Brevet FR2796149A1 — publié le 20010112

La présente invention concerne un détecteur de forces à six axes monté sur le bout d'un doigt d'un humain pour analyser une opération de préhension exécutée par l'humain et pour détecter une force de contact au cours de l'opération de préhension, afin de permettre à un robot d'exécuter la même opération de préhension conformément à des données analysées et détectées. Ce détecteur s'applique également à un dispositif de visualisation de forces capable de procurer à un humain la sensation de l'existence réelle de données virtuelles mémorisées dans un ordinateur. Comme détecteurs de forces à six axes conventionnels, on connaît celui monté sur le poignet d'un robot (par exemple le détecteur de forces à six axes série IFS développé par la Société NITTA Co.) et celui monté sur le bout d'un doigt d'une main de robot (par exemple les détecteurs NANO développés par la société BL Autotech Ltd.). Comme détecteur tactile conventionnel monté sur la main d'un être humain pour détecter une répartition de pressions appliquées sur les doigts et la paume de la main, on connaît par exemple un détecteur tactile en forme de gant destiné à détecter une répartition de pressions à l'aide d'un caoutchouc conducteur sensible à la pression et d'une feuille à encre conductrice (tel que le système de gant de balayage développé par la société NITTA Co.). Pour manipuler avec adresse un objet donné à l'aide des extrémités des doigts d'une main de robot, il faut tout d'abord analyser une opération de préhension exécutée par la main d'un être humain. Pour analyser cette manipulation humaine, il est nécessaire de détecter le mouvement des doigts et la force de contact agissant sur les bouts des doigts. Outre le système de gant de balayage développé par la société NITTA Co. précité comme détecteur destiné à détecter une répartition de pressions sur la main d'un être humain, on peut mentionner à titre d'exemple supplémentaire un gant de détection consistant en un détecteur tactile réparti, cousu sur un gant, qui a été décrit par Shimizu et consorts dans un article intitulé "Développement d'un gant de détection MK III pour mesurer une répartition de pressions de préhension" lors de la 14e Conférence Scientifique de la Société de Robotique Japonaise en 1996. Ces gants de détection sont capables de détecter une répartition des pressions appliquées sur les doigts et la paume de la main. Toutefois, les composantes de force détectées sont celles de la force exercée uniquement dans le direction perpendiculaire à la surface du détecteur. Autrement dit, les forces exercées dans la direction horizontale par rapport à la surface du détecteur, y compris une force de cisaillement et une force de frottement, ainsi qu'un moment de contact sur la surface du détecteur ne peuvent pas être détectés par les gants de détection. D'autre part, on sait que la force de préhension utilisée par un être humain pour saisir un objet donné est un point critique de nature à engendrer un glissement entre l'objet donné et les doigts (voir Yamada "Détection d'un coefficient de glissement et de frottement par adhérence", Journal de la Société de Robotique Japonaise, Vol. 11, n 7, 1993). Ceci indique qu'un être humain fait attention non seulement à la force perpendiculaire, mais également à la force horizontale qui s'exerce par rapport à la surface de ses doigts lorsqu'il saisit un objet donné. On a également mis en évidence le fait qu'un être humain utilise une force de frottement (la force qui s'exerce dans la direction horizontale par rapport à la surface des doigts) et un moment de contact sur la surface des doigts lorsqu'il manipule un objet donné. Pour pouvoir utiliser les données détectées à partir d'une manipulation de démonstration effectuée par un être humain, directement pour commander une main de robot, il est souhaitable d'analyser les données d'un détecteur identique au détecteur monté sur la main du robot. On a signalé l'importance de l'utilisation d'un détecteur de forces à six axes comme détecteur destiné à être monté sur le bout d'un doigt d'une main de robot (voir l'article de Nagata et consorts intitulé "Développement d'un détecteur de forces 6D du type installé sur le bout d'un doigt et évaluation des erreurs de détection de point de contact" et publié dans le Journal de la Société de Robotique Japonaise, Vol. 11, nO 7, 1993). De ce point de vue, il est souhaitable d'utiliser, comme détecteur monté sur la main d'un être humain pour détecter la force de contact, un détecteur de forces à six axes capable de détecter des forces et des moments dans les trois directions axiales. Jusqu'à maintenant, on a développé des détecteurs de forces à six axes pour des robots. Parmi ces détecteurs, les détecteurs NANO