Brevet FR2623284A1 — publié le 19890519

CAPTEUR D'EFFORTS SPATIAUX La présente invention concerne une structure mécanique rigide qui, lorsqu'elle est interposée entre deux corps, permet de mesurer le torseur de liaison entre ces deux corps, le torseur étant constitué des trois composantes de force et des trois composantes de moment exercés par un corps sur l'autre. L'invention trouve une applidation dans les domaines de la robotique, de la machine-outil et d'une manière générale dans l'industrie lorsqu'il s'agit de mesurer les efforts et les couples transmis entre deux pièces. Les dispositifs connus de ce genre sont constitués de plusieurs pièces assemblées entre elles par des éléments de fixation, l'ensemble aboutissant à une réalisation mécanique complexe et exigeant une grande qualité de fabrication. Ces dispositifs présentent, d'autre part, l'inconvénient d'être volumineux et encombrants, ce qui pose des problèmes de mise en place et rend leur utilisation mal aisée. Pour une description d'un tel type de capteur, on pourra par exemple se reporter au brevet n 82.11181 concernant un poignet à détection de six composantes d'effort. La présente invention vise à fournir un capteur permettant de mesurer trbis composantes de force et trois composantes de moment tout en palliant les inconvénients des capteurs connus. L'objectif essentiel de l'invention est ainsi de fournir un capteur constitué d'une seule pièce mécanique dont la réalisation aisée ne fait appel à aucun assemblage. Un autre objectif est de fournir un capteur très compact permettant de mesurer des efforts élevés. A cet effet, ce capteur se caractérise en ce qu'il est formé d'une pièce mécanique dotée de deux faces d'extrémités parallèles, aptes à être fixées'respectivement sur un corps engendrant forces et moments et sur un corps de référence, et d'une partie centrale présentant la forme d'un treillis régulier et composée de six poutres dotées de moyens de mesure des déformations, disposées suivant une architecture angulée fermée entre les deux faces d'extrémités du capteur et solidarisées par des liaisons à encastrement auxdites faces d'extrémités. Ce capteur comprend donc une partie centrale se présentant préférentiellement sous la forme d'un manchon cylindrique et deux faces d'extrémité comportant des moyens de fixation sur le corps engendrant forces et moments et sur le corps de référence. Il est ainsi constitué d'une seule pièce mécanique dont la réalisation ne fait appel à aucun assemblage. La partie centrale du capteur est formée d'un treillis spatial composé de six poutres disposées suivant une architecture angulée fermée. Les poutres sont réalisées à partir du manchon cylindrique primitif, par enlèvement de matière en des endroits précis de ce manchon. Selon une autre caractéristique de l'invention, cet enlèvement de matière est réalisé de façon que les poutres soient ancrées au niveau de trois zones distinctes sur une des faces d'extrémités du capteur et au niveau de trois zones distinctes décalées axialement de 60 'par rapport aux trois zones précédentes, sur l'autre face d'extrémité du capteur. Chacune des poutres est enfin dotée d'un dispositif de mesure, du type jauge de contraintes, qui mesure sa déformation. Lors de l'utilisation du capteur, une face d'extrémité de celui-ci est fixée sur un corps engendrant les forces et moments et l'autre face d'extrémité sur un corps de référence. Les trois composantes de forces et de moments sont transmises d'un corps vers l'autre par l'intermédiaire du capteur et notamment de sa partie centrale en treillis. L'application des trois composantes de force et de moment sur une face d'extrémité du capteur génère, du fait de l'agencement triangulé des six poutres, des forces s'exerçant au niveau de chacune des liaisons à encastrement de chaque poutre. Ces forces, ayant même intensité, et sens différents, provoquent la déformation des poutres. Des moyens de mesure tels que des jauges de contrainte fixées dans la zone centrale de chaque poutre, délivrent un signal électrique fonction de la déformation de la poutre. L'adaptation de ce capteur à une application donnée est réalisée par un choix adéquat des dimensions du corps du capteur ainsi que de la section, la longueur et l'inclinaison des poutres formant le treillis central. Par ailleurs, la structure mécanique de ce capteur étant rigide, celui-ci peut mesurer des efforts élevés. