Brevet FR2643987A1 — publié le 19900907

DISPOSITIF DE BALAYAGE DE L'ESPACE ENVIRONNANT POUR UN CAPTEUR SENSIBLE A UN OBJET A DETECTER DESCRIPTION L'invention se rapporte å un dispositif de balayage de L'espace environnant pour un capteur sensible å un objet å detecter tel qu'un capteur å faisceau de detection directif ou un capteur purement récepteur. On desire fréquemment détecter l'approche d'une zone sensible par un objet ou un être vivant pour protéger le contenu de cette zone ou au contraire L'être vivant qui s'approche. L'invention a ainsi pour origine la necessite d'interrompre le fonctionnement d'un robot manipulateur d'objets quand un individu arrive å portee du bras mobile, quoiqu'elle puisse bien entendu servir å d'autres applications. La protection peut être assuree par des barrières mécaniques ou optiques qui ne sont toutefois pas forcément fiables et sont peu pratiques pour peu que la zone sensible soit entouree d'un large périmètre d'acces. On a également développé un systeme qui comprend notamment une armature sensible sur le robot et qui detecte les variations de capacite électrique provoquées par L'approche d'un objet pour arreter Le robot. Ce système n'a qu'une portee de vingt cent i- mètres et ne distingue pas un etre vivant d'un objet inanimé, ce qui est pourtant indispensable avec un robot manipulateur-. On pourrait empLoyer des capteurs émissifs ou récepteurs pour embrasser tout l'espace environnant, mais leur nombre devrait etre élevé puisque les capteurs connus ont un faisceau d'émission å faible angle d'ouverture ou un faible angle de reception. Un objectif essentiel de l'invention est de fournir un dispositif de balayage de construction simple pour effectuer des détections sur des angles solides importants environnants, et ceci avec un nombre réduit de capteurs. D'autres objectifs consistent à optimiser les conditions géométriques et cinematiques de balayage pour rendre celui-ci efficace et à choisir des composants technologiques compatibles avec ces conditions. Sous sa forme générale, L'invention concerne donc un dispositif de balayage pour au moins un capteur récepteur d'une énergie provenan-t d'un corps à détecter, caractérisé en ce qu'il comprend une bande de roulement conique, une pièce de roulement de Laquelle les capteurs sont solidaires, roulant sur La bande de roulement et en forme généra Le de cône, et un axe d'entraînement mO par un moteur et qui déplace La pièce de roulement le Long de la bande de roulement, L'axe d'entraînement s'etendant suivant L'axe geo- métrique du cône et le sommet du cône etant situé dans une zone centrale entourée par La bande de rouLement, les capteurs étant orientés vers l'extérieur de la zone centraLe. La bande de roulement conique peut avantageusement etre ramenée au cas particulier d'un plan dans Lequel Le sommet de La pièce de roulement conique est fixe. L'axe d'entrainement est alors Lié à un arbre moteur pivotant par L'intermédiaire d'un coude situé au sommet du cône. Dans cette conception, L'axe d'entratnement et la pièce de roulement sont animés d'un pivotement relatif. La pièce de roulement est avantageusement munie d'un support d'extension générale sensiblement perpendiculaire à L'axe du cône et aux extrémites duquel sont fixes les capteurs. Ce support peut traverser le plan de la bande de roulement pour permettre de scruter un espace plus large. Lorsque la pièce de roulement et l'axe d'en tranement sont animés d'un pivotement relatif, l'ali- mentation électrique des capteurs peut être effectuée par des cibles pressentant des parties mobiles entre elles. Ces parties sont connectées å l'aide de contacts tournants. Cette disposition n'est cependant guère concevable pour recueillir les informations des capteurs, qui sont de faible intensite et necessitent un traitement plus soigne.On prevoit alors un système de transmission d'informations de detection reçues par les capteurs caracterise par des moyens associes aux capteurs pour convertir les informations en ondes lumineuses, les ondes lumineuses associées å chaque capteur pressentant une caracteristique optique modulee différemment, un ensemble de fibres optiques solidaires de la pièce de roulement et s'étendant entre un moyen de conversion respectif et un accouplement optique unique situe devant une extrémité de L'axe d'entraSne- ment, l'accouplement optique pouvant être muni d'une lentille pour superposer les differentes ondes lumineuses, ainsi que par une fibre optique unique au moins partiellement contenue dans L'axe d'entratnement et s'étendant entre t'accouplement optique et des moyens d'exploitation. Ces moyens d'exploitation permettent notamment de separer Les ondes Lumineuses ayant