Brevet FR2712406A1 — publié le 19950519

ORGANE DE COMMA1NDE MANUELLE A RETOUR D'INFORMATION TACTILE ET/OU KINESTHESIQUE. DESCRIPTION L'invention concerne un organe de commande conçu pour être actionné par la main d'un opérateur humain, de façon à piloter un système esclave réel ou virtuel, en fournissant à l'opérateur un retour d'in- formation tactile et/ou kinesthésique. Un organe de commande conforme à l'inven- tion peut être utilisé pour piloter tout système esclave réel ou virtuel, c'est-à-dire notamment en téléopération, dans les simulateurs, dans les systèmes de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) et de CFAO (Conception et fabrication Assistées par Ordinateur), etc., ce système esclave disposant généralement de six degrés de liberté. Les organes de commande manuelle existant à ce jour comprennent les gants de données, les poignées et stylos, les bras maîtres et les manches à balai. Les gants de données sont des gants équipés de dispositifs permettant de mesurer leur position absolue dans l'espace et de dispositifs permettant de mesurer la position relative des doigts. Leurs applica- tions concernent principalement le domaine de la simu- lation et celui des interfaces homme-machine. Ils peuvent être capables de restituer des informations de type tactile ou kinesthésique par l'utilisation d'exos- quelettes ou la mobilisation externe des articulations de la main de l'opérateur. Le principal avantage des gants de données consiste en une bonne adaptation aux applications concernant la simulation. Ils présentent cependant de nombreux inconvénients. Parmi ces inconvénients, on citera notamment une fiabilité insuffisante, un nombre de degrés de liberté élevé, une mise en place délicate sur la main de l'opérateur, une calibration différente pour chaque utilisateur et, dans certains cas, à chaque enfilage du gant, un encombrement important des systè- mes à retour kinesthésique et le caractère très contraignant et inconfortable de ces systèmes. Les poignées et les stylos comportent le même type de dispositifs que les gants de données pour mesurer leur position absolue dans l'espace. Ils sont utilisés pour définir des positions ou pour désigner des articles dans les systèmes de simulation ou dans les système de CAO et de CFAO et ils remplissent des fonctions équivalentes à celles des souris d'ordina- teurs. Ils peuvent présenter jusqu'à six degrés de liberté. En revanche, les poignées et les stylos exis- tants ne sont généralement pas équipés de système de retour d'information sous forme tactile ou kinesthési- que. Dans l'article de Robert Stone "Virtual reality and telepresence" paru dans Robotica (1992) volume 10, pages 461 à 467, il est toutefois proposé de commander un système virtuel au moyen d'une poignée à six degrés de liberté équipée de trois coussinets gon- flables destinés à restituer à l'opérateur une impres- sion tactile de contact d'un objet virtuel. Le retour d'information est cependant très limité puisque chaque coussinet ne dispose que d'un degré de liberté. Il s'agit donc d'une approximation grossière qui ne peut restituer à l'opérateur tous les degrés de liberté d'un système esclave à six degrés de liberté, et notamment les degrés de liberté d'orientation. Les bras maîtres ont été conçus et mis au point pour les applications de télémanipulation, notam- ment dans les télémanipulateurs maître/esclave avec ou sans retour d'effort. Ils peuvent être actifs ou pas- sifs. Dans ce dernier cas, il s'agit notamment de pan- tins d'apprentissage pour les manipulateurs industriels et les téléopérateurs. L'avantage essentiel des bras maîtres réside dans leur bonne adaptation à la télémanipula- tion. Cependant, ils sont chers, lourds et encombrants. De plus, lorsqu'ils sont équipés d'un retour d'informa- tion kinesthésique, les compromis entre le volume utile et la qualité de ce retour sont très mauvais. Enfin, les manches à balais sont des dispo- sitifs à mesure de déplacements ou d'efforts qui sont intégrés dans des stations de travail ou des boîtes à boutons. Les manches à balais ont pour avantages un faible coût et un caractère performant lorsque les applications sont simples et ne