Brevet FR2902038A1 — publié le 20071214

L'invention concerne un dispositif de ponçage. Ce dispositif est notamment conçu pour le ponçage d'un plafond et, éventuellement d'un mur ou d'une jonction mur/plafond. Une application particulière du dispositif dans le domaine nucléaire est, pour une opération de démantèlement, de poncer sur une faible épaisseur un plafond contaminé, en évitant toute émanation de poussière. Ce ponçage est actuellement réalisé manuellement par plusieurs opérateurs humains au moyen de ponceuses à disque munies d'aspirateurs à poussière. L'environnement (zone radioactive) impose que ces opérateurs soient équipés de systèmes de protection exigeant une limitation de la durée d'intervention. Le poids et la conception des outils utilisés rendent cette tâche pénible (bras et tête levés). La hauteur de travail résultante et la diversité des conditions d'appui au sol nécessitent de nombreuses mises en station d'équipement type échafaudage qui diminuent de ce fait la cadence de réalisation. D'autres applications du dispositif, dans le domaine du bâtiment, sont d'améliorer la planéité de la sous-face d'un plafond en béton, ainsi que de traiter la jonction d'un mur avec un plafond. Le coulage en place des dalles de plancher de bâtiment fait appel à des systèmes de coffrages manutentionables à la main et de ce fait de taille réduite, conçus pour constituer le plancher avec des panneaux juxtaposés en sorte que la sous-face du plancher qui constitue le plafond du local sous-jacent peut présenter des désaffleures qu'il est nécessaire de traiter avant la réalisation des enduits de plafond. De la même façon qu'en démantèlement, ce traitement est réalisé au moyen de ponceuses, l'objectif étant de réduire à quelques mm les balèvres existantes, ce qui nécessite quelquefois d'insister longuement sur des points durs . Réalisée à l'air libre, et pilotée par un opérateur unique, cette tâche nécessite le port de protections contre les poussières du fait de la production de nombreux effluents qu'il serait souhaitable de contenir. Cette tâche est réalisée en parallèle des cycles de gros œuvre, et se réalise par logement et pièce par pièce dans des espaces restreints, ponctuellement encombrés et éventuellement en présence d'autres travailleurs. La présence d'équipements de chantiers, tels les étais de séchage, ou d'incorporations second œuvre demande une capacité d'évitement. La jonction des murs et des planchers (appelée cueillie) est également traitée lors de cette intervention en réalisant une empreinte dans les murs en positionnant la ponceuse de manière verticale. Dans le cas du ponçage d'un plafond de bâtiment, on a déjà proposé de faciliter la tâche de l'opérateur au moyen d'un dispositif dans lequel un outil de ponçage est placé à l'extrémité d'un bras porté par un support roulant. Dans ce dispositif connu, l'outil de ponçage est un disque rotatif entraîné en rotation par un moteur et le bras est un simple fléau monté à bascule autour d'un axe horizontal porté par un parallélogramme articulé monté à pivotement sur une colonne qui repose sur une embase roulante. L'extrémité libre du fléau peut être appréhendée par le manipulateur pour élever l'autre extrémité qui porte l'outil de ponçage, par basculement du fléau sur son axe, jusque dans une position où l'outil de ponçage est au contact du plafond. Il est également prévu de munir le dispositif d'un moyen d'aspiration qui permet de collecter à proximité de l'outil les poussières de ponçage. Ce dispositif élémentaire permet de se passer d'un échafaudage et soulage l'opérateur qui ne porte plus directement le poids du disque et de son moteur, qui se trouve à l'écart de la zone travaillée et qui est protégé des poussières. Un tel dispositif n'a aucune capacité de fonctionnement autonome. La présente invention vise à fournir un dispositif constituant un robot de ponçage, notamment pour permettre les applications précitées dans des conditions et avec des rendements très améliorés. On a conçu des robots pour exécuter des travaux les plus divers dans les domaines les plus variés mais aucun des robots connus n'est adapté au ponçage d'un plafond. On connaît par exemple un robot conçu pour poncer une surface optique, comme décrit dans la publication WO 90/14633. De fait, cette publication concerne essentiellement la commande du robot de polissage sans décrire la structure du robot lui-même. Le ponçage d'un plafond ou d'un mur n'offre aucune analogie avec le polissage d'une surface optique. On connaît d'autre part, dans le domaine du bâtiment, une grue robotisée, comme décrit par exemple dans la publication FR 2 653 761, et des robots de meulage auxquels on présente les objets à meuler. On connaît également des robots qui permettent de déplacer et d'amener en position des panneaux de cloison. Ces différents robots connus ne sont pas adaptés au ponçage d'un plafond ou d'un mur. Le dispositif de