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description détaillée qui suit et de l'examen des dessins annexés qui en présentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description: - la figure 1 est une vue en perspective du capteur, - la figure 2 en est une vue développée plane, - la figure 3 illustre un schéma fonctionnel de l'exploitation des mesures réalisées sur les six poutres du capteur. Le capteur représenté à la figure i est doté de deux faces d'extrémités 1 et 2 présentant la forme de couronnes 5, 6 permettant de le fixer aux corps entre lesquels doivent être mesurées les composantes de forces et de moments. Ces faces d'extrémités 1, 2 sont dotées de moyens de fixation, en l'exemple trous 3 et 4 ménagés axialement dans les couronnes 5, 6. La partie centrale du capteur se présente sous la forme d'un treillis spatial 7 formé de tiges ou poutres 8 solidarisées par des liaisons à encastremnet 10, il aux faces d'extrémité 1, 2. Les poutres 8 du treillis 7 sont réalisées par enlèvement de matière en des endroits 9 de cette partie centrale du capteur. Elles sont réparties uniformément autour de l'axe principal du capteur et disposées suivant une architecture angulée fermée de sorte que les extrémités de deux poutres consécutives se trouvent près l'une de l'autre sur une face d'extrémité 1 (ou 2) du capteur et éloignées l'une de l'autre au niveau de l'autre face d'extrémité 2 (ou 1) du capteur. Les composantes des forces et moments exerces sur une face d'extrémité 1, 2 du capteur engendrent des forces antagonistes entre les deux zones de liaison 10, 11 de chaque poutre 8 et déforment par conséquent celles-ci. La déformation est mesurée sur chaque poutre 8 par une jauge de contrainte 12 qui délivre un signal électrique fonction de la déformation de la poutre. Du fait de la structure en treillis du capteur, on peut écrire la relation suivante entre les composantes du torseur à mesurer (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) et les efforts s'exerçant sur les poutr.es 8 du capteur (F1, F2, F3, F4, FS, F6): m! m12 m 1 m4 mE MIE F jy n- m12m-m2à m2U m25 F2 - m.,Èmû := m m42 m4z m44 m4E m46. F4 My ME!i mE: mrE mE4 mEE mES FE mE, mEZ rE m64 môE mES Les efforts F1 à F6 engendrent une déformation des poutres 8: E1, ú2, ú3, E4, E5, E6 que l'on mesure au moyen des capteurs de déformation 12. La relation entre les efforts F1 à F6 et les déformations 1 à ú6 est: il 0m22 0 0 0 F O rn22 0 a O O F2 ú3 0 0 m__ 0 0 0 F E = 0 0 0 m44 0 0 F4 F E 0 0 0 0 mS 0 FS _ _0 0 0 0 O m6SE F Lorsque les poutres 8 sont identiques, les termes mil à m66 sont identiques. La matrice est alors inversible et l'on peut donc écrire F [\] -1. La relation qui lie les signaux électriques I 1 à M6 que l'on recueille, aux déformations ú1 à E6 est: __. l] 0 0 0 0 0. - LI O 2 0 p22 0 0 0 0 ú2 3 0 0 p3 0 0 0 3 = O 0 p44= 0 0 34 0 0 0 0 pSS 0 S 0. 0 0 0 0 pES6.. Lorsque les jauges 12 sont identiques, les termes pli à p66 sont identiques. La matrice est également inversible et l'on peut donc écrire ú = [p] 1 * _ - Nous avons par conséquent une relation entre les signaux que l'on recueille et le torseur à mesurer: F- m' mZ mrnZ mú4 MMS rZ6 H 15. 'C M t'ú4 3 M2E M45.i2 [ M -- Z M -73; MZ4 M---S M-76-- = m4' m4t m4Z m4.1 m4E m4S [N].rP2 4 _ _ E mEZ mE Mr4M m-E mES soit Fx ql; ql2 q135q14 qlS qlI 1 Fy q21 c22 qZú q24 q25 q26 2 2 extrémité au terminal. On peut alors utiliser les informations d'efforts délivrées par ce capteur pour piloter le robot. Les signaux analogiques sont convertis en signaux numériques et envoyés au calculateur de commande du robot (figure 4). REVENDICATIONS 1/ - Capteur de mesure de trois composantes de force et trois composantes de moment, caractérisé en ce qu'il est formé d'une pièce mécanique dotée de deux faces d'extrémités (1, 2) parallèles, aptes à être fixées respectivement sur un corps-engendrant forces et moments et sur un corps de référence, et d'une partie centrale (7), présentant la forme d'un treillis régulier, et composée de six poutres (8) dotées de moyens de mesure (12) des déformations, disposées suivant une architecture angulée fermée entre les deux faces d'extrémités (1, 2) du capteur et solidarisées par des liaisons à encastrement (10, 11) auxdites faces d'extrémités. 2/ Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres 8 sont ancrées au niveau de trois zones distinctes sur une des faces extrémités (1) du capteur et au niveau de trois zones distinctes décalées axialement de 60 par rapport aux trois zones précédentes, sur l'autre face d'extrémité (2) du capteur. 3/ - Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de mesure de la déformation des poutres sont constitués par des jauges de contrainte (12).