Brevet FR2638232A1 — publié le 19900427

SENSEUR TACTILE L'invention concerne un senseur tactile - permettant de mesurer les forces et/ou couples agissant dans différentes directions - équipé: * d'un dispositif de détection (25) déplaçable par rapport à un support en partant d'une position de point zero au moyen de pièces élastiques de torsion et de flexion sans hystérésis. * d'un équipement de mesure comportant plusieurs points de détection destiné & mesurer les différents mouvements de translation et de rotation du dispositif de détection (25) déplaçable par rapport au support (15) afin de recevoir des signaux de mesure selon la direction et l'amplitude du déplacement. Depuis longtemps, les robots sont des élements indispensables dans la fabrication industrielle. Les senseurs de forces (également appelés senseurs tactiles)sont notamment connus par la publication "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte", t.15, 1986, No.3, pages 120-125 et par la publication "Messen, Steuern, Regeln", Berlin 28, 1983, 1, pages 10-18. Ces senseurs tactiles servent à la détection de la relation, directe et dynamique, entre la main ou l'outil et l'objet. C'est surtout la commande du robot qui peut etre effectuée d'une manière très efficace, lorsque l'on peut mesurer, au moyen de senseurs les forces et couples, entre le bras du robot et sa main. Ces senseurs de forces et couples au niveau du poignet assurent la mesure des forces et couples en 6 degrés de liberté entre le bras et la main. Le senseur tactile mentionné dans les dernières publications présente une structure mécanique d'une pièce, comportant des parties auxquelles sont fixées des jauges de contrainte. Le rôle de ces jauges de contrainte est de fournir une mesure sans hystérésis des forces et des couples. L'un des inconvénients les plus importants de ces-senseurs tactiles bien connus est que leur construction et leur structure sont compliquées, et leur fabrication est donc plus coteuse et difficile. Le fait que leurs caractéristiques de conversion de signaux restent invariables, est un inconvénient. Les senseurs de force connus à ce jour ont soit une caractéristique "dur" soit une caractéristique "mou". Cette caractéristique ne peut etre modifiée après fabrication. Au mieux, il serait possible par le système lui-meme, par exemple en utilisant un seuil de force, de passer de "dur" à "mou". Mais meme dans ce cas, il n'est pas possible de varier les caractéristiques selon les différentes applications. Le but de l'invention est de surmonter les désavantages par rapport aux technologies actuelles et de créer un senseur offrant la possibilité de varier les caractéristiques, selon les besoins de chaque application. De plus, une fois qu'on a choisi une caractéristique, on peut en modifier facilement la courbe. Le problème est résolu en ce que le dispositif de détection (25) est distinct du support (15) et est suspendu au support (15) au moyen de plusieurs ressorts (21), les ressorts (21) pouvant être remplacés par des ressorts possédant une constante d'élasticité différente. De préférence: le dispositif de détection (25) est équipé d'une partie centrale (23) le reliant au support (15) au moyen des ressorts dont l'orientation est principalement radiale par rapport au support (15). - le dispositif de détection (25) c'est à dire sa partie centrale est suspendu, par 3 ressorts en forme d'étoile ou par 4 ressorts (21) croisés angulairement équidistants. - 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 mouvements de translation en 3 degrés de liberté. - 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 mouvements de rotation en 3 degrés de liberté. - au moins 12 points de détection (29) sont décalés, 2 par 2, par rapport au point zéro du dispositif de détection (25) afin de mesurer l'amplitude et la direction du mouvement du dispositif de détection, à partir du point de zero. - pour optimiser la précision, il existe 24 points de détection à double détection,(29),décalés les uns par rapport aux autres, afin de mesurer les mouvements de translation et de rotation. - les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes (31) qui s'y intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au support (15), et les diaphragmes sont fixées, de préférence, à la partie centrale (23). - les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes (31) qui s'intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au dispositif de détection (25) déplaçable, de préféerence à sa partie centrale (23) et les diaphragmes (31) étant fixées au support (15). Cette invention crèe un senseur d'une grande simplicité qui permet d'obtenir, selon l'application et le problème posé, la caractéristique désirée. Celle-ci peut, en particulier, etre de nouveau modifiée selon les besoins. Il suffit simplement de changer les ressorts pour avoir la caractéristique désirée. Dans la forme de réalisation choisie, les données mesurées sont captées par voie optique, ce qui assure une grande précision. Il est possible d'améliorer la précision, par la multiplication (pas obligatoire) des points de détection. Les possibilités de choix des caractéristiques de ce senseur tactile présentent des avantages, non seulement pour le guidage manuel de la pièce opératoire (dans ce cas, le robot asservit activement, à tous degrés de liberté, les mouvements du programmeur) mais aussi dans le cas d'une action, à force constante, sur une pièce (par exemple meuler ou ébarber etc...). Dans ce cas, on ne définit pas le réglage à la valeur 0 mais à la valeur