Brevet FR2942658A1 — publié le 20100903

L'invention concerne un dispositif de détection agencé pour recouvrir au moins une partie d'un appareil mobile tel qu'un robot ou tout autre type de machines mobiles et plus particulièrement des machines mobiles à proximité desquelles du personnel est susceptible d'intervenir. Plus précisément, ce dispositif a pour application la détection en avance d'un choc en vue de prendre des mesures pour réduire ou éliminer les effets néçatifs de ce choc. Arrière-plan de l'invention Les robots industriels sont habituellement cor.struits avec une architecture lourde et rigide. Les conséquences d'une collision entre le robot et son environnement même à petite vitesse peuvent donc être détiastreuses on risque d'une part d'endommager l'environnement qui peut comprendre des objets fragiles et des êtres humains et, d'autre part, le robot risque d'Être endommagé lui-même dans le cas d'un choc avec un élément de l'environnement plus résistant que lui, par exemple un mur en béton. Le problème se pose donc de liniter les conséquences des collisions qui peuvent survenir lorsqu'un robot d'inertie importante se déplace rapidement dans un environnement mouvant. Une solution proposée consiste à couvrir l'espace de travail du robot par une multitude de caméras fixes. Ces caméras réunissent des données concernant l'environnement du robot, et les mouvements de ce robot dans l'environnement. Ensuite, ces données sont traitées par un ordinateur connecté à ces caméras afin de déterminer et prévoir l'imminence d'une collision avec l'environnement. Cette solution entraine plusieurs inconvénients. D'abord, le temps de traitement des images est important et limite la vitesse de déplacement du robot. Ensuite, les algorithmes sont complexes et, de ce fait, ne sont que peu fiables. Aussi, ces algorithmes 2 requièrent de grosses ressources de calcul. En outre, le champ de vision d'une caméra peut être obstrué accidentellement, par exemple lors d'une baisse ou d'une extinction totale de l'éclairage ou au contraire lors d'une surexposition lumineuse. Les caméras sont de plus des équipements complexes dont le risque de défaillance n'est pas négligeable. Une autre solution proposée consiste à utiliser divers dispositifs capable de détecter mécaniquement un contact entre le robot et l'environnement. Selon une variante, on utilise un capteur d'effort à six axes disposé à la base du robot. La difficulté d'une telle soution est de discerner les légers efforts de contact environnement-robot précurseurs de la collision parmi les efforts importants dus à la masse et à la dynamique propre du robot, ainsi que du bruit intrinsèque au capteur. Le capteur devra être surdimensionné re=_ativement aux efforts de contacts afin de pouvoir supporter le poids du robot. En conséquence pour obtenir une sensibilité suffisante il est nécessaire de filtrer les signaux issus de ce capteur, ce qui est long et dégrade beaucoup le temps de détection de la collision. Il en est de même pour les systèmes de détection des efforts sur le corps du robot par la mesure des courants moteur, l'effet des frottements internes au robot devant alors être de surcroît pris en compte. Une autre solution consiste à équiper le robot avec des pare-chocs associés à des capteurs de pression. Cependant, lorsque le robot est en mouvement, l'inertie d'un pare-choc couplé à la raideur des capteurs de pression rend les mesures fines incertaines, ce qui peut limiter la sensibilité du système lorsqu'on en a le plus besoin : aux prémisses de la collision. Selon une autre variante, on utilise des capteurs sensibles aux efforts de contact, ces capteurs étant 3 répartis sur l'ensemble du corps du robot. Une telle solution présente l'inconvénient, lorsque le robot est en mouvement, qu'un contact entre le robot et l'environnement est détecté trop tard pour pouvoir éviter un impact. Encore une autre solution consiste à répartir des capteurs de proximité sur le corps du robot. La répartition des capteurs de proximité sur le corps du robot résulte d'un compromis entre la distance de détection et le nombre de capteurs. Une très courte distance de détection requiert l'usage d'un grand nombre de détecteurs ce qui est délicat à mettre en place. En revanche dans le cas où le nombre de capteurs est restreint la distance de détection est relativement importante de sorte que les capteurs risquent de détecter accidentellement d'autres parties du robot que celle où ils sont fixés. Objet de l'invention L'invention a pour objet un dispositif de prosection pour robot ayant pour fonction de détecter l'imminence d'une collision entre le corps d'un robot et l'environnement, et de la localiser