce. Pour cela, ledit organe porte au moins un élément de circuit placé de façon à se déformer au contact de la pièce. L'organe peut notamment être un doigt de préhension de manipulateur ou de robot et, dans ce cas, l'élément de circuit sera par exemple bobiné sur le doigt. Dans des applications à la pesée de pièceou à la reconnaissance de forme, piusieurs éléments pourront être portés par une semelle déformable sous le poids de la pièce à peser ou à reconnaître. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes d'exécution particuliers, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution de base d'un dispositif de localisation du point d'application d'un effort d'écrasement sur un élément de circuit - la Figure 2 est un schéma de principe montrant un dispositif de localisation complété pour permettre la détermination de l'intensité d'un effort de déformation et des abscisses des extrémités d'un tronçon à écrasement total de l'élément - la Figure 3 est un schéma détaillé montrant une constitution possible du dispositif équipé d'un microdébitmètre - la Figure 4 est un schéma de principe montrant l'application du dispositif à la détermination d'une position angulaire - les Figures 5 et 6 montrent respectivement une pince de télémanipulateur pouvant être équipée d'un dispositif suivant l'invention et une constitution de capteur adaptable à une telle pince - la Figure 7 montre une variante de réalisation d'une mâchoire de pince équipée d'un dispositif suivant l'invention - la Figure 8 montre diverses répartitions possibles d'éléments de circuit élastiques sur les doigts de pince - la Figure 9 est un schéma de principe montrant un mode possible de multiplexage destiné à un dispositif ayant plusieurs éléments de circuit élastiques - les Figures 10 à 12 montrent diverses applications possibles encore de l'invention. Le dispositif dont le schéma de principe est donné en Figure 1 permet de déterminer l'emplacement d'un étranglement local complet d'un élément de circuit élastique. Cet élément ACB est placé dans un montage constituant un pont de Wheatstone pneumatique, alimenté par un excitateur harmonique 11, constitué par exemple par une membrane de hautparleur relié au point milieu haut d'un conduit AOB constituant les branches mortes du pont. Un microdébitmètre 12 relie les points A et B, c'est-à-dire les extrémités des branches actives formées par l'élément élastique déformable et fournit un signal électrique représentatif du déséquilibre des pressions à ses bornes. Ce microdébitmètre permet ainsi de détecter un déséquilibre provoqué par la perturbation apportée à la propagation des ondes de pression par une déformation localisée de l'élément de circuit ACB. Pour permettre une mesure significative, il faut que la fréquence de l'excitateur 11-soit telle que la longueur d'onde dans le gaz occupant le circuit soit très supérieure aux dimensions transversales du circuit. Ainsi, la propagation s'effectue sous forme d'ondes planes. Si les branches OA et OB sont identiques, les deux ondes planes se propageant en sens contraire, l'une dans le sens OAC, l'autre dans le sens OBC, ont même amplitude et sont en phase au point C, milieu de AB. Au surplus, la fréquence d'excitation et la longueur L du circuit seront proportionnées de façon à respecter la relation : L = (2K + 1) A/2. Dans cette relation, désigne la longueur d'onde et K un entier. Les points A et B seront placés de façon à se trouver à des noeuds de pression, avantageusement à distance /4 de l'emplacement O de l'excitateur. On peut par exemple constituer un circuit en tuyaux d'élastomère souple de diamètre intérieur 2 mmm et de diamètre extérieur 4 mm, avec OA = OB = BC = CA = 20 cm et 80 cm, ce qui correspond à une fréquence de 161 Hz. L'excitateur peut être un haut parleur de prothèse auditive et le microdébitmètre un appareil du type décrit dans le brevet FR 2 308 090, ayant une résolution en débit d'environ 0,1 mm3/s. Si on modifie la section de passage en un point donné M de l'6lément de circuit ACB par application d'un effort extérieur, on perturbe l'écoulement, un écrasement complet créant un ventre de pression et un noeud de vitesse. La