Brevet FR2693397A1 — publié le 19940114

DISPOSITIF DE RETOUR D'INFORMATION SENSORIELLE REPRESENTATIVE DE L'EFFORT EXERCE SUR UN TELEMANIPULATEUR PAR SON UTILISATEUR. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif permettant de fournir à l'utilisateur d'un télémanipulateur, tel qu'un télémanipulateur maître-esclave mécanique, une information sensorielle représentative de l'effort qu'il exerce sur la poignée du télémanipulateur lors de llexé- cution d'une tâche. Lorsque les produits manipulés et/ou l'atmosphère environnante sont dangereuses et interdisent l'intervention directe d'un opérateur, comme c'est notamment le cas dans l'industrie nucléaire, on utilise depuis de nombreuses années des télémanipulateurs permettant à l'opérateur d'effectuer les tâches requises à distance. La majeure partie des télémanipulateurs utilisés à cet effet sont des télémanipulateurs maître-esclave mécaniques, qui comportent un bras maître équipé d'une poignée de commande sur laquelle agit l'opérateur, ainsi qu'un bras esclave relié mécaniquement au bras maître et placé à l'intérieur d'une cellule de confinement dans laquelle se trouvent les produits ou les objets à manipuler. Le bras esclave est terminé par une pince qui peut être actionnée, orientée et déplacée par l'opérateur agissant sur la poignée de commande. Compte tenu des conditions particulières qui règnent à l'intérieur des cellules de confinement, notamment dans l'industrie nucléaire, les télémanipulateurs qui équipent ces cellules lors de leur réalisation restent généralement opérationnels pendant de nombreuses années. Cependant, les activités développées à l'intérieur d'une cellule déterminée peuvent évoluer de façon importante au fil des années. I1 peut donc arriver que des télémanipulateurs équipant une cellule de confinement deviennent partiellement inadaptés aux tâches qui doivent être accomplies à l'intérieur de ces cellules. Cette inadaptation peut concerner, par exemple, le poids de certains des objets à transporter et/ou l'emplacement de la zone dans laquelle certaines tâches doivent être effectuées, qui n'est plus adapté à la zone de préhension normale des télémanipulateurs. Dans ces situations dégradées, les opérateurs doivent s'adapter et prendre en compte, en agissant sur le télémanipulateur, le fait que la situation présente ne correspond plus à la situation pour laquelle le télémanipulateur a été implanté sur la cellule. Par ailleurs, la qualité souvent modeste des informations sensorielles de retour provenant à l'opérateur, soit visuelles, correspondant à l'observation à travers un hublot de la tâche en cours, soit tactiles, correspondant à la résistance exercée, par exemple, par les objets à déplacer, impose à l'opérateur une attention particulièrement soutenue qui a pour effet d'accroître sa fatigue et son stress émotionnel. Cependant, cette adaptation peut être difficile et peut conduire à la casse de certaines pièces sensibles des télémanipulateurs.Des interventions de maintenance, parfois rapprochées, peuvent alors conduire à une réduction sensible du taux d'utilisation de certaines cellules de confinement. Cela a pour conséquence un coût de maintenance élevé et, éventuellement, une baisse de rendement d'une installation présente dans la cellule ainsi qu'une perturbation non négligeable pour l'opérateur qui est alors brutalement stoppé lors de la réalisation d'une tâche souvent délicate. L'invention a précisément pour objet un dispositif prévu pour être associé à un télémanipulateur, afin de fournir à son utilisateur une information sensorielle représentative de l'effort qu'il exerce sur la poignée du télémanipulateur, afin que cet utilisateur puisse modifier ou stopper son action avant toute casse du matériel, de façon à réduire le coût de maintenance, à augmenter le taux d'utilisation de la cellule et à améliorer les conditions de travail. Conformément à 1 invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif de retour sensoriel pour fournir à l'utilisateur d'un télémanipulateur une information sensorielle représentative de l'effort qu'il exerce sur la poignée du télémanipulateur, caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens de détection et de mesure de l'effort appli qué sur la poignée - des moyens d'information aptes à émettre un signal sen sible qui varie selon l'effort mesuré par les moyens de détection et de mesure. De préférence, le signal sensible délivré par les moyens d'information présente une fréquence, avantageusement réglable, qui varie selon l'effort mesuré par les moyens de détection et de mesure. Pour éviter que le signal sensible ne soit émis en permanence, les moyens d'information comprennent avantageusement des moyens permettant de comparer l'effort mesuré avec un seuil d'effort prédéterminé, de façon à n'émettre le signal sensible que lorsque l'effort mesuré dépasse ce seuil prédéterminé, de préférence réglable. Le signal sensible est de préférence un signal sonore, l'ouïe présentant l'avantage de fonctionner sur un mode passif et d'être très peu sollicitée en téléintervention. On peut toutefois envisager de laisser le choix à l'opérateur entre un signal sonore et un signal visuel, et même de lui permettre de disposer simultanément de ces deux signaux. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de détection et de mesure comprennent un capteur d'efforts qui est placé entre la poignée et la genouillère du bras maître du télémanipulateur. Ce capteur d'efforts peut notamment comprendre trois ponts de jauges extensométriques, placées symétriquement sur un corps tubulaire, de façon à mesurer les composantes du moment résultant de l'effort exercé sur la poignée, selon trois directions orthogonales. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue de côté représentant schématiquement un télémanipulateur maître-esclave mécanique équipé d'un dispositif de retour sensoriel conforme à l'invention - la figure 2 est une vue de côté illustrant, en perspective et à plus grande échelle, l'implantation d'un capteur d'efforts utilisé dans le dispositif selon l'invention, entre la poignée et la genouillère du bras maître du télémanipulateur de la figure 1 - la figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, illustrant schématiquement à plus grande échelle l'implantation des jauges extensométriques du capteur d'efforts de la figure 2 ; et - la figure 4 est un diagramme qui illustre schématiquement l'ensemble du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté de façon très schématique un télémanipulateur maître-esclave mécanique permettant à un opérateur situé à l'extérieur d'une cellule de confinement 10 d'effectuer un certain nombre de tâches à l'intérieur de cette cellule. Il est à noter que, si le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour être associé à un télémanipulateur de ce type, il peut aussi être associé à des télémanipulateurs de type différent, tels que des télémanipulateurs maître-esclave électroniques. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, le télémanipulateur comprend un bras maître télescopique 12 et un bras esclave télescopique 14 reliés entre eux par un fût 16, d'axe horizontal, qui traverse de façon étanche la paroi 18 de la cellule de confinement 10. Cependant, le dispositif selon l'invention pourrait également être associé à un télémanipulateur dont le bras maître et le bras esclave sont des bras articulés. De façon plus précise, dans le télémanipulateur illustré à titre d'exemple sur la figure 1, le fût 16 est monté dans la paroi 18 de façon à pouvoir tourner autour de son axe horizontal dans la paroi 18 et il supporte à ses extrémités le bras maître 12 et le bras esclave 14 par des articulations d'épaules 20 et 22, respectivement. Les extrémités opposées du bras maître 12 et du bras esclave 14 sont terminées par des genouillères 24 et 26 qui supportent respectivement une poignée de commande 28 et une pince de préhension 30. Afin que l'opérateur du télémanipulateur puisse disposer d'une vision suffisante pour effectuer la tâche dont il est chargé, un hublot 32 est généralement formé dans la paroi 18, en dessous du fût 16. Le cas échéant, l'opérateur peut également disposer d'un écran de télévision diffusant une image vidéo en provenance d'une caméra placée à l'intérieur de la cellule de confinement. Conformément à l'invention, le télémanipulateur illustré à titre d'exemple sur la figure 1 est équipé d'un dispositif de retour sensoriel, qui permet de fournir à son utilisateur, en temps réel, une information sensorielle représentative de l'effort qu'il exerce sur la poignée 28. Cette information sensorielle est constituée, de préférence, par un signal sonore. Dans certains cas, ce signal sonore peut être remplacé ou complété par un signal visuel. La fourniture d'une telle information à l'opé- rateur a essentiellement pour but de faire savoir à ce dernier que l'effort qu'il exerce sur la poignée lui fait prendre un risque de casse pour le télémanipulateur. Grâce à cette information, l'utilisateur peut soit réguler son effort de façon différente, soit interrompre l'action en cours pour changer de stratégie dans l'exécution de la tâche entreprise. Comme l'illustre plus précisément la figure 2, le dispositif de retour sensoriel conforme à l'invention comprend un capteur d'efforts 34, placé entre la poignée 28 et la genouillère 24, à l'extrémité du bras maître 12. Ce capteur d'efforts 34 permet de détecter et de mesurer l'effort appliqué sur la poignée 28 par l'opérateur. Comme l'illustrent les figures 2 et 3, le capteur d'efforts 34 comprend un support tubulaire