afin de commander le robot pour qu'il évite cet impact. Brève description de l'invention Dans cette optique, on propose un dispositif de détection agencé pour recouvrir au moins une partie d'un appareil mobile, le dispositif comprenant un transducteur électromécanique comportant un support, une première sér=_e d'électrodes, une deuxième série d'électrodes, et une couche déformable associée aux électrodes des deux séries ; le support, les électrodes et la couche déformable étant agencés pour qu'un courant circulant entre une des électrodes de la première série et une électrode adjacente de la deuxième série soit proportionnel à une épaisseur de la couche déformable à 4 l'aplomb desdites électrodes. Avantageusement, le support comporte une couche de base sur laquelle sont fixées les électrodes de la première série et les électrodes de la deuxième série qui comportent des portions en regard, et une couche en matériau piézorésistif recouvrant la couche de base et les électrodes. La couche en matériau piézorésistif peut être associée à un matériau de raideur choisie (de la mousse par ex ). Les portions en regard des électrodes peuvent être imbriquées l'une dans l'autre et les électrodes peuvent avoir une forme de peigne. La couche déformable peut séparer les électrodes de la première série et les électrodes de la deuxième série. L'invention concerne aussi un robot comprenant une structure motorisée ayant une surface externe dont au moins une partie est recouverte d'un dispositif tel que décrit, et une unité de commande qui est reliée à au moins un moteur de la structure motorisée et au dispositif et qui est programmée pour commander le moteur pour faire réaliser un mouvement à la structure motorisée et pour interrompre le mouvement dès qu'un courant est détecté entre deux électrodes du dispositif, la couche déformable ayant une épaisseur et une souplesse telles que, pour une vitesse prédéterminée de la structure motorisée, l'unité de commande puisse interrompre le mouvement de la structure motorisée avant un écrasement maximal de la couche déformable. Le dispositif ici décrit permet à la fois de mesurer l'intensité du ou des contacts avec l'environnement et de localiser la ou les zones de contact sur l'appareil ou le corps du robot pour en déduire grossièrement une direction de l'effort. Cette couche constitue un espace de surveillance d'épaisseur choisie autour de l'appareil ou du robot Un avantage du dispositif selon l'invention est sa capacité à transmettre un effort limité représentatif de l'imminence d'un choc plutôt que le choc lui-même. Ce qui laisse le temps et la distance nécessaire à la mécanique de l'appareil ou du robot pour s'arrêter. 5 Un avantage du dispositif est que le choix du matériau de constitution de la couche de détection est incépendant du choix du capteur pour la zone sensible. Un avantage du dispositif selon l'invention est que la couche déformable peut aussi réduire les conséquences d'un choc avec l'opérateur ou l'environnement Un avantage est que la couche déformable protège l'élément de détection. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est le faible coût des matériaux le constituant, un faible cout de fabrication, et la possibilité d'une fabrication industrielle. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lumière des figures des dessins annexés, parmi lesquelles : - la figure la est une vue en perspective d'un robot, - la figure lb est une vue schématique en perspective d'un bras de robot associé à un dispositif selon l'invention, - la figure le est une vue d'un circuit de balayage et de conditionnement relié à la peau selon l'invention, - la figure ld est une vue d'un circuit de conditionnement, - la figure 2 est vue schématique en coupe dans l'épaisseur d'un dispositif de détection selon l'invention, - la figure 3 est une vue illustrant une structure de peignes complémentaires en détail, 6 - la figure 4 montre un diagramme illustrant le freinage du robot. Description détaillée de l'invention La figure la montre une vue en perspective d'un robot classique 1, sur lequel le dispositif de détection de l'invention peut être montré. Le robot comprend une structure motorisée ayant des moteurs 2, 3 et 4 reliés à une unité de commande 5 exécutant un programme informatique de pilotage de la structure motorisée. La structure motorisée comprend ici un bras de robot 100 ayant une surface extérieure sur laquelle s'étend un dispositif de détection 400 selon l'invention, qui forme une peau sur le bras du robot. Le dispositif 400 comprend un transducteur électromécanique 500 couvrant la surface extérieure du bras de robot 100 et comportant un support 550 pourvu d'électrodes 510, 