produits par la société BL Autotech Ltd. sont les plus petits en taille, à savoir 18 mm de diamètre et 32,8 mm de longueur. Ces dimensions sont trop importantes pour qu'un détecteur NANO de ce type puisse être monté sur le bout du doigt d'un être humain. La présente invention a été conçue compte tenu de ce qui précède. Elle a pour but de proposer un détecteur de forces à six axes qui puisse être monté sur le bout d'un doigt d'un être humain. Pour atteindre ce but, la présente invention propose un détecteur de forces à six axes monté sur le bout d'un doigt, caractérisé en ce qu'il comprend un doigtier dans lequel le bout du doigt d'un être humain est inséré; un élément élastique relié et fixé au doigtier, élément élastique qui est adapté pour se déformer en réponse à des composantes de force spécifiques comprenant des forces de contact et des moments de contact au bout du doigt, et qui est muni de moyens de détection de déformation pour détecter les composantes de force; et un couvre-doigt muni d'un bloc de fixation par l'intermédiaire duquel il est relié et fixé à l'élément élastique; une déformation de l'élément élastique créée en réponse à la force et au moment de contact exercés sur un objet par le bout du doigt de l'être humain est détectée par les moyens de détection de déformation et convertie en un signal électrique qui est extrait et traité par des calculs pour permettre de détecter les forces au bout du doigt. L'élément élastique peut comprendre une base reliée au doigtier, un anneau périphérique relié et fixé au bloc de fixation, quatre bras ayant chacun l'une de leurs extrémités reliée à la base et leur extrémité opposée reliée à l'anneau périphérique, et des moyens de détection de déformation montés sur chaque bras. Ainsi, lorsqu'une force est exercée sur l'élément élastique dans la direction de l'axe des x ou dans la direction de l'axe des y, les deux bras disposés perpendiculairement à la direction dans laquelle la force est exercée se déforment. Lorsqu'une force est exercée sur l'élément élastique dans la direction de l'axe des z, tous les bras se déforment. Lorsqu'un moment agit sur l'élément élastique autour de l'axe des z, tous les bras se déforment. Lorsqu'un moment agit sur l'élément élastique autour de l'axe des x ou de l'axe des y, les deux bras disposés perpendiculairement à l'axe suivant lequel le moment agit se déforment. La déformation des bras est détectée par les moyens de détection de déformation qui peuvent consister en des jauges de contrainte. Ainsi, la force et le moment de contact engendrés lorsqu'un être humain saisit un objet du bout de ses doigts peuvent être détectés. L'élément élastique peut comprendre trois bras ayant chacun l'une de leurs extrémités reliée à la base et leur extrémité opposée reliée à l'anneau périphérique. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortira plus clairement de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure l(a) est une vue en coupe transversale montrant la structure de base d'un détecteur de forces à six axes destiné à être monté sur le bout d'un doigt, selon la présente invention; la figure l(b) est une vue en coupe transversale réalisée suivant la ligne I(b)-I(b) de la figure 1; la figure 2 est une vue en perspective montrant un exemple d'un élément élastique utilisé dans le détecteur de la figure 1; la figure 3 est une vue explicative montrant le fonctionnement du détecteur de la présente invention; la figure 4(a) est une vue en plan montrant l'élément élastique lorsqu'aucune force n'est exercée sur celui-ci; la figure 4(b) est une vue latérale de l'élément élastique de la figure 4(a); la figure 4(c) est une vue en plan montrant l'élément élastique lorsqu'une force est exercée sur celui-ci dans la direction de l'axe des x ou de l'axe des y; la figure 4(d) est une vue latérale montrant l'élément élastique lorsqu'une force est exercée sur celui-ci dans la direction de l'axe des z; la figure 4(e) est une vue en plan montrant l'élément élastique lorsqu'un moment agit sur celui-ci autour de l'axe des z; et la figure 4(f) est une vue latérale montrant l'élément élastique lorsqu'un moment agit sur celui-ci autour de l'axe des x ou de l'axe des y. En référence aux dessins et plus particulièrement aux figures l(a) et l(b) , le détecteur comprend un doigtier 1, un élément élastique 2 et un couvre-doigt 3. Le couvre-doigt 3 est une partie venant en contact avec un objet et comporte un bloc de fixation 4 qui est fixé à l'intérieur du couvre-doigt 3 et par l'intermédiaire duquel ce dernier est relié et fixé à un anneau périphérique 22 de l'élément élastique 2 qui sera décrit ensuite. Le couvre-doigt 3 doit être formé d'un matériau difficilement déformable et peu susceptible de provoquer un glissement entre un objet