l'invention, conçu pour le ponçage d'un plafond et qui comprend un bras à une extrémité duquel est monté un outil de ponçage, ce bras étant porté par un support qui comprend une embase roulante, est caractérisé en ce que le bras est un bras manipulateur articulé compliant de type SCARA à compliance active, en ce que le support comprend un élévateur déployable verticalement qui repose sur l'embase roulante, et en ce que des moyens sont prévus pour commander le déploiement de l'élévateur et le fonctionnement du bras afin d'amener l'outil de ponçage en position de ponçage, en sorte que le dispositif constitue un robot de ponçage. Les bras manipulateurs de type SCARA (acronyme de SELECTIVE COMPLIANCE ASSEMBLY ROBOT ARM) sont, de façon connue en soi des bras articulés à plusieurs axes de rotation). La compliance est la faculté d'un robot à réagir en fonction des forces extérieures appliquées sur son outil. Il existe deux types de compliance : la compliance passive et la compliance active. En compliance passive, on utilise des systèmes mécaniques composés de ressorts, axes et articulations sans interaction entre l'ordinateur de contrôle du robot et le système compliant par lui-même. La compliance active utilise des capteurs de forces ou/et couples, le plus généralement des capteurs de force/couple à six degrés de liberté pour interagir avec le contrôleur du robot et commander ses mouvements en fonction des retours d'informations fournis par le capteur. Dans une réalisation préférée, le bras manipulateur comprend un premier bras qui peut pivoter autour d'un axe et un avant-bras qui peut pivoter sur le premier bras autour d'un axe, ces deux axes étant parallèles, l'avantbras portant à son extrémité libre l'outil de ponçage et des actionneurs étant prévus pour provoquer la rotation du bras et celle de l'avant-bras. L'outil de ponçage est de préférence une buse de grenaillage ou un disque rotatif. Dans le premier cas, la buse est alimentée par un dispositif qui de préférence est intégré au robot; dans le second cas, le disque rotatif est entraîné par un moteur électrique qui de préférence est monté à l'extrémité du bras pour entraîner directement le disque. Dans des solutions préférées, l'axe de rotation du disque de ponçage ou l'axe de projection de la buse est parallèle aux axes de pivotement du bras et de l'avant-bras. Dans les deux cas, le robot comporte des moyens qui aspirent les poussières résultant du ponçage, à proximité de la buse ou du disque. Le robot comprend avantageusement des moyens pour régler et contrôler la pression d'application du disque 30 de ponçage sur la surface à poncer. 6 L'élévateur en effet est normalement conçu pour amener le disque à faible distance ou en contact grossier avec cette surface et des moyens spécifiques sont ajoutés pour réaliser le contact qui convient en vue du travail à réaliser. Dans une solution préférée, ces moyens additionnels comprennent un vérin qui déplace le disque parallèlement à son axe de rotation. Un capteur d'effort est avantageusement disposé entre l'avant-bras et l'ensemble constitué par le disque et son moteur d'entraînement pour recueillir des informations sur l'effort de ponçage et permettre en conséquence une commande appropriée dudit vérin. Avantageusement le robot comporte également des moyens pour corriger l'orientation de l'outil par rapport au plafond lorsque le sol et le plafond ne sont pas parfaitement parallèles. Dans une solution préférée, relative au cas d'un disque de ponçage, ces moyens comprennent un ensemble constitué de deux plateaux reliés par une structure en treillis comprenant des biellettes. Cet ensemble étant interposé entre le disque de ponçage et son moteur d'entraînement ou entre ce moteur d'entraînement et le bras manipulateur. La publication FR 2 549 916 décrit un exemple d'un dispositif d'articulation actif utilisable dans un bras de robot constitué de deux plateaux reliés par une structure en treillis, où les billettes sont des vérins. Dans une solution préférée, pour augmenter la zone de travail pdtentielle de l'outil de ponçage, le bras manipulateur est monté à translation selon un axe horizontal sur une plate-forme fixée à la partie supérieure de l'élévateur. De préférence, cette translation est commandée par un système de vis à billes entraîné par un moteur. Si le robot est destiné aussi bien au ponçage d'un plafond qu'à celui d'un mur ou de la jonction d'un mur et d'un plafond, l'ensemble du bras manipulateur est monté à pivotement sur la plate-forme autour d'un axe horizontal. De préférence, l'élévateur est monté sur l'embase de façon à pouvoir être pivoté sur lui-même autour d'un axe vertical. Dans des réalisations préférées, l'élévateur comprend un mât télescopique ou une élévatrice à ciseaux. Des vérins ou des moteurs électriques commandés actionnent le mât ou l'élévatrice à ciseaux. L'embase roulante est montée sur roues ou sur chenilles actionnées par