passe par La fibre optique unique. S'il n'y a qu'un seul capteur, ce système peut être construit plus simplement car il n'y a alors pas besoin de moyens de superposition puis de séparation des ondes. On va maintenant décrire plus en détail L'invention å L'aide des figures suivantes dont l'énumération suit et qui sont annexées à titre illustratif et nullement Limitatif - la figure 1 représente une utilisation possible de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement le détail mécanique d'une réalisation ; - la figure 3 représente un agrandissement partiel de la figure 2 ; - les figures 4 et 5 sont deux schémas de représentation des connexions optiques pour recueillir et expLoiter tes informations provenant des capteurs ; - la figure 6 détaille la constitution des capteurs ; et - la figure 7 illustre l'allure des balayages obtenus. La figure 1 montre que Le dispositif 1 porteur des capteurs peut être situé au-dessus d'une colonne 2 établie près d'un bras de robot 3 monte comme la colonne 2 sur un châssis 4 éventuellement déplaçable. Les déplacements de -grande amplitude du bras 3 rendraient périlleuse l'approche d'une personne non informée. Le dispositif 1, détaillé sur Les figures 2 et 3, est fixé au sommet de La coLonne 2 par une semelle 7 et par des vis 8 au sommet de La colonne 2. La face inférieure de la semelle 7 est creusée de Logement s 8 pour des écrous 10 engagés sur des extrémités inférieures filetées de quatre tirants verticaux 11, dont deux apparaissent sur Le dessin et qui sont situes aux coins d'un carré. Les tirants Il maintiennent une platine inférieure 15 et une platine supérieure 16 horizontales au moyen d'une entretoise inférieure 13 entre La semelle 7 et la platine inférieure 15 et d'une entretoise supérieure 14 entre tes deux platines 15 et 16. Des écrous supérieurs 12 engagés sur les extrémités supérieures des tirants 11 réalisent un serrage d'ensembLe. La face supérieure de la platine superieure 16 est pourvue d'une empreinte de reception d'une couronne dentee 17 dont les dents sont dirigées vers le haut. Un pignon conique 18 engrène avec la couronne dentée 17 ; le sommet S du cône C defini par sa denture est un point situe au centre géométrique de la couronne 17 et immobile lors des roulements du pignon 18. Un axe d'entrainement 19 étendant obliquement suivant L'axe géométrique A du c5ne C entrasse le pignon 18. Il est relie par une liaison à coude 20 å un arbre moteur vertical 21 passant au travers des platines 15 et 16. Cet arbre moteur 21 est actionne par un moteur électrique 23 visse sur la platine inférieure 15 par L'intermédiaire d'engrenages réducteurs. L'arbre moteur 21 pivote ainsi autour de lui-meme et fait tournoyer L'axe d'entrainement 19 å la meme vitesse de rotation mais sans Le faire pivoter. Des paliers lisses 24 sont donc disposés entre l'axe d'entraînement 19 et Le pignon 18 pour leur permettre un pivotement relatif. Un support 26 est fixe au pignon 18 å l'opposé du sommet S par un manchon 25. Le support 26 est à peu pres plan et a une extension perpendiculaire å L'axe A du cône C ; il peut être un volant ou un ensemble de rayons dont chaque extrémité périphérique porte un capteur. Dans la realisation representee, un rebord conique 27 complète le support 26 pour donner aux faisceaux F des capteurs, référencés par 28 et dont L'axe passe par le sommet S, des orientations d'émission divergentes. Les capteurs 28 sont en nombre quelconque : deux apparaissent sur la figure mais un seul pourrait suffire, et on peut par contre en utiliser quatre par exemple, en fonction des imperatifs de detection.IL est cependant avantageux que l'ensemble roulant forme par Le pignon 18, le manchon 25, Le support 26 et les pièces portées par le support 26 soit équilibré en rotation autour de L'axe d'entrai- nement 19. Le support 26 est assez étendu pour qu'il dépasse le niveau de la couronne dentee 17 et de la platine supérieure 16 et se prolonge partieLLement au-dessous d'elles. L'espace environnant scruté, qui depend de L'angle ü délimité par les emplacements des capteurs 28 sur Le support 26 vus du sommet S, est ainsi accru. Sur La réalisation représen-tée, ou U = 1200, chaque capteur 28 balaye successivement toutes les directions faisant un angle inférieur ou égal à 1200 avec la verticale ascendante V. Les informations électriques de détection reçues par Les capteurs 28 sont converties en informations optiques par un circuit intégré de conversion 29 respectif à photodiode. Les circuits de conversion 29 sont reliés au capteur 28 associe par une Ligne électrique 30 et à un coup Leur optique 31 unique par une fibre optique 32. Le coup Leur optique 31 est situe devant L'extrémité 33 de