Brevet FR2631118A1 — publié le 19891110

Dispositif cafteur d'effort à six comPosantes. notamment pour la robotique La présente invention concerne un dispositif capteur d'effort à six composantes, notamment pour la robotique, destiné en particulier à mesurer les efforts transmis par un système articulé générateur d'efforts (poignet actif) à un plateau mobile porteur d'outils, pouvant avoir jusqu'à six degrés de liberté. Ce dispositif est destiné en particulier à mesurer et à contrôler les efforts développés en robotique lorsqu'il s'agit de réaliser des tâches complexes et de grande précision nécessitant la mise en contact d'objets et/ou d'outils (assemblage, usinage de pièces). Le dispositif capteur selon l'invention pourra s'appliquer à tous les types de générateurs d'efforts ou poignets utilisables en robotique, et plus particulièrement à celui qui fait l'objet du brevet français dont le présent demandeur est également titulaire, déposé le 25 juillet 1983 sous le n 83 12263/2 549 916 et intitulé "Dispositif d'articulation actif à compliance". En robotique d'assemblage, les fonctions de transfert sont assurées par un robot classique et les fonctions de positionnement fin sont assurées par un poignet maîtrisant les efforts et les mouvements fins de très faible amplitude. Le poignet actif objet du brevet précité est un "manipulateur parallèle", c'est-à-dire un robot dans lequel les différents segments ne sont pas placés successivement à partir de la base vers la "main", comme dans les manipulateurs industriels, mais au contraire tous connectés directement à la fois à la base et à la main. Ce type de poignet est destiné à constituer l'extrémité du bras d'un robot d'insertion ou d'assemblage ou à être disposé à poste fixe en face du bras du robot et coopérant avec lui. Dans cette dernière application, le dispositif constitue une "main gauche" pour le robot qui lui fait face. Ce type de robot présente une meilleure précision de positionnement ainsi qu'une grande facilité d'adaptation à la commande par retour d'effort. La caractéristique essentielle du poignet de l'art antérieur est d'être constitué de deux plateaux reliés par une structure en treillis fermé à six biellettes, un vérin commandé indépendamment étant inclus dans chaque biellette, en parallèle avec un détecteur d'élongation (potentiomètre ou codeur) du vérin, pour permettre un réglage fin suivant les six degrés de liberté. Selon cet art antérieur, par conséquent, on contrôle les efforts par mesure directe des déplacements de chaque vérin, le signal électrique du détecteur d'élongation étant directement utilisable par le calculateur du robot. Selon cette technique il est également possible de munir chacune des branches de la structure d'un dynamomètre et déterminer finalement les forces mises en jeu au contact de l'outil du robot et de la pièce. Le but de la présente invention est essentiellement de simplifier ce type de dispositif capteur d'effort, et de le rendre aisément démontable et réparable. A cet effet, l'invention consiste essentiellement à grouper les mesures d'effort en réalisant un capteur d'effort sous la forme d'un module de mesure intercalé entre le système articulé générateur d'efforts et le plateau mobile porteur d'outils, et pouvant même constituer une partie de ce plateau ou le remplacer. Sur le plan de la réalisation, un tel dispositif peut encore se caractériser en ce que ledit module de mesure comporte un solide de flexion entre le générateur d'efforts et le plateau porteur d'outils, muni de moyens de mesure de déformation du solide de flexion, comme par exemple des jauges de contrainte disposées sur ce solide pour fournir les six composantes souhaitées, et en ce gu t un système de liaison est intercalé entre ledit solide de flexion et le générateur d'effort, ce système étant adapté à présenter de très grandes rigidités seulement dans les directions respectives de sensibilité desdites jauges de contrainte. Cette disposition générale de l'invention permet d'éviter de transmettre des efforts dans les directions pour lesquelles les jauges de contrainte ne sont pas sensibles, ce qui autrement nuirait à la qualité de la mesure. Cette notion sera mieux vue par la suite. De préférence, la conformation du solide de flexion et la disposition des jauges de contrainte sont déterminées pour que le dispositif soit sensible dans trois plans de mesure, d'orientations différentes mais parallèles à l'axe du dispositif. Il sera commode de prévoir en outre que lesdits plans de mesure sont tangents à un cylindre virtuel de révolution centré sur ledit axe du dispositif, etsont équiangulairement répartis à sa périphérie, à 120 l'un de l'autre, et que lesdites directions orthogonales sont, dans chaque plan de mesure, la direction parallèle audit axe du