modification du réseau stationnaire, nulle en cas d'écrasement au point milieu C, qui est déjà un noeud de vitesse, augmente en fonction de la distance à partir de C et provoque un accroissement de la pression acoustique différentielle appli quée au microdébitmètre 12. Le calcul montre et l'expérience confirme que la loi de variation de la pression différentielle en fonction de la distance de l'écrasement au point milieu C reste sensiblement linéaire sur une grande longueur, 80% environ de la longueur de AB dans le cas particulier envisagé plus haut, mais uniquement dans la mesure où l'écrasement est complet. Elle montre au surplus que la mesure est sensiblement indépendante de la longueur de la zone écrasée et correspond au point milieu de cette zone, c'est-à-dire au point M dans le cas d'un écrasement réparti sur la longueur M1-M2. Si on fait varier progressivement l'écrasement depuis une valeur nulle (c'est-a-dire ne modifiant pas la section de passage) jusqu'à l'écrasement complet, on constate que la loi de variation du signal en fonction de l'importance de la réduction de section présente un seuil important, puis une zone a variation à peu prés linéaire mais à très forte pente et, enfin, une saturation. Mais on constate également que la pente de la partie linéaire de la loi de variation est d'autant plus importante que le point d'écrasement est éloigné de C. Pour permettre néanmoins la mesure de l'importance d'un écrasement localisé et, donc, de la force qui le provoque, quelle que soit la position de l'écrasement, le dispositif de base de la Figure 1 peut être complété pour prendre la constitution indiquée en Figure 2. Le dispositif de la Figure 2 comprend deux excitateurs supplémentaires 16A et 16B alimentés de façon à fonctionner en opposition de phase. Avec ce montage, le phénomène qui intervient en cas d'étranglement partiel lorsque les excitateurs 16A et 16B fonctionnent seuls, est constitué par une variation de perte de charge. La courbe de réponse du dispositif en fonction de la réduction de la section présente alors une zone liné- aire de pente forte, mais de valeur constante et indépendante du point d'application de l'action d'écrasement. On obtient donc, pour un écrasement partiel localisé, une courbe de réponse unique permettant de caractériser la force appliquée. Au surplus, le dispositif de la Figure 2 peut, à condition d'être complété par des moyens permettant d'ouvrir à l'atmosphère, indépendamment et à volonté, le circuit au point A, puis au point B, de déterminer l'abscisse X2 du point M2 par rapport à B, et l'abscisse X1 du point M1 par rapport à c'est-à-dire, à écrasement complet, les abscisses des extrémités de l'écrasement. Dans la pratique, un- dispositif permettant de remplir lrensemble des fonctions ci-dessus peut -avoir la constitution montrée en Figure 3 où les organes correspondant à ceux des Figures 1 et 2 sont désignés par le même numéro de référence. Un commutateur 30 permet de relier un oscillateur 29 à fréquence convenable soit à l'excitateur 11, soit à l'ensemble des deux excitateurs 16A et 16B dont l'un reçoit le signal par l'intermédiaire d'un inverseur 31. Entre chacun des excitateurs 11, 16A, 16B et le circuit est interposée une vanne de coupure.32, 33A, 33B et aux bornes du microdébitmètre 12 sont placées des vannes 34, 35 de mise à l'atmosphère. Ces vannes peuvent être à commande manuelle. Mais il sera généralement plus commode d'utiliser des électrovannes miniatures permettant d'effectuer les commutations de façon rapide et systématique. Le microdébitmètre dont le schéma est donné en Figure 3 est du type décrit dans le brevet FR 2 308 090 déjà mentionné et auquel on pourra se reporter. Ce microdébitmère comporte un élément thermorésistant 36 (en général, fil de faible diamètre) placé; de façon à être balayé par le gaz circulant dans la branche de mesure. Ce fil 36 est branché dans l'une des diagonales d'un pont de Wheatstone 19 auquel est appliquée une alimentation continue constante 20. Le signal prélevé dans l'autre diagonale du pont est amplifié et appliqué à l'entrée de données de deux mémoires 25 et 26. Le microdébitmètre comporte encore un bloc