L'axe d'entrainement 19 opposée au sommet S. Il est compose d'une première partie 34 Liée à L'axe d'entrainement 19 et d'une seconde partie 35 liée au support 26 par L'intermédiaire d'armatures 36, ces deux parties venant face à face. Les fibres optiques 32 sont courbees dans La seconde partie 35 de sorte que leurs extremités sont pratiquement coaxiales å L'axe A, et transmettent (voir aussi les figures 3 et 4) Les ondes lumineuses les parcourant -vers La première partie 34 du coupleur optique 31,-qui contient une LentilLe 37 qui superpose ces ondes Lumineuses et Les focalise vers une fibre optique unique 38 disposée suivant L'axe A dans L'axe d'entraSnement 19 et qui se prolonge dans L'arbre moteur 21 avant d'aboutir à un phototransistor 39. L'onde électrique delivree par le phototransistor 39 en fonction de L'onde lumineuse reçue passe dans des canaux 40 -en nombre egal aux capteurs 28- sur chacun desquels est installe un filtre 41 et des demodulateurs 42. Les informations passent ensuite dans un système d'exploitation unique 43 qui peut prendre des formes diverses pour par exemple commander L'arrêt du robot 3 des qu'une detection a ete effectuée ou donner L'alarme. Tout cet ensemble de pièces est contenu dans un bottier 44 visse å la platine inferieure 15. Cette transmission originale est rendue nécessaire å cause des pièces pivotant entre elles et de la faible intensite des signaux issus des capteurs 28, qui interdit des transmissions purement électriques. Pour pouvoir distinguer les unes des autres les informations des capteurs, les circuits de conversion 29 ne sont pas absolument identiques et comprennent en outre un modulateur de fréquence. On obtient ainsi, parcourant Les fibres optiques 32, des ondes Lumineuses dont une caractéristique optique est oodulee différemment. Dans le cas de quatre capteurs 28, on peut moduler dans quatre bandes entre 2 et 3 KHz, 5 et 6 KHz, 10 et 11 KHz et 20 et 22 KHz. Les filtres 41 ont bien entendu des bandes passantes differentes et ajustées sur ces bandes de moduLation. Les informations provenant de chaque capteur 28 isole sont donc reconstituées. La figure 5 représente un système d'exploitation Légèrement différent dans lequel on utilise des circuits de conversion 29' composes d'un modulateur de fréquence identique et de photodiodes qui produisent des ondes Lumineuses de longueurs d'onde différentes. La superposition des ondes lumineuses a lieu comme précédemment dans la fibre unique 38 qui aboutit cette fois-ci, au Lieu d'un phototransistor 39, à un second coupLeur optique 39' qui repartit L'onde lumineuse en canaux 40' qui sont donc ici des fibres optiques. Chaque canal 40t aboutit à un filtre optique 41' qui selectionne une Longueur d'onde associee à un circuit de conversion 29' et à un capteur 28 déterminés, apres quoi L'onde filtrée aboutit à un phototransistor 44 qui la transforme en onde électrique. Cette onde passe comme précédemment dans un démodulateur 42 puis dans un système d'exploitation commun 43. Cette réalisation est techniquement aussi viable que la précédente mais on peut cependant lui reprocher d'entre un peu plus compliquée. La figure 3 illustre egalenent un systeme intéressant d'alimentation électrique des capteurs 28. Deux câbles d'atimentation 50 partent d'une source d'alimentation 51 et traversent une couronne 52 fixée à la platine superieure 16 par deux ouvertures 53 et 54 decalées en hauteur. Chaque câble 50 se termine par un balai 55 qui frotte sur une bague conductrice respective 56 et 57. Les bagues conductrices 56 et 57 sont portees par une bague porteuse 58 en pLastique collée autour de l'arbre moteur 21, qui est creux et contient deux cables de connexions électriques 59 dont l'extrémité inférieure traverse des trous 60 de l'arbre moteur 21 et est soudee à une bague conductrice respective 56 et 57. L'autre extrémité des cables de connexion 59 aboutit à un systeme à bagues exactement sembLable. On retrouve une autre couronne 62 fixée au support 26 et pourvue de deux ouvertures décalées en hauteur 63 et 64 par Lesquelles passent les balais 65 de deux câbles d'alimentation 66 électriques qui se ramifient ensuite en autant de branches que de capteurs 28 pour alimenter ceux-ci. La position angulaire de L'arbre moteur 21, et indirectement celle du support 26 et des capteurs 28, quand une détection a lieu, sera détectée par un capteur angulaire de position 68 placé devant l'extrémité inférieure d'un bout d'arbre moteur 67, au-dessous du bottier 44 (figure 2). On peut donc en déduire la direction de l'objet détecté. La constitution et le fonctionnement des capteurs 28 sont détaillés sur la figure 6. Chacun d'eux contient une diode électroluminescente