520 et recouvert d'une couche déformable 300. Le transducteur est détaillé sur la figure 2. Le support 550 du transducteur électromécanique 500 comprend une couche de base 551, flexible, sur laquelle s'étendent les électrodes 510, 520, une couche à conduction variable 552 recouvrant la couche de base 551 et les électrodes 510, 520, une couche conductrice 553 recouvrant la couche à conduction variable 552 et une couche de protection 554 recouvrant la couche conductrice 553. La couche déformable 300 s'étend sur la couche de protection 554 et est. recouverte d'un revêtement extérieur 350 souple. Les électrodes 510, 520 ont une structure en forme de peignes complémentaires, i.e. des premiers peignes reliés les uns aux autres selon des lignes 510' et des seconds peignes reliés les uns aux autres selon des colonnes 520'. Chaque peigne 510, 520 est relié au circuit de balayage qui sera décrit plus loin, lui-même relié à l'unité de commande 5. Deux peignes imbriqués, 7 l'un dans l'autre, forment une cellule. La structure de pe=_gnes complémentaires a pour fonction de former des zones ou cellules sensibles de grande surface. Comme le nombre de signaux issus de la peau est une fonction de la taille de la zone ou cellule sensible, et qu'un nombre limité de signaux permet uncraitement plus rapide et plus simple, on peut adapter le nombre de signaux, i.e. la structure de peigne, en fonction des directives de sécurité concernant le robot en question. La couche à conduction variable 552 est en un matériau mince et flexible fonctionnant comme un élément électriquement résistif ayant une résistance fonction de la pression appliquée sur cette structure. La couche à conduction variable 552 est en un matériau piezorésistif. Un matériau qui peut être utilisé pour former la couche à conduction variable 552, la couche conductrice 553 et la couche de protection 554, est le matériau vendu sous le nom "QTC" par la société Peratech. Les peignes d'une même ligne ou d'une même colonne sont électriquement reliées par un circuit souple s'étendant sur la couche de base 551 en formant une structure en quadrillage 940. Cette structure en quadrillage peut être déformée afin de créer la plupart des formes nécessaires pour couvrir un membre d'un robot. En appliquant une tension entre un rang 510' et une colonne 520', on peut sélectionner la zone sensible de la peau correspondante à leur croisement. Une mesure du courant résultant indique alors la pression exercée sur cette zone. L'unité de commande 5 utilise cette mesure pour modifier ou arrêter le mouvement du robot. Ce procédé est décrit plus précisément ci-dessous en référence aux figures le et ld (à noter que l'agencement des électrodes est fortement schématisé sur ces figures afin d'en simplifier la lecture). :35 La fig. le montre un circuit de balayage et de 8 conditionnement 900 relié à la peau selon l'invention. Comme indiqué ci-dessus les premières électrodes de chaque cellule appartenant à un même rang sont interconnectées par une unique piste du circuit imprimé souple (FPCB) constituant le capteur. De même, les secondes électrodes de chaque cellule appartenant à une même colonne sont interconnectées par une unique piste, qui peut être réalisée sur une couche inférieure du FPCB pour éviter les croisements. Les rangs et les colonnes sont ensuite reliés au circuit de balayage et de conditionnement 900. Le circuit de balayage et de conditionnement 900 peut être embarqué dans chaque segment de la structure motorisé du robot et permet une préamplification et un multiplexage des signaux. Ce circuit 900 comprend un circuit de sélection de colonnes 930, relié aux colonnes du quadrillage 940, un circuit d'activation de rangs 950, relié aux rangs du quadrillage 940. Ici, un circuit de type 74HC238 a été utilisé comme circuit d'activation de rangs 950. Un circuit DG408 a été utilisé comme sélecteur de colonnes 930. Le circuit de balayage et de conditionnement 900 comprend un compteur binaire 960. Le circuit de balayage et de conditionnement 900 comprend aussi un circuit de conditionnement 920, qui sera décrit en détail plus tard, et qui et relié au sélecteur de colonnes 930. Un contrôleur 990, généralement localisé à l'extérieur du robot, comprend un convertisseur Analogique vers Numérique (CAN) 980 relié à un système de logicielle 910, qui a pour fonction d'asservir les mouvements du robot. Le contrôleur 990 et le circuit de balayage et de conditionnement 900 sont reliées par l'unité de gestion 980, qui a une entrée reliée à une sortie du circuit de conditionnement 920 et deux sorties reliées à deux entrées du compteur binaire 960. 