et les doigts saisissant l'objet, tel que de l'aluminium ou une matière plastique dure revêtu(e) d'un caoutchouc silicone. L'élément élastique 2 est facilement déformable en réponse à des composantes de force spécifiques (force et moment). La figure 2 montre un exemple de l'élément élastique 2 qui comprend une base 21, l'anneau périphérique 22, quatre bras 23 qui relient la base 21 et l'anneau périphérique 22 (structure à bras en croix). Une jauge de contrainte 24 est fixée à chacune des surfaces verticales droite et gauche et des surfaces horizontales supérieure et inférieure de chaque bras 23. Un soufflet 25 est disposé sur l'anneau périphérique 22 au niveau de chacune des positions de raccordement avec les bras 23. Lorsqu'une force extérieure est exercée sur l'élément élastique 2, les bras 23 se déforment. Cette déformation est convertie en un signal électrique par les jauges de contrainte 24 pour que les composantes de force puissent être extraites sous la forme du signal électrique. Il est possible d'utiliser des modules de capteurs optiques à la place des jauges de contrainte. L'anneau périphérique 22 de l'élément élastique 2 est fixé au bloc de fixation 4 du couvre-doigt 3 à l'aide de vis ou d'autres moyens similaires. En outre, la base 21 et les bras 23 ne sont pas en contact avec le bloc de fixation 4 du fait de la présence d'un renfoncement formé dans le bloc de fixation 4, même en cas de déformation sous l'effet d'une force extérieure. Une matrice de rigidité sous contrainte exprimant la relation entre les forces à six axes (forces et moments dans les trois directions) exercées sur l'élément élastique 2 et les sorties des jauges de contrainte de chaque bras, est établie à l'avance par étalonnage et sert à convertir en forces les sorties des jauges de contrainte de chaque bras. Les forces à six axes exercées sur l'élément élastique 2 peuvent être calculées à partir des signaux de sortie des jauges de contrainte à l'aide de la matrice de rigidité sous contrainte. Le doigtier 1 est une partie destinée à permettre l'insertion du bout d'un doigt d'un être humain et formée d'un matériau élastique, tel que matière plastique industrielle, bronze au phosphore ou acier élastique, par exemple, comportant des découpes 11 pour tenir compte des différences de taille entre les extrémités de doigts individuelles, et est relié à la base 21 de l'élément élastique 2. En outre, le couvre- doigt 3 peut être relié à la base 21 de l'élément élastique 2, tandis que le doigtier 1 peut être relié à l'anneau périphérique 22. Le fonctionnement de ce mode de réalisation va maintenant être décrit. Comme on peut le voir sur la figure 3, un être humain insère son doigt 5 dans le doigtier 1 du détecteur de forces à six axes de la présente invention et saisit un objet 6. La structure du détecteur est rendue transparente sur les dessins pour plus de clarté. L'être humain exerce une force sur l'objet 6 saisi par l'intermédiaire du doigtier 1, de l'élément élastique 2 et du couvre-doigt 3, couvre- doigt 3 qui est en contact avec l'objet 6 en question. Les bras 23 de l'élément élastique 2 disposé entre le doigtier 1 et le couvre-doigt 3 se déforment en réponse aux forces et moments de contact exercés sur l'objet 6 par le doigt 5. Cette déformation est convertie en un signal électrique par les jauges de contrainte 24 et mémorisée dans un ordinateur (non représenté) par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique (non représenté). La force exercée sur l'objet 6 donné peut être calculée à partir des signaux de sortie des jauges de contrainte à l'aide de la matrice de rigidité sous contrainte établie préalablement par étalonnage. Le principe concret de la détection de forces hexa- axiales exercées sur l'élément élastique va être décrit en référence à la figure 4. La figure 4(a) est une vue en plan de l'élément élastique doté d'une structure à bras en croix et la figure 4(b) est une vue latérale de celui-ci. Les moyens de détection de déformation ne sont pas représentés sur la figure 4. Lorsqu'une force fx ou f est exercée sur l'élément élastique 2 dans la direction de l'axe des x ou de l'axe des y, les deux bras de l'élément élastique disposés dans la direction perpendiculaire à la direction dans laquelle s'exerce la force se déforment, comme cela est visible sur la figure 4(c), en fonction de l'intensité de la force exercée. Cette déformation est mesurée par les jauges de contrainte disposées sur les côtés droit et gauche opposés de chaque bras. En revanche, les deux autres bras disposés dans la direction dans laquelle la force est exercée ne se déforment pas, tandis que les soufflets situés sur l'anneau périphérique et tournés vers les deux autres bras se déforment. Lorsqu'une force fz est exercée sur l'élément