dépassent pas trois degrés de liberté. Cependant, ils ne comportent pas de dispositif de retour d'information. De plus, ils pré- sentent un volume utile généralement limité, un nombre de degrés de liberté dépassant rarement trois et ils doivent nécessairement être positionnés sur des sup- ports fixes. L'invention a précisément pour objet un organe de commande à retour d'information d'un type nouveau, apte à être actionné par un opérateur de façon à commander un système esclave réel ou virtuel de ma- nière simple, peu coûteuse et facile à mettre en oeu- vre, et permettant d'obtenir un compromis satisfaisant entre le volume utile et la qualité du retour d'infor- mation, pour un nombre de degrés de liberté générale- ment égal à six. Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un organe de commande manuelle d'un système esclave disposant de p degrés de liberté, comportant une poignée équipée d'au moins un capteur apte à émet- tre un signal représentatif d'un mouvement de la poi- gnée, caractérisé par le fait que la poignée comprend une pièce active dans laquelle est monté le capteur et q pièces de retour d'information mobiles par rapport à la pièce active, l'organe de commande comprenant de plus des moyens de commande d'un mouvement de chaque pièce de retour d'information par rapport à la pièce active de la poignée, selon r degrés de liberté, en réponse à un signal de retour d'information en prove- nance du système esclave, avec r > 2 et q x r > p. Dans un organe de commande ainsi conçu, la main de l'opérateur est en contact permanent avec la pièce de retour d'information formant la poignée, de telle sorte que cette main reçoit un effort dont la direction et l'amplitude sont représentatives d'une force réelle ou virtuelle appliquée sur le système esclave. Avantageusement, l'effort exercé sur la main de l'opérateur par la pièce de retour d'information est alors proportionnel à cette force résistante. De préfé- rence, le nombre de pièces de retour d'information est au plus égal à deux. Dans une forme de réalisation préféren- tielle de l'invention, l'organe de commande manuelle comprend de plus un support apte à servir de réceptacle à la poignée. Dans ce cas, les moyens de commande peuvent comprendre au moins un actionneur monté dans le support et des moyens de transmission de mouvement reliant cet actionneur à la pièce de retour d'information. La pièce active de la poignée est reliée mécaniquement au sup- port par un cordon souple dans lequel cheminent les moyens de transmission de mouvement. Ces moyens de transmission de mouvement comprennent de préférence au moins deux câbles aptes à coulisser dans des gaines à l'intérieur du cordon sou- ple. Un premier de ces câbles relie un premier action- neur à la pièce de retour d'information au travers d'un moyen d'inversion de mouvement et au moins un deuxième de ces câbles relie directement un deuxième actionneur à la pièce de retour d'information. Le système esclave disposant de p degrés de liberté, l'organe de commande comprend p deuxièmes câbles et p deuxièmes actionneurs. Il est à noter qu'en variante, le ou les actionneurs peuvent aussi être intégrés dans la poignée. Lorsque la poignée comprend une seule pièce de retour d'information, cette pièce peut former une seule ou les deux parties d'extrémité de la poignée. Elle peut aussi comporter plusieurs excroissances lo- gées dans des ouvertures formées dans la pièce active. Afin d'avoir l'assurance que l'opérateur garde la main sur la pièce de retour d'information de la poignée lors de la commande effective du système esclave, la pièce de retour d'information porte de préférence au moins un bouton de commande de couplage de l'organe de commande au système esclave. On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, différentes formes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1A à 1D sont des vues de face illustrant quatre formes de réalisation possibles de la poignée d'un organe de commande manuelle conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective illustrant schématiquement un organe de commande ma- nuelle conforme à l'invention, comportant la poignée représentée sur la figure 1A; et - la figure 3 est une vue à plus grande échelle représentant, en coupe longitudinale partielle, la poignée et la partie attenante du cordon de l'organe de commande manuelle illustré sur la figure 2. L'organe de commande manuelle conforme à l'invention comporte principalement une poignée apte à être saisie par la main d'un opérateur humain. Confor- mément à l'invention, cette poignée comprend une pièce active sur laquelle agit la main de l'opérateur, ainsi qu'une ou deux pièces de retour d'information tactile et/ou kinesthésique. La poignée dispose de six degrés de liberté. Sur les figures, la poignée est désignée de façon générale par la référence 10. Dans la forme de réalisation de la figure 1A, la poignée 10 comprend une pièce active 12 et une pièce 14 de retour d'information, disposées côte à côte, la pièce 14 de retour d'information étant mobile par rapport à la pièce active 12. De façon plus pré- cise, la pièce active 12 de la poignée constitue l'es- sentiel de celle-ci, à l'exception de son extrémité supérieure qui est formée par la pièce 14 de retour d'information. Dans l'exemple représenté, la pièce 14 de retour d'information présente des empreintes 16 prévues pour recevoir le pouce et l'index de la main de l'opé- rateur, alors que les autres doigts sont reçus sur des empreintes 18 formées sur la pièce active 12. Etant donné que la pièce 14 de retour d'information peut se déplacer par rapport à la pièce active 18, la conti- nuité de la surface extérieure de la poignée 10 entre ces deux pièces est assurée par un anneau souple 19 (figure 3). Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure lB, la poignée 10 comprend une pièce 14 de retour d'information intercalée de façon mobile entre deux parties d'une pièce active 12. La pièce active 12 forme alors les deux extrémités de la poignée 10 alors que la partie centrale de cette poignée est formée par la pièce 14 de retour d'information. Dans ce cas, la pièce 14 de retour d'information porte par exemple une empreinte 16 destinée à recevoir l'annulaire de la main de l'opérateur alors que les autres doigts de l'opéra- teur sont reçus dans des empreintes 18 formée sur les deux parties de la pièce active 12. Deux anneaux sou- ples (non représentés) sont alors prévus pour assurer la continuité entre la pièce 14 de retour d'information et les deux parties de la pièce active 12. La figure 1C illustre une troisième forme de réalisation dans laquelle la poignée 10 est totale- ment formée par une pièce active 12 percée d'une ou plusieurs ouvertures 13. Dans ces ouvertures sont lo- gées des excroissances d'une pièce unique 14 de retour d'information, montée de façon mobile à l'intérieur de la pièce active 12. La forme, le nombre et les emplace- ments des ouvertures 13 dans lesquelles sont logées les excroissances de la pièce 14 de retour d'information peuvent être quelconques. Ils correspondent par exem- ple, mais non exclusivement, aux extrémités de certains des doigts de l'opérateur. Enfin, dans la quatrième forme de réalisa- tion illustrée sur la figure 1D, la poignée 10 est formée principalement d'une pièce active 12, sauf dans sa partie haute, comme dans la forme de réalisation de la figure 1A. Cependant, au lieu d'être formée d'une pièce unique de retour d'information, l'extrémité supé- rieure de la poignée comprend dans ce cas deux pièces de retour d'information différentes, désignées par les références 14a et 14b sur la figure 1D. Chacune de ces pièces de retour d'information est alors mobilisée indépendamment de l'autre par rapport à la pièce active 12. Plus précisément, les deux pièces de retour d'information 14a et 14b sont disposées de façon symé- trique par rapport au plan médium de la poignée 10 et présentant chacune quatre degrés de liberté par rapport à la pièce active 12 lorsque le système esclave dispose de six degrés de liberté. Ainsi, chaque pièce 14a et 14b dispose de trois degrés de liberté de translation selon les axes transversal OX, longitudinal OY et selon l'axe OZ orthogonal aux précédents, et d'un degré de liberté de rotation autour de l'axe transversal OX. Les degrés de liberté de rotation autour des axes OY et OZ sont traduits par