préchoisie afin que le processus s'effectue, de meme manière que le travail manuel avec une force ou un couple constant, en fonction de la caractéristique optimale préchoisie. Ceci est impossible quand il s'agit d'un robot qui n'est pas équipé d'un tel senseur. L'invention est expliquée comme suit à l'aide d'un exemple de réalisation. Au dessin: Figure 1: Schéma de la boucle d'asservissement d'application du capteur forces-couples (objet de l'invention) pour la programmation et l'asservissement d'un robot; Figure 2: Schéma en coupe horizontale du capteur forces-couples; Figure 3: Schéma en coupe verticale suivant la ligne III-III de la Figure 2. Figure 1 montre schématiquement un robot (3) équipé de plusieurs axes et articulations. Une des articulations (4) est reproduite en haut du schéma. A l'extrémité de l'un des bras du robot (5) se trouve l'outil de préhension habituel (7). A l'endroit 9 (= point de référence = tool center point) o habituellement est fixé l'outil de préhension (7) démontable, on monte, d'abord, le capteur forces-couples (11) pour assurer la programmation. On y fixe ensuite l'outil de préhension (7). A l'aide du capteur forces-couples (11), le programmeur peut effectuer toutes modifications, de positionnement ou d'orientation, sur la pièce opératoire du robot. Le robot, en reconnaissant le changement de positionnement et d'orientation, entreprend l'asservissement, au moyen de son système (13), de telle manière que les forces et couples exercés par le programmeur sur la poignée de commande seront réglés à 0. La construction du capteur forces-couples (11) est décrite, comme suit, par les figures 2 et 3. Le capteur forces-couples (11) consiste en un cadre ou support (15), éventuellement avec une plaque en haut et une plaque en bas (17). La plaque du bas (17, voir figure 3) peut etre montée à l'extrémité du bras du robot (5), à l'endroit sus-mentionné, après avoir retiré l'outil de préhension(7). Cet outil peut etre fixé sur la plaque que l'on peut voir en haut de la figure 3. Le support, schématisé aux figures 2 et 3, approximativement carré, est équipé, à ses sommets, de piliers (19) auxquels sont fixés des ressorts croisés (21, voir figure 2 - position 0). Les ressorts (21), sous tension, qui sont fixés aux piliers (19) du support (15), tiennent la partie centrale (23) du dispositif de détection (25). Celui-ci supporte une poignée de commande de forme circulaire (voir figure 1). La partie centrale (23) est reliée par, au minimum, une tige de liaison (27). L'exemple de réalisation montre 2 éléments de liaison à angle droit (27) reliant la partie centrale à la poignée de commande. De plus, l'exemple de réalisation prévoit 12 points de mesure (29) sous forme de 12 cellules photoélectriques, capables de mesurer, indépendamment les uns des autres, 3 mouvements de translation ainsi que 3 mouvements de rotation. Autrement dit, la partie centrale (23) est suspendue, sans hystérésis (sans l'aide d'aucune articulation quelconque) par un système de 4 ressorts. Ses mouvements peuvent etre enregistrés, directement, à partir d'un point de départ milieu, au moyen des 12 cellules photoélectriques pré-citées. Ces dernières sont positionnées de telle manière que l'évaluation des signaux qu'elles émettent est assurée, d'une manière bien découplée, dans chaque dimension en translation et en rotation. La détection des signaux émis s'effectue analogiquement ou quasi- analogiquement. Il est donc possible de capter et de traiter les changements de position en tant que tels, le degré de ce changement et par là meme l'importance de la force. Dans un système de coordonnées cartésien, il faut fondamentale- ment prévoir 3 points de détection (29) afin de capter 3 modifi- cations de mouvement en translation, et prévoir 3 autres points de détection afin de capter 3 modifications de mouvement en rotation, c'est à dire 6 points de détection au total. Dans le présent mode de réalisation, l'agencement est tel que des diaphragmes (31) sont fixés aux endroits appropriés de la pièce centrale (23), celle-ci portant le dispositif de détection. En partant du point de zero, les diaphragmes (31) s'intercalent juste au milieu des cellules photoélectriques (voir figure 2 ou 3). Pour détecter, dans les 2 sens, les différents mouvements translation et de rotation ainsi que leurs directions, ce mode de réalisation nécessite 2 x 6 donc 12 points de détection, sous forme des cellules photoélectriques déjà mentionnées. En porter le nombre à 24, par exemple, permet d'assurer une mesure de plus grande précision. Les cellules photoélectriques utilisent notamment des diodes (LED) lumineuses ainsi que des résistances photoélectriques (LDR),voir respectivement figures 2 et 3 (réf.2), figures 1 et 2 (réf.1). Les résistances photoélectriques (1) à droite sur la figure 3 sont, en général plus rapprochées des diaphragmes (31). L'objectif de l'agencement est donc de permettre un ajustement. Les cellules photoélectriques fonctionnent au moyen des diaphragmes qui s'intercalent en cas de mouvement du dispositif de détection (25) à partir du point de zero, d'une manière plus ou moins importante, selon les changements de position entre les diodes (2) et les résistances photoélectriques (1), et un signal analogique se crée selon l'assombrissement. La commande quasi- analogique est également possible. Pour programmer le robot, le programmeur peut actionner la poignée de commande (25) et provoquer n'importe quel mouvement de la partie centrale (23) par rapport au support. Les données quant à la commande (13) du robot font que les forces et couples seront réglés, pour tous les degrés de liberté, à O, jusqu'à ce que la partie centrale (23) et avec elle le dispositif de détection (25) atteignent le point zero, c'est à dire le point neutre (voir figures 2 et 3). Grace à l'emplacement des ressorts (21) la constante des ressorts reste approximativement égale, indépendamment des mouvements de déviation de la partie centrale(23). A l'horizontale du plan, on peut éventuellement prévoir d'autres ressorts. Ceci modifierait la hauteur de l'agencement, mais n'est pas nécessaire car les mouvements peu importants entrainent une constante de ressort plus faible et les mouvements plus grands une constante plus importante. Lors de mouvements plus importants, les valeurs constatées sont toute aussi importantes ce qui assure une caractéristique de ressorts quasi-sphérique dans sa symétrie. On peut aussi prévoir seulement 3 ou plusieurs ressorts (21) équidistants pour suspendre le dispositif de détection (25). Après la programmation et après le retrait du capteur forces- couples (11) il suffit simplement de corriger l'influence de la hauteur du capteur forces-couples (11) au niveau de la commande centrale puisque l'outil de préhension (7) sera directement monté à l'extrémité du bras. Il serait aussi possible d'installer une pièce géométriquement identique au capteur forces-couples. Le capteur forces-couples (11) décrit cidessus peut également etre utilisé pour tous mouvement à force et couple constant, par ex. pour limer, meuler ou débavurer et pour d'autres travaux, des procédures d'insertion en cas de précision amoindrie du positionnement des pièces. Dans les cas o des forces ou couples doivent etre mesurés ou sensés par le capteur. A la différence du mode de réalisation présenté ci-dessus, on a enlevé la poignée de commande de forme circulaire et on l'a remplacée par une fixation pour l'outil de préhension. On régle, dans ce cas, non plus à une valeur O mais à une valeur préchoisie. On reproduit ainsi,selon une valeur de consigne préchoisie, un vecteur de force ou couple souhaité pendant le traitement. On peut établir quantitativement la plage force- couple à partir du choix des constantes de ressort ce qui permet d'effectuer une adaptation selon les besoins au moyen de ces ressorts facilement interchangeables. La procédure de mesure s'effectue, dans ce mode de réalisation, par les cellules photoélectriques, mais d'autres procédures de mesure sont également possibles, permettant de capter et de mesurer, au niveau des points de détection (29), de manière inductive ou capacitive. Revendications 1.Senseur tactile: - permettant de mesurer les forces et/ou couples agissant dans différentes directions - équipé: * d'un dispositif de détection (25) déplaçable par rapport à un support en partant d'une position de point zero au moyen de pièces élastiques de torsion et de flexion sans hystérésis. * d'un équipement de mesure comportant plusieurs points de détection destiné à mesurer les différents mouvements de translation et de rotation du dispositif de détection (25) déplaçable par rapport au support (15) afin de recevoir des signaux de mesure selon la direction et l'amplitude du déplacement. caractérisé en ce que: le dispositif de détection (25) est distinct du support (15) et est suspendu au support (15) au moyen de plusieurs ressorts (21), les ressorts (21) pouvant etre remplacés par des ressorts possédant une constante d'élasticité différente. 2. Senseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que: le dispositif de détection (25) est équipé d'une partie centrale (23) le reliant au support (15) au moyen des ressorts dont 2.l'orientation est principalement radiale par rapport au support (15). 3. Senseur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par le fait que: le dispositif de détection (25) c'est à dire sa partie centrale,est suspendu, par 3 ressorts en forme d'étoile ou par 4 ressorts (21) croisés angulairement équidistants. 4. Senseur selon l'une des revendications 1 3 caractérsé par le fait que: 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 mouvements de translation en 3 degrés de liberté. 5. Senseur selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que: 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 mouvements de rotation en 3 degrés de liberté. 6. Senseur selon revendication 4 et 5 caractérisé par le fait que: au moins 12 points de détection (29) sont décalés, 2 par 2, par rapport au point zéro du dispositif de détection (25) afin de mesurer l'amplitude et la direction du mouvement du dispositif de détection, à partir du point de zero. 7. Senseur selon l'une des revendications 4, 5 ou 6 caractérisé par le fait que: pour optimiser la précision, il existe 24 points de détection à double détection,(29),décalés les uns par rapport aux autres, afin de mesurer les mouvements de translation et de rotation. 8. Senseur selon l'une des revendications 1. à 7. caractérisé par le fait que: les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes.(31) qui s'y intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au support (15), et les diaphragmes sont fixées, de préférence, à la partie centrale (23). 9. Senseur selon l'une des revendications entre 1. & 7. caractérisé par le fait que: les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes (31) qui s'intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au dispositif de détection (25) déplaçable, de préference à sa partie centrale (23) et les diaphragmes (31) étant fixées au support (15).