9 La résistance d'une cellule dans cette construction est de plus de 10MOhm, lorsqu'aucune pression n'est appliquée, et descend jusqu'à moins de lkDhm lors d'une forte compression. Afin de détecter une pénétration dans la mousse le plus tôt que possible, en fonction de la raideur de la mousse, il faut mesurer une résistance dans la gamme de résistance comprise entre 10 kOhm et 1 MOhm avec un délai de réponse le plus court possible. Le circuit de balayage et de conditionnement 900 a pour fonction de mesurer indépendamment la conductivité de chacune des cellules reliées à ce quadrillage. Le circuit d'activation des rangs 950 met le potentiel des rangs à 0V, ou à 5 V quand la colonne est activée. Quand une colonne est sélectionnée, cette colonne est reliée au circuit de conditionnement 920, qui fixe son potentiel à 0V. Toutes les cellules de cette colonne sont donc soumises à une différence de potentiel (DDP) nulle, à l'exception de la cellule reliée au rang activé, qui est soumise à une DDP de 5V. De ce fait, le courant passe un:_quement à travers la cellule choisie cette caractéristique permet donc la mesure de plusieurs points d'appuis simultanés (multitouch). Le compteur binaire 960 sert à choisir des colonnes et des rangs. Les bits de poids faibles adressent le circuit d'activation de rangs 950, et les bits de poids fort adressent le circuit de sélection des colonnes 930. Ainsi, à chaque pulsation d'horloge, la cellule suivante du quadrillage est choisie. Un signal de réinitialisation est envoyé au compteur binaire à chaque cycle pour s'assurer que le balayage recommence toujours du départ. La fig. ld montre un circuit de conditionnement, ici un circuit amplificateur transimpédance, relié à une 35 cellule de la peau. Le fait que la couche de matériau 10 piezzoresistif soit très fine engendre un effet capacitif, ce qui est illustré par une capacité Csensor d'environ lnF, pour une cellule de 1 cm, connectée en parallèle avec une résistance Rsensor. Le circuit amplificateur transimpédance permet à la fois de fixer un potentiel constant aux bornes de la cellule et de mesurer le courant qui la traverse. Ainsi, il est possible de mesurer l'évolution de sa conductivité sans être perturbé par l'effet capacitif. Le temps de réponse est alors fortement réduit. La sensibilité de la mesure peut être réglée par la valeur de Rtrans. La couche déformable 300 crée une zone active autour du robot, avec une faible raideur, ce qui ne risque pas de créer d'instabilité de la commande lorsque la peau entre en contact avec l'environnement. Cela permet de commuter entre deux régulateurs . un premier régulateur lorsqu'on est en contact, et un second régulateur lorsqu'on est hors de contact, et donc de présenter des performances optimales dans ces deux cas. En effet, lorsque le robot est hors de contact, on souhaitera que les asservissements qui contrôlent la réalisation de la tâche principale du robot soient prépondérants les moteurs génèrent des mouvements rapides pour réaliser la tâche rapidement et fidèlement. Inversement, lorsque le robot entre au contact de l'environnement involontairement, on désire que les asservissements qui garantissent la sécurité soient prépondérants les consignes moteurs généreront des mouvements du robot afin d'éviter la collision plutôt que de réaliser les objectifs de la tâche principale. Pour garantir la stabilité lors du basculement d'un asservissement à l'autre, il est préférable que la transition ne soit pas brutale, d'où l'intérêt de la zone de transition engendrée par l'épaisse couche déformable 300. 11 La figure 4 montre un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif lors du freinage du robot. L'axe des ordonnées indique la distance entre un obstacle, la surface de la couche déformable et la surface du robot. L'axe des abscisses illustre le temps entre la détection d'un obstacle et l'arrêt du robot. Sur la figure 4, on voit que pour une épaisseur de la couche déformable d'environ 1 cm et une vitesse de déplacement de 1 m.s-1, l'obstacle pénètre dans la couche déformable pendant environ une milliseconde avant qu'un contact ne so:_t détecté. Quand le contact est détecté, le temps d'envoi des instructions d'arrêt au robot est aussi d'environ une milliseconde. Le robot est immobilisé après environ huit millisecondes, et ceci avant que l'obstacle ne touche et n'endommage la surface du robot. L'unité de commande 5 est programmée pour déplacer la structure motorisée et interrompre le mouvement dès qu'un courant est détecté entre deux électrodes du dispositif, la couche déformable ayant une épaisseur et une souplesse telles que, pour une vitesse prédéterminée de la structure motorisée, l'unité de commande 5 puisse interrompre le mouvement de la structure motorisée avant un écrasement maximal de la couche déformable 300. Des essais ont montré que l'invention permet un temps de réaction de l'ordre du millième de seconde. Des essais ont montré que selon l'épaisseur de la couche déformable 300, on peut détecter un contact à quelques centimètres avant un impact sur la partie dure du robot. Ceci permet d'envisager des vitesses de déplacement importantes du robot pour sa tâche principale (positionnement rapide d'objet, suivit des gestes de l'opérateur, ...) tout en garantissant la sécurité de l'utilisateur (la distance d'arrêt du robot peut être respectée). 