en infrarouge 75 å laquelLe aboutissent les câbles d'alimentation 66 ainsi qu'une barrette PSD 76 å Laquelle aboutit le cible 30. Les lentilles 77 et 78 sont respectivement placées devant elles aux distances focales F1 et F2. Lorsque le faisceau F émis par la diode électroluminescente 75 atteint un corps C å détecteur, une partie de sa Lumière est diffuse suivant un faisceau de retour F' vers La Lentille 78 et concentrée par celle-ci en un point unique P de la barrette PSD 76, dont la propriété est de délivrer un courant électrique proportionnel å la distance h entre ce point P et le point médian M de la barrette. On peut donc déterminer la distance D du corps C au capteur 28 par La relation B. F2 h où B est La distance entre le point médian M et le point d'émission Lumineuse de la diode électrolumines cent e 75.Si on veut effectuer par exemple des mesures entre 0,3 m et 3 m avec une barrette PSD 76 dont la Longueur utile est de 3 mm, on peut choisir F2 = 30 mm et B = 33 mm. La distance focale Fl de la lentille 77 est choisie de manière que le faisceau F soit quasi parallèle, avec un angle d'ouverture de 100 environ. D'autres capteurs peuvent bien entendu etre proposés. On peut utiliser, en juxtaposition avec un capteur télémétrique emetteur d'un faisceau directif tel que celui décrit, ou en remplacement de ce capteur, un capteur infrarouge passif, purement récepteur, sensible au rayonnement émis par le corps humain. Cette disposition permet de distinguer L'approche d'un être humain de celle, par exemple, d'un objet saisi normalement par le robot. La trajectoire parcourue par Les capteurs 28, représentée sur La figure 7, a L'aspect d'une trochoide mais est inscrite dans une sphère. Avec une cinématique appropriée, on peut obtenir une trajectoire qui se referme ou se reboucle après qu'un nombre suffisant de balayages T a été effectué sur la sphère. On peut considérer qu'un nombre suffisant est celui pour Lequel Le faisceau F est braqué dans toutes les directions de L'espace environnant sans laisser de -zones d'ombre. Les solutions admissibles sont nombreuses et dépendent essentielLe- ment des conditions géométriques. Avec un faisceau F d'angle d'ouverture de 100, un support 26 d'angle d'ouverture u = 1200, un cône C d'angle d'ouverture de 600, le support 26 étant tangent à L'axe de l'arbre moteur 21 et les faisceaux F des capteurs 28 ayant une direction médiane dirigée vers les sommets S, le pignon 18 peut avoir trente-cinq dents et la couronne dentée 17 soixante-douze dents. D'une manière générale, il est recherché, pour balayer tout l'espace, que deux passages successifs du faisceau dans un plan horizontal soient décalés d'un angle au plus égal à L'angle d'ouverture de ce faisceau. L'invention peut bien entendu etre mise en forme de bien d'autres manières. Les capteurs décrits, qui fonctionnent suivant Le principe de la télémétrie, peuvent etre remplacés pour certaines applications par des capteurs proximétriques qui évaluent la distance du corps C par l'intensité lumineuse reçue. Les différents capteurs de présence montés sur le support 26 peuvent parcourir soit des trajectoires différentes soit la meme trajectoire. Dans ce dernier cas, ils fournissent des informations redondantes qui permettent d'éviter les alarmes intempestives qui seraient dues à la defaillance d'un capteur isolé. Toujours afin d'obtenir une redondance, le capteur peut etre branche au système d'alarme ou d'arret en parallèle avec un autre detecteur de pre- sence tel qu'un tapis à maillage sensible formé de conduits électriques, optiques ou pneumatiques. Enfin, il est techniquement possible de construire des équivalents miniaturisés des réalisations decrites qui tiennent dans un cube de volume réduit. Un capteur aussi peu encombrant et léger pourrait etre installé sur Le poignet du robot pour ne scruter que l'espace environnant immédiatement la zone dangereuse. De cette façon, en embarquant un ou des capteurs de présence (par exemple basés sur une technologie infrarouge) et un ou des capteurs de Localisation (par exemple bases sur un principe de telémetrie), on est en mesure de suivre la présence de l'opérateur et de n'arreter le robot qu'en cas de risque de collision imminente. REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage pour au moins un capteur (28) récepteur d'une énergie provenant d'un corps à détecter (C), caractérisé en ce qu'il comprend une bande de roulement conique (17), une pièce de roulement (18) de laquelle les capteurs (28) sont solidaires, roulant sur la bande de roulement et en forme générale de cône (C), un axe d'entrainement (19) mt par un moteur (23) et qui déplace La pièce de roulement (18 > le Long de la bande de roulement (17), L'axe d'entrainement (19) s'étendant suivant L'axe géométrique (A) du cône (C) et le sommet (S) du cône étant situé dans une zone centrale entourée par la bande de roulement, les capteurs (28) étant orientés vers l'extérieur de la zone centrale. 