oscillateur 21, formant base de temps, qui fournit sur sa sortie 22 un signal sinusoïdal, à fréquence très supérieure à celle appliquée à l'excitateur 11, d'excitation de la membrane d'un hautparleur 37 superposant, au débit à mesurer, une variation rapide de débit. Le bloc oscillateur 21 fournit également sur sa sortie 23 un signal carré de synchronisation, à la même période que le premier et en phase avec lui. Un bloc de déphasage 27 fournit, à chaque période du signal carré, deux impulsions successives qui commandent, l'une, la mémorisation par la mémoire 25, l'autre par la mémoire 26.Ces impulsions sont émises avec un déphasage d'une demi-période et les deux signaux mémorisés sont appliqués sur les entrées d'un amplificateur différentiel 28 muni d'une porte analogique de sortie ouverte, par exemple par un signal supplémentaire de commande provenant du bloc 27, lorsque les deux signaux de sortie de mémoire sont disponibles à la fois sur les entrées de l'amplificateur. A l'aide d'un tel dispositif on peut, en mettant le commutateur 30 dans la position correspondant à la sélection de l'excitateur 11, en ouvrant la vanne 32 et en fermant les vannes 33a, 33b, 34 et 35, obtenir un signal représentatif de la position d'un point M d'écrasement complet du tronçon ACB, ou du milieu d'une zone d'écrasement complet M1-M2.En mettant le commutateur 30 dans la position correspondant à l'alimentation des excitateurs 16A et 16B, on obtient un signal - représentatif de l'abscisse du point M1 marquant l'extrémité d'un écrasement complet de l'élément ACB, lorsque les vannes 32, 33B et 34 sont fermées, la vanne 35 étant ouverte, une disposition inversée permettant de déterminer l'abscisse de M2, - représentatif de l'amplitude de l'écrasement partiel en un point quelconque de l'élément de circuit élastique lorsque les vannes 33A, 33B sont ouvertes et les vannes 34, 35 fermées. L'invention-est susceptible de très nombreuses applications, de nature très diverse. La Figure 4 montre par exemple l'application d'un dispositif suivant l-'invention à la réalisation d'un capteur angulaire permettant de déterminer l'angle de deux segments 40 et 41 appartenant par exemple à un manipulateur. Une paroi cylindrique d'un segment 40 porte l'élément de circuit élastique, qui est complètement écrasé localement en un point variable suivant l'orientation par un doigt 42 porté par l'autre segment. Dans une telle application, il suffit d'utiliser un dispositif du genre montré en figure 1. Dans le mode de réalisation montré en Figures 5 et 6, le dispositif est utilisé comme capteur d'aide à la préhension de pièces mécaniques telles que 43 à l'aide d'une pince 44 de manipulateur ou de robot, susceptible de déplacement en rotation autour de deux axes perpe-ndiculaires. Chacun des doigts 45 de la pince peut alors être équipé d'un dispositif. Dans le cas montré à grande échelle sur la Figure 6, un seul élément de circuit élastique ACB est bobiné sur le doigt 45. On voit qu'aucun signal n'apparaît lorsque le contact entre doigt 45 et pièce 43 s'effectue par le point C milieu du circuit actif. Dans la variante de réalisation montré en Figure 7, trois éléments de circuit élastiques différents 46 sont portés par chaque doigt 45. Ces trois circuits différents peuvent présenter la disposition montrée sur le doigt de gauche 45 de la pince 44 montrée en Figure 8, alors qu'un seul élément, continu, est placé sur toute la longueur du doigt de droite. Lorsqu'une même installation comporte plusieurs éléments de circuit élastiques, on peut éviter de munir chacun d'eux d'un ensemble complet de mesure. Pour cela, il suffit de réaliser un multiplexage. Dans la disposition montrée en Figure 9, tous les circuits 46 sont associés, par l'intermédiaire d'un commutateur. pneumatique de balayage 47, à un jeu unique d'excitateurs 11, 16A, 16B. Le commutateur 47 est prévu pour réaliser, d'une part, un balayage d'alimentation de chacun des éléments de circuit 46 à son tour, d'autre part, une section entre mesure de point milieu d'application d'un effort d'écrasement réparti, et mesure des extrémités de l'écrasement. On peut ainsi réaliser de façon simple une reconnaissance