12 La couche déformable 300 peut être une mousse élastomère ayant une souplesse et épaisseur prédéfinie selon l'effort de pénétration voulu, et la distance nécessaire à l'arrêt du mouvement du robot (le choix de la mousse est donc totalement libre). La couche déEormable 300 peut être du caoutchouc synthétique, par exemple du polycloroprène du polystyrène, un caoutchouc à mousse latex, du polysiloxane, un polymère à bloc comprenant du styrène butadiène, du styrène isoprène, du caoutchouc naturel ou tout matériau connu ayant une élasticité et une déformabilité approprié. La mousse a pour fonction de répartir et de recarder un choc afin d'avancer la transmission de l'information de contact avant une collision dure. Bien entendu, l'invention n'est pas limité au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante encrant dans le cadre de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, l'invention n'est pas limitée à être utilisée comme élément protecteur d'un robot. En particulier, le dispositif selon l'invention peut être utilisé comme peau protectrice par tout appareillage en déglacement, manuel ou automatique, afin de protéger l'appareillage contre l'environnement, et/ou protéger l'jenvironnement contre l'appareillage. La technologie capacitive, permet aussi la réalisation de l'élément de détection. On met alors les électrodes de part et d'autre d'une couche déformable, dais ce cas isolante, pour former un transducteur électromécanique capacitif. L'élément de détection peut aussi être remplacé par d'autres technologies piezorésistives telles que celles décrites dans les documents US-A- 7258026 et US-A-5756904. Revendications1. Dispositif de détection agencé pour recouvrir au moins une partie (100) d'un appareil mobile, caractérisé en ce que le dispositif comprend un transducteur électromécanique comportant un support, une première série d'électrodes (510), une deuxième série d'électrodes (520), et une couche déformable (300) associée aux électrodes des deux séries ; et en ce que le support, les électrodes et la couche déformable sont agencés pour qu'un courant circulant entre une des électrodes de la première série et une électrode adjacente de la deuxième série soit proportionnel à une épaisseur de la couche déformable à l'aplomb des dites électrodes. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support comporte une couche de base sur laquelle sont fixées les électrodes de la première série (51D) et les électrodes de la deuxième série (520) qui comportent des portions en regard, et une couche en matériau piézorésistif recouvrant la couche de base et les électrodes. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les portions en regard des électrodes (510, 520) sont imbriqués l'une dans l'autre. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les électrodes (510, 520) ont une forme de peigne. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le support (550) comporte une couche de base sur laquelle sont fixées les électrodes de la première série, et la couche déformable sépare les électrodes de la première série et les électrodes de la deuxième série. 6. Dispositif selon une des revendications précédentes, dans lequel la couche déformable (300) est 14 une mousse. 7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la couche déformable (300) comprend un élastomère. 8. Robot ou structure motorisée ayant une surface externe dont au moins une partie (100) est recouverte d'un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, et une unité de commande (5) qu:_ est reliée à au moins un moteur de la structure motorisée et au dispositif et qui est programmée pour commander le moteur pour faire réaliser un mouvement à la structure motorisée et pour interrompre le mouvement dés qu'un courant est détecté entre deux électrodes du dispositif, la couche déformable ayant une épaisseur et une souplesse telles que, pour une vitesse prédéterminée de la structure motorisée, l'unité de commande puisse interrompre le mouvement de la structure motorisée avant un écrasement maximal de la couche déformable.