rigide 36, réalisé par exemple en alliage léger, formant une bague de liaison mécanique entre la poignée 28 et la genouillère 24. A cet effet, le support tubulaire 36 comporte une extrémité de grand diamètre, illustrée sur la gauche de la figure 3, prévue pour être emboîtée sur une partie tubulaire en saillie de la poignée 28, et une extrémité de petit diamètre illustrée sur la droite de la figure 3, prévue pour être emboîtée dans la genouillère 24 du bras maître. Dans les deux cas, la fixation est assurée par des moyens classiques tels que des vis agissant par pincement, en réduisant le diamètre de l'extrémité de grand diamètre, alors fendue, du support 36, et de l'extrémité adjacente, également fendue, de la genouillère 24. Le support tubulaire 36 est traversé selon son axe par un passage 37 dans lequel peut être reçu un organe de transmission de mouvement (non représenté) tel qu'une chaînette, par lequel le mouvement d'ouverture et de fermeture de la pince 30 exercé par l'opérateur sur la poignée 28 est transmis entre cette dernière et la genouillère 24, selon une technique traditionnelle. Dans sa partie centrale et comme l'illustre la figure 3, le support tubulaire 36 comporte un corps tubulaire 38 de moindre diamètre, servant de support à trois ponts de jauges extensométriques, placées de façon à mesurer les composantes Mfx, Mfy et Mf z du moment résultant de l'effort exercé par l'opérateur sur la poignée 28, selon trois directions orthogonales liées au support tubulaire 36. Ces trois directions orthogonales correspondent aux trois axes du repère orthonormé Oxyz sur la figure 3. Chacun des trois ponts de jauges extensométriques montées sur le corps tubulaire 38 comporte quatre jauges extensométriques, dont certaines seulement sont visibles sur la figure 3. Ces jauges sont désignées respectivement par les références 40x, 40y et 40z selon que les ponts de jauges correspondants servent à mesurer les composantes du moment résultant des forces appliquées sur la poignée 28 suivant les directions Ox, Oy et Oz respectivement. Les jauges 40x et 40y sont orientées selon l'axe du cylindre, alors que les jauges 40z sont orientées à 450 par rapport à cet axe. De plus, les quatre jauges de chaque groupe sont situées à 900 l'une de l'autre sur le cylindre. Afin d'éviter que les jauges extensométriques 40x, 40y et 40z, ainsi que les conducteurs électriques qui les relient, ne soient endommagés accidentellement, le support tubulaire 36 est recouvert, au moins autour du corps tubulaire 38 portant les jauges, par un cache de protection 42. Comme cela a déjà été indiqué, les jauges 40x, 40y et 40z sont reliées électriquement entre elles pour former trois ponts de Wheatstone servant respectivement à mesurer les composantes Mfxt Mfy et Mf z du moment résultant des forces appliquées par l'opé rateur suivant les directions Ox, Oy et Oz. Ces ponts de Wheatstone sont désignés respectivement par les références 42x, 42y et 42z sur la figure 4.Les signaux électriques représentatifs de ces trois composantes sortent du capteur d'efforts 34 par un câble électrique 44 (figure 2), par lequel le capteur est relié au reste du dispositif de retour sensoriel conforme à l'invention. Comme l'illustre plus précisément la figure 4, les trois conducteurs électriques issus des ponts de Wheatstone 42x, 42y et 42z et formant le câble 44 sont reliés à leurs extrémités opposées à des circuits électroniques 46 assurant la préamplification des signaux issus des ponts de jauges. De préférence, le gain de ces circuits électroniques est réglable de 1 à 1000. Les trois signaux amplifiés sortant des circuits 46 sont ensuite injectés dans un module analogique de calcul 48, qui calcule en temps réel l'amplitude du moment de flexion résultant, à partir des composantes Mfxt Mfy et Mf z mesurées. Un signal analogique représentatif de cette amplitude est délivré par le module de calcul 48 et injecté dans un oscillateur 50 apte à délivrer un signal sinusoïdal dans la gamme des fréquences auditives. La fréquence de ce signal sinusoïdal est pilotée ou modulée par l'amplitude du signal électrique délivré par le module de calcul 48, c'est-à-dire par l'amplitude du moment de réflexion résultant mesuré par le capteur d'efforts 34. L'oscillateur 50 est équipé d'un système de réglage de fréquence 52, qui permet à l'utilisateur de régler la fréquence haute et la fréquence basse du signal sinusoïdal apte à être émis par l'oscillateur. L'oscillateur 50 est également équipé d'un système de réglage de seuil 54, permettant à l'opérateur de régler le seuil au-delà duquel le signal électrique injecté dans l'oscillateur 50 par le module de calcul 48 engendre un signal sinusoïdal. En d'autres termes, le système de réglage de seuil 54 permet à l'opérateur de déterminer à l'avance l'effort