de forme en disposant plusieurs éléments 46 suivant des bandes parallèles, comme indiqué sur la Figure 9, sur une semelle rigide.La commustation de tous les éléments en succession permettra de déterminer l'emplrcement des points indiqués par une croix sur la Figure 9, lorsque les éléments sont écrases par une pièce 48. En utilisant deux jeux d'éléments détecteurs croisés 46a et 46b, comme indiqué sur la Figure 10, afin de realiser une disposition matricielle, on peut encore améliorer la détection de forme. Sur la Figure 10 n'ont été représentés que les excitateurs 16A et 16B associés à un élément de ligne et à un élément de colonne.Chacun de ces excitateurs peut être commun à l'ensemble des éléments de ligne ou de colonne, ouun multiplexage du genre montré en Figure 9 peut être adooté. Sur la Figure 10, les points repérés suivant les lignes sont indiqués par des croix, ceux repérés suivant les colonnes, par des points. Une disposition du même genre, telle que celle montrée en Figure 11, peut être adoptée- pour peser une pièce ou pour déterminer le point milieu de l'écrasement de chaque élément 46A ou 46B, dont un seul est représenté muni de ses excitateurs. Enfin, la Figure 12 montre une application possible de l'invention au contrôle du positionnement d'une pièce 47 sur une semelle 48. Dans ce cas, l'élément déformable ACB peut être simplement noyé dans un revêtement 49 de matériau souple et le dispositif permet de localiser l'emplacement où la pièce est posée et écrase complètement l'élément. L'invention est susceptible de nombreuses autres applications encore, notamment en robotique, aussi bien pour effectuer des mesures différentielles que des mesures absolues. REVENDICATIONS 1. Dispositif pneumatique de localisation du point d'application d'un effort modifiant la section de passage offerte par un élément de circuit élastique (ACB), caractérisé en ce que ledit élément est placé dans un circuit (AOB) dont un point est relié à un excitateur (11) destiné à créer, audit point, une excitation harmonique dont la longueur d'onde est très supérieure aux dimensions transversales du circuit et en ce qu'un appareil de mesure du débit (12) est placé sur un conduit reliant les extrémités de l'élément élastique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit est symétrique par rapport à l'excitateur et à l'élément élastique et en ce que le milieu (C) dudit élément présente un ventre de pression et un noeud de vitesse en l'absence d'écrasement. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux excitateurs supplémentaires (16A, 16B) alimentés en opposition de phase et reliés au circuit à l'emplacement des points de jonction du conduit contenant l'appareil de mesure de débit (12) de sorte que les deux excitateurs supplémentaires, lorsqu'ils fonctionnent seuls, provoquent un signal du débitmètre qui, à écrasement partiel, est sensiblement proportionnel à l'effort appliqué et sensiblement indépendant de l'endroit où s'exerce l'effort de déformation. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant d'ouvrir le circuit à l'un, puis à l'autre, des points de jonction avec le conduit contenant l'appareil de mesure de débit pour provoquer l'apparition de signaux de détermination des extrémités de la zone d'application d'un effort réparti d'écrasement complet de l'élément de circuit. 5. Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la constitution de palpeurs de contact d'un organe (45, 48) avec une pièce, caractérisée en ce que ledit organe porte au moins un élément de circuit (46) placé de façon à se déformer au contact de la pièce. 6. Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit organe est un doigt de préhension de manipulateur ou de robot, l'élément de circuit étant bobiné sur le doigt. 7. Application selon la revendication 5, à la mesure de pièce ou à la reconnaissance de forme, caractérisée en ce que plusieurs éléments sont portés par une semelle déformable sous le poids de la pièce. 8. Application selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif comprend des moyens de commutation (47) permettant de relier l'un quelconque des éléments à une partie commune de circuit.