dispositif et la direction perpendiculaire à la précédente. Sur le plan de la réalisation, il sera encore commode de faire en sorte que ledit solide de flexion se présente sous la forme de trois barres de flexion en matériau métallique élastique disposées à 120' l'une de l'autre, lesdites jauges de contrainte étant disposées sur les faces latérales de ces barres et câblées en pont de mesure de telle sorte que chacune des barres comporte deux ponts respectivement sensibles dans l'une ou l'autre des deux directions orthogonales choisies. Quant au système de liaison intercalé entre le solide de flexion et le générateur d'efforts, il sera avantageusement constitué d'un ensemble de tiges de faible diamètre, à très grande rigidité longitudinale et à grande flexibilité autour de leur axe, ces tiges s étendant, deux à deux, dans des plans parallèles auxdits plans de mesure ou confondus avec ces derniers. Ces tiges pourront être constituées de cordes à piano ou analogues. Les efforts seront ainsi transmis suivant les deux degrés de liberté choisis pour effectuer les mesures, et pratiquement aucun effort ne sera transmis selon les quatre autres degrés de liberté, à savoir, dans le cas des trois barres de flexion mentionnées plus haut en -translation suivant les normales à ce qu'on a appelé les plans de mesure, et en rotation autour des trois axes d'un repère lié à chacune des barres. Un mode d'exécution-de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique en perspective montrant la disposition des trois plans de mesure par rapport à un solide de flexion - la figure 2 est une vue schématique en perspective montrant la disposition des jauges de contrainte sur les faces latérales des barres de flexion - la figure 3 est une vue schématique en perspective montrant la disposition des cordes à piano entre le générateur d'effort et les barres de flexion - la figure 4 est une vue de dessus montrant la réalisation d'un module capteur d'effort à six composantes conforme à l'invention ; ; - - la figure 5 est une vue en coupe du module selon la ligne V-V de la figure 4 - la figure 6 est une vue de face du module cet et - la figure 7. montre le schéma électrique d'un pont de mesure à quatre jauges de contrainte sensibles suivant l'une des deux directions d'un des plans de mesure. Sur la figure 1 on a schématisé en 1 un disque représentant ce que l'on a appelé plus haut le solide de flexion, et sur lequel seront donc effectuées les mesures des efforts transmis par le générateur d'effort au plateau porte-outils. Les plans de mesure ont été référencés P1, P2 et P3 et sont tangents à la périphérie de ce disque 1, en trois points 01, 02 et 03, équiangulairement espacés. Les axes xl, yi ; x2, y2 et x3, y3 désignent pour chaque plan de mesure les deux degrés de liberté selon lesquels- les efforts seront mesurés et donc devront être exclusivement transmis. Sur la figure 2 ainsi que sur la figure 3, les trois barres de flexion, qui font entre elles des angles de 120', ont été référencées 4 et les ponts de jauges de contrainte ont été schématisés en 5. On voit que ces jauges, qui sont collées sur les faces latérales 6 des barres, sont orientées de sorte à permettre une mesure des efforts à chaque fois dans les directions x1 et y1, X2 et y2, x3 et y3 définies plus haut. Le système de- liaison entre les extrémités de ces barres 4 et un plateau mobile 7 solidaire du générateur d'efforts (non représenté) est illustré schématiquement à la figure 3 Il comprend entre le plateau mobile 7 et l'extrémité de chaque barre de flexion 4 deux tiges de liaison de faible diamètre, par exemple des cordes à piano, référencées 8. Chaque paire de ces tiges s'étend dans un plan parallèle au plan de mesure correspondant tel qu'il a été défini plus haut. Ces tiges 8 sont inclinées dans ce plan, symétriquement ltune de l'autre par rapport à un plan médian passant par l'axe du dispositif.Leur raideur ne peut donc s'exercer que dans ce plan, de sorte que les efforts ne sont transmis, du générateur d'effort aux barres de flexion 4, sur lesquelles s'effectuent les mesures, que selon les deux degrés de liberté choisis, aucun effort, du fait de la flexibilité des tiges 8 autour de leur axe, ne pouvant s'exercer suivant les quatre autres degrés de liberté, ce qui garantit la précision des mesures. A titre d'exemple, l'effort maximal de compression sans flambage des cordes à piano est de 40 daN pour un diamètre de 1 mm. La pleine échelle de mesure des jauges de contrainte est de 30 daN, ce qui correspond à une déflexion des barres 4 de 0,1 mm. Un dispositif capteur d'efforts à six composantes conforme à l'invention est donc parfaitement viable en robotique à mouvements fins. Sur les figures 4 à 6, on a repris les mêmes références que sur la figure 3 pour désigner les