des translations relatives des pièces 14a et 14b selon les axes OZ et OY, respectivement. On décrira à présent plus en détail un organe de commande manuelle conforme à l'invention, équipé de la poignée 10 de la figure 1A, en se référant aux figures 2 et 3. Comme l'illustre la figure 2, la pièce active de la poignée 10 est reliée, par son extrémité inférieure, à un support 20, destiné notamment à lui servir de réceptacle. Cette liaison est assurée par un cordon souple 22 dont une extrémité est fixée à l'ex- trémité inférieure de la poignée 10 et dont l'extrémité opposée est fixée sur le support 20. La poignée 10 dispose ainsi de six degrés de liberté qui lui permettent de commander un système esclave (non représenté) à six degrés de liberté. Ce système esclave peut être réel ou virtuel. Ainsi et uniquement à titre d'exemple, il peut s'agir aussi bien d'un bras articulé de télémanipulateur que d'un simula- teur ou d'un système de CAO ou de CFAO. Le support 20 est relié au système esclave par un câblage approprié (non représenté). Comme l'illustre plus précisément la figure 3, un capteur 24 de vitesse et/ou de déplacement est monté de façon fixe à l'intérieur de la pièce active 12 de la poignée 10. Ce capteur 24 permet de mesurer la vitesse et/ou le déplacement de la poignée 10 lorsqu'elle est placée dans la main de l'opérateur. Les mesures effectuées sont transformées en signaux électriques qui sont acheminés jusqu'au support 20 par un conducteur électrique 26 placé dans le cordon souple 22. Ces signaux sont ensuite transmis au système esclave par exemple au moyen d'un autre conducteur électrique, de façon à piloter ce système esclave en vitesse et/ou en déplacement, selon la nature des mesu- res effectuées par le capteur 24. Conformément à l'invention, l'organe de commande manuelle illustré sur les figures 2 et 3 est également doté de moyens permettant de commander un mouvement de la pièce 14 de retour d'information par rapport à la pièce active 12, en réponse à un signal de retour d'information émis par le système esclave. Ce signal de retour d'information peut être de nature très diverse selon le type de système esclave commandé et selon l'application envisagée. Il peut notamment s'agir d'un retour d'ef- fort permettant de transmettre à la main de l'opérateur un signal d'effort proportionnel à une force résistante réelle ou virtuelle supportée par le système esclave. Dans le cas o le système esclave est constitué par un bras esclave de télémanipulateur, ce signal peut être représentatif de la venue en appui du bras esclave ou d'une pièce supportée par ce bras contre un obstacle et proportionnel à la force de réaction opposée par cet obstacle. Le signal de retour d'information peut aussi être représentatif de l'approche d'une zone in- terdite par un système esclave réel ou virtuel. Dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 2 et 3, les moyens permettant de commander le mouvement de la pièce 14 de retour d'information comprennent p + 1 actionneurs 28 (figure 2) qui sont logés dans le support 20. p représente ici le nombre de degrés de liberté dont dispose le système esclave, c'est-à-dire six dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures. Dans cet exemple, les moyens de commande comprennent donc sept actionneurs 28. Ces actionneurs peuvent être de différentes natures. Ainsi et uniquement à titre d'exemple, il peut s'agir d'ac- tionneurs électriques tels que petits électroaimants, d'actionneurs pneumatiques tels que des vérins, etc.. Chacun des actionneurs 28 est relié au sys- tème esclave par exemple par un conducteur électrique de façon à pouvoir recevoir un signal de retour d'in- formation représentatif d'un degré de liberté de ce dernier. Ce signal est transformé par chacun des actionneurs 28 en un couple qui est transmis à la pièce 14 de retour d'information par des moyens de transmis- sion de mouvement cheminant principalement à l'inté- rieur du cordon souple 22. De façon plus précise, p actionneurs 28 (six dans l'exemple décrit) agissent sur la pièce 14 de retour d'information de la poignée 10, au travers des moyens de transmission de mouvement, selon les p degrés de liberté dont