un ou des moteurs. Dans des réalisations préférées, l'embase peut se déplacer de façon autonome. De préférence, les actionneurs (moteurs ou vérins) qui provoquent les mouvements du robot (déplacement de l'embase, rotation de l'élévatrice, translation verticale de l'élévatrice, translation horizontale du bras et rotations du bras) sont électriques et alimentés par des accus portés par le robot ou par une source d'énergie indépendante. On décrira ci-après un exemple de réalisation préférée d'un robot de ponçage conforme à la présente invention, en référence aux figures du dessin joint, la description et les figures faisant apparaître les caractéristiques précitées et d'autres caractéristiques de la présente invention : - la figure 1 est un schéma de principe, en élévation, d'un local contaminé dont le plafond doit être poncé ; - la figure 2 est un schéma d'ensemble, en perspective, du robot selon l'invention ; - la figure 3 est un schéma du montage de l'outil de ponçage sur le bras manipulateur ; - la figure 4 est une perspective d'un capteur d'efforts ; - la figure 5 est une vue de principe du bras manipulateur ; - la figure 6 est une vue en perspective du bras manipulateur ; - la figure 7 est une vue de principe d'un dispositif d'embrayage monté sur l'articulation de l'avant-bras sur le bras ; - la figure 8 est un schéma d'une architecture de commande des actuateurs du robot les figures 9 à 13 représentent diverses configurations du robot, et - la figure 14 est un exemple d'un parcours de travail assigné à la ponceuse. On a schématisé sur la figure 1 un local (1) qui comporte un plafond contaminé (2) que l'on désire poncer au moyen d'un robot (3) conforme à l'invention. Ce robot n'est que très schématisé sur la figure 1 et est représenté de façon plus détaillée sur la figure 2. Il comprend : 9 une plateforme mobile (4) à deux chenilles (5) actionnées en rotation par deux moteurs sépares (non représentés), un élévateur à ciseaux (6) monté sur la plateforme de façon à pouvoir se déployer verticalement sous l'action de vérins (non représentés), et à tourner sur lui-même sous la commande d'un moteur (non représenté), une plateforme horizontale (7) fixée au sommet de l'élévateur et sur laquelle peut se déplacer longitudinalement une chape (8) sous l'action d'un moteur par l'intermédiaire d'une vis d'entraînement, un bras manipulateur (9) de type SCARA à compliance active monté sur la chape autour d'un axe de pivotement horizontal (10) qui permet de basculer le bras entre une position où l'axe de rotation du disque est vertical (ponçage d'un plafond) et une position où cet axe est horizontal (ponçage d'un mur) ou incliné (ponçage d'une transition plafond/mur, un disque de ponçage rotatif (11) et son moteur d'entraînement (12) portés à une extrémité du bras (9). Le disque est normalement entouré d'une chambre d'aspiration (non représentée) reliée à un aspirateur (non représenté) porté par le robot. L'effort du disque sur la surface à poncer est contrôlé (fig.3) par un vérin électrique (13) accouplé à un capteur d'effort (14). L'élévatrice (6) ne permet en effet que de placer grossièrement l'outil de ponçage à proximité ou au contact de la surface du plafond et le vérin électrique (13) constitue un actionneur qui permet un réglage plus fin grâce au capteur d'effort (14) qui donne une information sur la pression de l'outil sur le plafond. Des moyens sont prévus (non représentés) pour modifier l'assiette de l'outil afin de compenser un défaut éventuel de parallélisme entre le sol et le plafond. Une extrémité du vérin est fixée au bras et l'autre extrémité du vérin est fixée au moteur d'entraînement (12) de l'outil, lequel peut se déplacer à translation dans un guide vertical (15). Le bras manipulateur (9) est représenté dans son principe sur la figure 5 et en perspective sur la figure 6. Il est composé d'un bras (9a) et d'un avant-bras (9b). Le bras (9a) est monté à rotation autour d'un axe vertical (16) et entraîné en rotation par un actionneur (18) constitué par un moteur électrique. L'avant-bras (9b) est articulé sur le bras (9a) de façon à pouvoir pivoter autour d'un axe vertical (17) sous la commande d'un actionneur (19) porté par le bras et qui, dans l'exemple représenté, est déporté pour mieux répartir les charges et relié à l'avant-bras par une transmission. L'actionneur est un moteur électrique. Selon une caractéristique de cette réalisation, l'articulation de l'avant-bras sur le bras comporte un embrayage qui sert à suivre les obstacles lorsque le bras rentre en contact avec eux. Un capteur angulaire (non représenté) est prévu pour informer à tout moment sur la configuration du bras. L'embrayage peut être passif ou actif. Dans un exemple de réalisation représenté sur la 5 figure la figure 7, cet embrayage est passif et composé d'une bille (20) poussée par un ressort (21) dans un engrenage (22). La force du ressort doit être assez importante