2. Dispositif de balayage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que La bande de roulement s'étend dans un plan, le sommet du cône étant situé dans ce plan. 3. Dispositif de balayage suivant L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que L'axe d'entrainement (19) est lié à un arbre moteur (21) pivotant par un coude (20) situe au sommet (S) du cône (C) et pivote par rapport à la pièce de roulement (18). 4. Dispositif de balayage suivant L'une quelconque des revendications t à 3, caractérisé en ce que les capteurs (28) sont fixés à un support (26) Lui-méme fixé à La pièce de roulement (18), Le support (26) s'étendant dans une direction sensiblement perpendiculaire à L'axe (A > du cane. 5. Dispositif de balayage suivant Les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le support traverse le plan de la bande de roulement. 6. Dispositif de balayage suivant l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérise en ce que la pièce de roulement (18), le support (26) et les capteurs (28) sont équilibrés en rotation autour de l'axe d'entralnement (19). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 å 6, caracterise en ce que la bande de roulement (17) est pourvue d'une couronne dentee et La pièce de roulement (18) d'un pignon qui s'engrènent. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 å 7, oû La pièce de roulement et l'axe d'entralnement sont animes d'un pivotement relatif, caractérisé en ce qu'il comprend un système de transmission d'informations de detection reçues par Les capteurs (28), ce système comprenant des moyens (29) pour convertir les informations en ondes lumineuses, les ondes lumineuses associees å chaque capteur (28) présentant une caracteristique optique modulée différemment, un ensemble de fibres optiques (32) solidaires de la pièce de roulement (18, 26) et s'étendant entre un capteur respectif (28) et un accoupLement optique unique (31) situe devant une extrémité (33) de L'axe d'entralnement (19), l'accouplement optique etant muni d'une lentille (37) pour superposer les différentes ondes lumineuses, ainsi qu'une fibre optique unique (38 > , au moins partiellement contenue dans L'axe d'cntratnement (19), s'étendant entre l'accouplement optique (31) et des moyens d'exploitation (39, 43). 9. Dispositif suivant L'une quelconque des revendications 1 å 7, où la pièce de roulement et L'axe d'entralnement sont animes d'un pivotement relatif, comprenant un seul capteur (28), caractérisé en ce qu'il comprend un systeme de transmission d'informations de détection reçues par le capteur, ce système comprenant un moyen (29) pour convertir Les informations en ondes Lumineuses, une fibre optique (32) solidaire de la pièce de roulement (18) et s'étendant entre le capteur (28) et un accouplement optique (31) situé devant une extrémité (33) de L'axe d'entraî- nement (19), ainsi qu'une autre fibre optique (38) s'étendant entre l'accouplement optique (31) et des moyens d'exploitation (39, 43). 10. Dispositif de balayage suivant L'une quelconque des revendications 1 å 9, où la piece de roulement et l'axe d'entraînement sont animés d'un pivotement relatif, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'alimentation électrique des capteurs (28) constitué de cibles (50, 59, 66) s'étendant entre une source électrique et un capteur, Les câbles étant constitués d'une première partie (59) au moins partiellement contenue dans l'axe d'entrainement (19) et d'autres parties (50, 66) solidaires d'autres pièces du dispositif (15, 18) et de connexions entre la première partie des câbles et les autres parties, Les connexions étant composées d'une bague conductrice (56, 57) reliée à une partie du câble et d'un balai (55) frottant sur la bague et relié à une autre partie. 11. Dispositif de balayage suivant L'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les capteurs de détection sont des capteurs infrarouges passifs sensibles au rayonnement du corps humain. 12. Dispositif de balayage suivant L'une quelconque des revendications 1 à 0, caractérisé en ce que les capteurs (28) émettent un faisceau (F) directif d'énergie, l'énergie provenant du corps à detecter (C) correspondant à de L'énergie du faisceau (F) réfléchie ou diffusee par ce corps (C). 13. Dispositif de balayage suivant l'une quelconque des revendications 1 å 12, caracterise en ce qu'il comprend un moyen de mesure (68) des deplacements de La piece de roulement.