dispose cette pièce 14 par rapport à la pièce active 12. Le dernier actionneur 28 agit sur la pièce 14 de retour d'information de façon à s'opposer aux actions exercées par les autres actionneurs, pour maintenir cette pièce 14 immobile par rapport à la pièce active 12 lorsqu'aucun retour d'information n'a lieu. Cet agencement s'explique par la structure des moyens de transmission de mouvement qui sont interposés entre les actionneurs 28 et la pièce 14 de retour d'information dans la forme de réalisation représentée sur les figures 2 et 3. En effet, dans cette forme de réalisation décrite, les moyens de transmission de mouvement entre les actionneurs 28 et la pièce 14 de retour d'informa- tion sont constitués par des câbles coulissants qui ne peuvent exercer que des efforts de traction. De façon plus précise, chacun des six actionneurs correspondant aux six degrés de liberté du système esclave et de la pièce 14 de retour d'informa- tion agit sur un câble 30 apte à coulisser dans une gaine 32 à l'intérieur du cordon souple 22 et son extrémité opposée est fixée sur la pièce 14 de retour d'information selon un agencement triangulaire analogue à celui d'une plate-forme dite de Steward. En d'autres termes, les six câbles 30 sont fixés deux à deux aux trois sommets d'un triangle, sur la pièce 14 de retour d'information. Afin de s'opposer à l'effort de traction exercé sur la pièce 14 de retour d'information par les câble 30, l'actionneur 28 restant agit sur un septième câble 34, qui coulisse également dans une gaine 36 à l'intérieur du cordon souple 22, mais dont l'extrémité opposée agit sur la pièce 14 de retour d'information par l'intermédiaire d'un mécanisme d'inversion de mou- vement. Ce mécanisme transforme l'effort de traction exercé par le câble 34 en un effort de compression appliqué sur la pièce 14. Il agit sur cette dernière au centre du triangle aux sommets duquel sont accrochés les câbles 30. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 3, le mécanisme d'inversion de mouvement comprend un levier 38 et une tige de poussée 40. Le levier 38 est monté pivotant, dans sa partie centrale, sur la pièce active 12 et le câble 34 est accroché à l'une de ses extrémités. L'extrémité opposée du levier 38 est en appui sur une extrémité de la tige de poussée 40. L'extrémité opposée de cette tige 40 est en appui sur la pièce 14 de retour d'information, au centre du triangle dont les sommets servent à l'accrochage des câbles 30. L'agencement qui vient d'être décrit permet d'appliquer sur la main de l'opérateur un effort dont le sens et l'intensité sont représentatifs d'une infor- mation en provenance du système esclave et prenant en compte tous les degrés de liberté dont dispose ce système. Les moyens utilisés pour commander un mou- vement de la ou des pièces 14 de retour d'information peuvent être différents de ceux qui viennent d'être décrits. Ainsi, les actionneurs peuvent être placés directement à l'intérieur de la poignée 10, de façon à agir chacun individuellement sur l'une des deux pièces de retour d'information 14a et 14b, dans la forme de réalisation de la poignée illustrée sur la figure 1D. Avantageusement, et comme on l'a illustré sur la figure 2, la pièce 14 de retour d'information est munie sur sa surface extérieure d'un ou deux bou- tons 42 servant à commander le couplage de l'organe de commande au système esclave. Dans la forme de réalisa- tion de la poignée 10 illustrée sur la figure 1A, les boutons 42 peuvent notamment être placés dans chacune des empreintes 16 formées sur la pièce 14 de retour d'information pour recevoir le pouce et l'index de la main de l'opérateur. Du fait que l'actionnement des boutons 42 conditionne le couplage de l'organe de commande au système esclave, on est certain que la main de l'opéra- teur sera en contact avec la pièce 14 de retour d'in- formation si un effort représentatif d'un tel retour d'information en provenance du bras maître est appliqué sur cette pièce 14. Comme on l'a illustré schématiquement sur la figure 2, la poignée 10 peut aussi être équipée de différents autres boutons tels qu'un bouton d'arrêt d'urgence 44, ainsi que d'un ou plusieurs afficheurs 46 sur