pour que le bras conserve sa position sous l'effet de son 10 propre poids. Les caractéristiques de ce ressort dépendront des diamètres de la bille et de l'engrenage. Les actionneurs sont commandés par des moyens informatiques connus en soi, en fonction de la 15 position désirée et du déplacement désiré du disque de ponçage, et des interactions désirées entre le robot et son opérateur. La figure 8 schématise pour l'exemple une architecture de commande. Les capteurs n'ont pas été 20 représentés sur cette figure : ils sont directement connectés sur les variateurs (V), sur les cartes de contrôle (C) ou sur l'ordinateur embarqué (0). Les commandes désirées entre le robot et son opérateur peuvent être très diverses : 25 • Commandes déportées ou manuelles Dans ce niveau d'autonomie le plus faible, le robot est considéré comme un simple outil manipulé par un humain. 30 Ce type d'interaction consomme beaucoup de ressources de l'homme et nécessite sa connaissance technique des tâches à accomplir. La fiabilité du résultat et la performance du système sont largement guidées par la richesse du flux d'information et sa vitesse de transmission. L'homme doit assurer à chaque instant la commande du robot et le robot doit attendre que l'opérateur lui indique les consignes. L'ergonomie de l'interface homme/machine est un facteur clé et doit tendre à améliorer la capacité 10 de l'opérateur à s'immerger dans l'environnement du robot et à le commander. • Contrôle supervisé Il s'agit d'une décomposition par l'opérateur 15 de la mission en une succession de tâches que le robot peut accomplir sans intervention de l'opérateur qui doit simplement surveiller le déroulement et éventuellement replanifier un nouvel enchaînement si un nouvel évènement survient. 20 Les commandes se font à un niveau plus élevé que dans le cas précédent. Il y a une relation forte de subordination entre le robot et l'opérateur qui conserve l'entière responsabilité des cycles de tâches, ce qui nécessite son attention concentrée. 25 • Comportements commandés Dans ce mode au lieu de définir un enchaînement de tâches, l'opérateur définit un enchaînement de comportements face à des estimations du robot. 30 L'opérateur peut activer, de manière simultanée, plusieurs comportements réactifs qui peuvent éventuellement être interactifs (évitement d'obstacles et suivi de trajectoire par exemple). L'opérateur reste responsable de l'enchaînement des comportements et de leur pertinence face à la mission globale. • Echange de contrôle Dans ce mode, le robot possède la capacité à décider d'enchaîner une action suite à la perception d'un environnement. Le robot exécute des tâches de manière autonome mais l'opérateur peut à tout moment intervenir. Il s'agit plus d'un partenariat robot- opérateur, l'homme exerce son expertise dans les cas requis (tâches trop complexes ou situation d'échec), il peut alors reprendre la main à un niveau bas ou commander l'exécution d'un tâche de haut niveau. La responsabilité temporaire de l'opérateur est alors totale envers le robot. La ressource opérateur est optimisée et utilisée uniquement dans les cas où elle est indispensable - son recours évite une trop grande sophistication du robot mais exige de celui-ci la prise en compte des interventions humaines pour compléter sa mission. • Contrôle partagé Dans ce mode, certaines fonctions sont laissées à la responsabilité du robot, l'opérateur ne commande qu'un partie des actions, il peut échanger son contrôle avec le robot sur quelques points sensibles soit localement soit temporellement, la suite de la mission pouvant être alors gérée par le robot (évitement d'obstacle laissé à la responsabilité du robot et déplacement piloté par le système et/ou par l'opérateur successivement). Le contrôle de l'opérateur n'est exercé que sur un nombre limité de mécanismes du robot. • Autonomie ajustable Dans ce mode d'interaction, le niveau d'autonomie du robot est apprécié en fonction de la situation par le robot, qui ajuste ce niveau (en fonction de l'apparition d'évènements critiques, ou de la charge de l'opérateur ou de ses compétences), permettant à l'opérateur de n'intervenir qu'au moment le plus approprié. La mission repose dans la capacité de l'opérateur et du robot à définir leur niveau optimum de coopération. Au fil de la mission le contrôle du robot peut être à la charge de l'homme ou de mécanismes automatiques. La programmation de la commande du robot tient compte du parcours du travail que l'on veut imposer à l'outil. La figure 14 est un exemple d'un parcours programmé pour poncer une surface ABCD. Le robot est renseigné sur les limites de cette surface, par exemple par la connaissance des coordonnées des points A,B,C,D, et programme les fonctionnements des actionneurs, selon les procédures connues de la robotique, pour que l'outil de ponçage effectue en continu un parcours adéquat pour couvrir la surface, par exemple le parcours représenté en traits interrompus sur la figure 14, l'embase roulante étant ou non à poste fixe et la profondeur de ponçage étant ou non constante au cours d'un parcours. Si nécessaire plusieurs passes sont réalisées pour obtenir la profondeur de ponçage voulue. L'invention n'est pas limitée aux réalisations qui ont été décrites. 