élastique dans la direction de l'axe des z, tous les bras de l'élément élastique 2 se déforment en fonction de l'intensité de la force exercée, comme illustré sur la figure 4(d). Cette déformation est mesurée par les jauges de contrainte situées sur les côtés supérieur et inférieur de chaque bras. Lorsqu'un moment de contact mz agit sur l'élément élastique autour de l'axe des z, tous les bras se déforment, comme cela est visible sur la figure 4(e). Cette déformation est mesurée par les jauges de contrainte situées sur les côtés droit et gauche opposés de chaque bras. Lorsqu'un moment de contact m. ou m agit sur l'élément élastique autour de l'axe des x ou de l'axe des y, les deux bras disposés dans la direction perpendiculaire à l'axe suivant lequel le moment agit se déforment, comme on peut le voir sur la figure 4(f), en fonction de l'intensité du moment. Cette déformation est mesurée par les jauges de contrainte situées sur les côtés supérieur et inférieur de chaque bras. Ainsi les forces selon six axes exercées sur l'élément élastique peuvent être calculées à partir des signaux de sortie des jauges de contrainte. Grâce à la structure décrite ci-dessus, la présente invention permet de détecter des forces et des moments dans les trois directions axiales. Précisément, l'invention permet de détecter non seulement les forces verticales par rapport à la surface du détecteur, mais également la force de cisaillement et la force de frottement qui sont les forces horizontales par rapport à la surface du détecteur ainsi que les moments de contact agissant sur la surface du détecteur. Il est donc possible de détecter la force et le moment de contact générés lorsqu'un être humain saisit un objet du bout des doigts. En équipant le bout du doigt d'un être humain d'un détecteur destiné à détecter des données identiques aux données d'un détecteur monté sur le bout d'un doigt d'une main de robot et en analysant les données détectées à partir de la manipulation de démonstration de l'être humain, il est possible d'utiliser les données analysées directement pour commander la main du robot afin que celle-ci puisse exécuter avec dextérité une manipulation identique à la manipulation de démonstration. Bien que la description précédente ait porté sur un mode de réalisation particulier de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée à l'exemple spécifique décrit et illustré ici et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, bien que l'élément élastique représenté ait une structure à bras en croix, il peut avoir une structure à trois bras ou être du type annulaire ou à plan parallèle dans la mesure o il est capable de détecter des forces selon six axes et peut être réalisé de manière compacte. Il REVENDICATIONS 1. Détecteur de forces à six axes monté sur le bout d'un doigt, caractérisé en ce qu'il comprend: un doigtier (1) dans lequel le bout du doigt (5) d'un être humain est inséré; un élément élastique (2) relié et fixé au doigtier (1), élément élastique (2) qui est adapté pour se déformer en réponse à des composantes de force spécifiques comprenant des forces et des moments de contact au bout du doigt, et qui est muni de moyens de détection de déformation (24) destinés à détecter les composantes de force; et un couvre-doigt (3) muni d'un bloc de fixation (4) par l'intermédiaire duquel il est relié et fixé à l'élément élastique (2); une déformation de l'élément élastique (2) créée en réponse à la force et au moment de contact exercés sur un objet (6) par le bout du doigt de l'être humain étant détectée par les moyens de détection de déformation (24) et convertie en un signal électrique extrait et traité par des calculs pour permettre de détecter les forces au bout du doigt. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément élastique (2) comprend une base (21) reliée au doigtier (1), un anneau périphérique (22) relié et fixé au bloc de fixation (4), quatre bras (23) ayant chacun l'une de leurs extrémités reliée à la base (21) et leur extrémité opposée reliée à l'anneau périphérique (22), et des moyens de détection de déformation (24) montés sur chacun des bras. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément élastique (2) comprend une base (21) reliée au doigtier (1), un anneau périphérique (22) relié et fixé au bloc de fixation (4), trois bras (23) ayant chacun l'une de leurs extrémités reliée à la base (21) et leur extrémité opposée reliée à l'anneau périphérique (22), et des moyens de détection de déformation (24) montés sur chacun des bras. 4. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de déformation comprennent des jauges de contrainte (24). 5. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection de déformation comprennent des jauges de contrainte (24).