lesquels peuvent apparaître des informations diver- ses telles que des écarts, des états de forces et de moments, etc.. Le support 20 peut également être doté d'un ou plusieurs boutons de commande 48 et d'un ou plu- sieurs afficheurs 50 comme l'illustre également la figure 2. En plus des différentes variantes de réali- sation mentionnées au cours de la description qui pré- cède, il est à noter que lorsque les actionneurs 28 sont placés directement à l'intérieur de la poignée 10, le support 20 ainsi que le cordon 22 qui le relie à la poignée 10 peuvent éventuellement être supprimés. REVENDICATIONS 1. Organe de commande manuelle d'un système esclave, disposant de p degrés de liberté, comportant une poignée (10) équipée d'au moins un capteur (24) apte à émettre un signal représentatif d'un mouvement de la poignée, caractérisé par le fait que la poignée (10) comprend une pièce active (12) dans laquelle est monté le capteur (24) et q pièces (14) de retour d'in- formation, mobiles par rapport à la pièce active, l'organe de commande comprenant de plus des moyens de commande (28) d'un mouvement de chaque pièce de retour d'information (14) par rapport à la pièce active (12) de la poignée, selon r degrés de liberté, en réponse à un signal de retour d'information en provenance du système esclave, avec r > 2 et q x r > p. 2. Organe de commande manuelle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre q des pièces (14) de retour d'information est au plus égal à deux. 3. Organe de commande manuelle selon l'une quelconque des revendication 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus un support (20) apte à servir de réceptacle à la poignée (10). 4. Organe de commande manuelle selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent au moins un actionneur (28) monté dans le support (20) et des moyens de transmis- sion de mouvement (30,34) reliant l'actionneur à la pièce de retour d'information (14). 5. Organe de commande selon la revendica- tion 4, caractérisé par le fait que la pièce active (12) de la poignée (10) est reliée mécaniquement au support (20) par un cordon souple (22) dans lequel cheminent les moyens de transmission de mouvement (30,34). 6. Organe de commande selon la revendica- tion 5, caractérisé par le fait que les moyens de transmission de mouvement comprennent au moins deux câbles (34) aptes à coulisser dans des gaines (32,36) à l'intérieur du cordon souple (22), un premier (34) de ces câbles reliant un premier actionneur (28) à chaque pièce de retour d'information (14) au travers d'un moyen d'inversion de mouvement (38,40) et au moins un deuxième (30) de ces câbles reliant directement un deuxième actionneur (28) à chaque pièce de retour d'in- formation. 7. Organe de commande selon la revendica- tion 6, caractérisé par le fait qu'il comprend p deuxièmes câbles (30) et p deuxièmes actionneurs. 8. Organe de commande selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent au moins un actionneur monté dans la poignée (10). 9. Organe de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la poignée (10) comprend une seule pièce de retour d'information (14). 10. Organe de commande selon la revendica- tion 9, caractérisé par le fait que la pièce de retour d'information (14) forme une partie d'extrémité de la poignée (10). 11. Organe de commande selon la revendica- tion 10, caractérisé par le fait que la pièce de retour d'information (14) forme deux parties d'extrémité de la poignée (10). 12. Organe de commande selon la revendica- tion 10, caractérisé par le fait que la pièce de retour d'information (14) comporte plusieurs excroissances logées dans des ouvertures (13) formées dans la pièce active (12). 13. Organe de commande selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la poignée (10) comprend deux pièces de retour d'information (14a,14b). 14. Organe de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la pièce de retour d'information (14) de la poignée (10) porte au moins un bouton (42) de commande de couplage de l'organe de commande au système esclave. 15. Organe de commande selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la poignée (10) porte au moins un afficheur.