20 REVENDICATIONS 1. Dispositif de ponçage de plafond qui comprend un bras (9) à une extrémité duquel est porté un outil de ponçage (11), ce bras étant porté par un support qui comprend une embase roulante (4), caractérisé en ce que le bras (9) est un bras manipulateur articulé de type SCARA à compliance active, en ce que le support comporte un élévateur (6) déployable verticalement qui repose sur l'embase roulante, et en ce que des moyens de commande sont prévus pour commander le déploiement de l'élévateur et le fonctionnement du bras afin d'amener l'outil en position de ponçage, en sorte que le dispositif constitue un robot de ponçage. 2. Dispositif selon la revendication 1 dont le bras manipulateur (9) comprend un premier bras qui peut pivoter autour d'un axe (16) et un avant-bras (9b) qui peut pivoter sur le premier bras (9a) autour d'un axe (17) et qui porté à son extrémité libre l'outil de ponçage (11), ces deux axes de pivotement (16,17) étant parallèles, et des actionneurs électriques (18,19) étant prévus pour provoquer les rotations du bras et de l'avant-bras. 3. Dispositif selon la revendication 2 et dont l'articulation de l'avant-bras (9b) sur le bras (9a) comprend un embrayage. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 et qui comporte des moyens pour corriger l'orientation de l'outil afin de compenser un défaut éventuel de parallélisme entre le sol et le plafond. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 dont le bras manipulateur est monté à translation selon un axe horizontal sur une plateforme (7) fixée à la partie supérieure de l'élévateur. 6. Dispositif selon la revendication 5 dans lequel ladite translation est provoquée par un système à vis et à billes entraîné par un actionneur électrique. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6 dont le bras manipulateur est monté à pivotement sur la plate- forme autour d'un axe horizontal (10). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dont l'élévateur (6) est monté sur l'embase de façon à pouvoir être pivoté sur lui-même autour d'un axe vertical (10). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 dont l'élévateur comprend un mât télescopique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 dont l'élévateur comprend une élévatrice à ciseaux (6). 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 dont l'embase roulante est montée sur roues. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 dont l'embase roulante (4) est montée sur chenilles (5). 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 dont les moyens de commande comprennent des actionneurs (moteurs ou vérins) qui commandent au choix les mouvements de l'élévateur, du bras, de l'outil et de l'embase. 14. Dispositif selon la revendication 13 dont les actionneurs sont électriques et alimentés par des accus 30 portés par le robot ou par une source d'énergie extérieure. 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14 et qui comprend un programmateur pour commander le fonctionnement des actionneurs. 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 dont l'outil de ponçage est une buse de grenaillage. 17. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3 et la revendication 16 dont la buse projette la grenaille selon un axe de projection parallèle aux axes de pivotement (16,17) du bras et de l'avant-bras. 18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 dont l'outil de ponçage est un disque rotatif (11) entraîné par un moteur (12). 19. Dispositif selon la revendication 2 ou 3 et la revendication 18 dans lequel l'axe de rotation du disque de ponçage est parallèle aux axes de pivotement du bras et de l'avant-bras. 20. Dispositif selon l'une des revendications 15, 18 et 19 et qui comprend des moyens (13,14) pour régler et contrôler la pression d'application de l'outil de ponçage sur la surface à poncer. 21. Dispositif selon la revendication 20 dont lesdits moyens comprennent un vérin électrique (13) dont le piston déplace le disque de ponçage selon l'axe de rotation du disque. 22. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 21 et la revendication 6 et qui comprend un capteur d'efforts (14) disposé entre l'avant-bras et l'ensemble constitué par le disque et son moteur d'entraînement pour recueillir des informations sur l'effort de ponçage et permettre en conséquence une commande appropriée dudit vérin. 23. Application d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 22 au ponçage d'un plafond. 24. Application d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 22 au ponçage d'un mur ou d'une jonction mur/plafond.