minimal qui doit être exercé sur la poignée 28 pour assurer l'entrée en fonction de l'oscillateur 50. Ce dernier comprend alors des moyens pour comparer le signal en provenance du module de calcul 48 au seuil affiché sur le système de réglage 54. Lorsque l'effort exercé sur la poignée reste inférieur à l'effort minimal déterminé par ce seuil, aucun signal sonore n'est émis par l'oscillateur 50.Au contraire, un signal sonore est émis dès le franchissement du seuil préréglé, et la fréquence de ce signal augmente d'autant plus que l'effort appliqué est supérieur au seuil de déclenchement préalablement affiché. Lorsque le seuil préalablement affiché sur les moyens de réglage 54 est dépassé l'oscillateur 50 délivre donc un signal sinusoïdal qui est injecté dans un amplificateur de puissance 56 amenant ce signal à un niveau de puissance suffisant pour attaquer un haut parleur 58. L'amplificateur de puissance 56 est équipé d'un système de réglage externe 60 du niveau de sortie, c'est-à-dire du niveau sonore, ainsi que d'une sortie (non représentée) pouvant être raccordée à un dispositif de transmission infrarouge (grâce auquel le signal sonore amplifié peut être transmis à un casque porté par l'opé- rateur). Comme on l'a déjà mentionné, le dispositif de retour sensoriel conforme à l'invention peut être conçu de façon à émettre un signal visuel, au lieu du signal sonore émis par le haut parleur 58 ou en même temps que ce signal sonore. Plus précisément, ce signal visuel peut être un signal alternatif, dont la fréquence est modulée selon l'intensité de l'effort exercé par l'opérateur et qui n'est émis que lorsque cet effort dépasse un certain seuil. Le dispositif de retour sensoriel selon l'invention peut notamment comprendre en parallèle le dispositif décrit apte à émettre un signal sonore et un dispositif comparable apte à émettre un signal optique. Dans ce cas, l'opérateur dispose d'un système de commutation grâce auquel il peut choisir à l'avance entre l'un ou l'autre de ces modes d'informations ou décider de disposer simultanément des deux modes d'information. L'utilisation du dispositif de retour sensoriel conforme à l'invention, en association avec un télémanipulateur tel qu'un télémanipulateur maître-esclave mécanique, permet d'envisager une réduction sensible des frais de maintenance ainsi qu'une augmentation notable de la disponibilité du télémanipulateur. Bien entendu, l'invention n' est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, il est à noter que la détection et la mesure de l'effort appliqué sur la poignée peuvent être effectuées par tout autre moyen de mesure d'effort existant, différent des ponts de jauges décrits précédemment. Par ailleurs, cette détection et cette mesure peuvent être effectuées en un emplacement différent du télémanipulateur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de retour sensoriel, pour fournir à l'utilisateur d'un télémanipulateur une information sensorielle représentative de l'effort qu'il exerce sur la poignée du télémanipulateur, caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens de détection et de mesure (34) de l'effort appliqué sur la poignée - des moyens d'information (50,56,58) aptes à émettre un signal sensible qui varie selon l'effort mesuré par les moyens de détection et de mesure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens d'information (50,56, 58) délivrent un signal sensible ayant une fréquence qui varie selon l'effet mesuré par les moyens de détection et de mesure. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens d'information (50,56, 58) comprennent des moyens de réglage (52) de la fréquence du signal sensible. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le signal sensible est un signal sonore. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le signal sensible est un signal visuel. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de détection et de mesure comprennent un capteur d'efforts (34) placé entre la poignée (28) et la genouillère (24) du bras maître (12) du télémanipulateur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le capteur d'efforts (34) comprend trois ponts de jauges extensométriques (42x,42y,42z) placées symétriquement sur un corps tubulaire (38), de façon à mesurer les composantes du moment résultant de l'effort exercé sur la poignée (28), selon trois directions orthogonales (Ox,Oy,Oz). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'information (50,56,58) comprennent des moyens de comparaison (54) de l'effort mesuré avec un seuil d'effort prédéterminé, de façon à n'émettre le signal sensible que lorsque l'effort mesuré dépasse ce seuil. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les moyens de comparaison comprennent des moyens de réglage (54) du seuil prédéterminé.