mêmes organes'ou des organes analogues. La référence 7 désigne donc un plateau mobile supérieur en forme de cadre, en forme générale de triangle à angles coupés, ces angles portant chacun deux axes de rotule 9, permettant d'assurer la fixation du module à un support. Il pourra s'agir, dans le cas du poignet actif dont il a été parlé plus haut en tant que générateur d'effort, des extrémités des tiges de vérin de ce poignet. Sur les trois côtés de ce cadre sont fixés par ailleurs, à l'aide de boulons tels que 10 (figure 5) des pièces de fixation 11 pour les extrémités supérieures des cordes à piano 8. Le plateau inférieur du module est référencé globalement en 12 et comporte un noyau central 13 auquel pourra être fixée la pince ou l'outil commandé par le poignet actif. Sur ce noyau sont fixées, par des goupilles 15 à écarts angulaires constants, de 120', les queues 14 des trois barres de flexion 4, portant, en tant que capteurs d'effort, les jauges de contrainte 5. A l'extrémité extérieure de ces barres 14 sont fixées des pièces 16 aux méplats 17 desquels aboutissent les extrémités inférieures des cordes à piano 8. Un tel module conforme à l'invention est compact et léger et peut être de conception simplifiée par utilisation d'un assemblage de ses différentes pièces par collage. Ce module est facilement démontable, et donc aisément réparable. La figure 7 montre un schéma électrique possible pour l'amplification du signal fourni par un pont à quatre jauges R1, R2, R3 et R4 affecté à la mesure de lune des deux directions d'un plan de mesure. Il s'agit de jauges doubles, les jauges R1, R2 d'une part, R3, R4 d'autre part, étant collées sur deux faces opposées d'une meme barre de flexion. A titre d'eXemple, leur résistance est de 350 ohms et la tension d'alimentation Ve est de 6 V. REVENDICATIONS 1. Dispositif capteur d'effort à six compo-santes, notamment pour la robotique, destiné en particulier à mesurer les efforts transmis par un système articulé générateur d'efforts (poignet actif) à un plateau mobile porteur d'outils, pouvant avoir jusqu'à six degrés de liberté, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de mesure d'effort (5) selon six composantes, réalisé sous la forme d'un seul module de mesure intercalé entre le système articulé générateur d'effort et le plateau mobile porteur d'outils. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module de mesure comporte un solide de flexion (1) entre le générateur d'effort et le plateau (12) porteur d'outils, muni de moyens de mesure de déformation du solide de flexion mettant en oeuvre des jauges de contrainte (5) disposées sur ce solide (1) pour fournir les six composantes souhaitées, et en ce qu'un système de liaison est intercalé entre ledit solide de flexion (1) et le générateur effort, ce système étant adapté à présenter de très grandes rigidités seulement dans les directions respectives (x,y) de sensibilité desdits capteurs d'effort (5). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que sur ledit solide de flexion (4) lesdites jauges de contrainte (5), au nombre de douze, sont groupées deux par deux pour être sensibles respectivement dans trois plans de mesure (P1, P2, P3) d'orientations différentes mais parallèles à l'axe du dispositif, ces jauges de contrainte (5) étant disposées, dans chaque plan,.de sorte à etre sensibles dans deux directions orthogonales (x,y). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits plans de mesure (P1, P2, P3) sont tangents à un cylindre virtuel de révolution centré sur ledit axe du dispositif, et sont équiangulairement ré partis à sa périphé-rie, à 120 l'une l'autre. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdites directions orthogonales (x,y) sont, dans chaque plan de mesure, la direction (y-) parallèle audit axe du dispositif et la direction (x) perpendiculaire à la précédente. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit solide de flexion (1) se présente sous la forme de trois barres de flexion (4) disposées à 120 l'une de l'autre, lesdites -jauges de contrainte (5) étant connectées en pont sur les faces latérales de ces barres. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit système de liaison comporte un ensemble de tiges (8) de faible diamètre, à très grande rigidité longitudinale et à grande flexibilité autour de leur axe, ces tiges (8) s'étendant, deux à deux, dans des plans parallèles auxdits plans de mesure (P1, P2, P3) ou confondus avec ces derniers. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites tiges (8) sont constituées par des cordes à piano ou analogues. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que lesdites tiges (8) sont inclinées de sorte à transmettre chacune les efforts à la fois dans les directions x et y du plan de mesure considéré.