Brevet FR2962063A1 — publié le 20120106

La présente invention concerne un dispositif robotisé d'assistance à la manipulation par un opérateur d'un élément tel qu'un outil ou une pièce pesante. L'invention a notamment des applications de cobotique dans lesquelles des robots (ou cobots) travaillent en collaboration directe et intuitive avec un ou plusieurs opérateurs dont ils partagent l'espace de travail. Les progrès dans le domaine de la robotique ont permis d'envisager de pouvoir faire manipuler un élément simultanément par un opérateur et un robot (on parle de comanipulation) de manière à associer l'intelligence et la dextérité de l'opérateur à la force, la rigidité et la précision du robot. On connaît ainsi des robots comprenant une base sur laquelle est monté un segment mobile associé à des moyens de motorisation qui sont reliés à une unité de commande. Le segment mobile a une portion d'extrémité pourvue d'un organe de maintien d'un élément à manipuler et d'une poignée de manipulation de ladite portion d'extrémité par un opérateur. L'unité de commande est reliée à des capteurs d'efforts fixés entre ladite portion d'extrémité, la poignée de l'opérateur et l'élément à manipuler. L'unité de commande est agencée pour commander les moyens de motorisation de manière à amplifier d'un facteur prédéterminé l'effort exercé par l'opérateur. L'opérateur guide alors la portion d'extrémité du segment mobile, et donc l'élément qui y est attaché, en s'adaptant aux contraintes et aléas de l'opération à réaliser tandis que le robot exerce l'effort à appliquer sur l'élément à manipuler. Le développement de ces techniques se heurte à la forte inertie des robots, notamment des robots industriels, qui rend leur utilisation relativement inconfortable voire dangereuse pour l'opérateur. Cette inertie résiduelle de la commande est due, d'une part, à l'inertie du robot elle-même et, d'autre part, au déphasage introduit par la chaîne de commande et de transmission de l'effort exercé sur l'élément par le robot. L'inertie résiduelle empêche l'opérateur de déplacer aisément le segment mobile. En outre, lorsque l'élément manipulé est une lame, l'amplification d'effort facilite les opérations de découpe mais rend la lame encore plus dangereuse si ladite lame se dégage brusquement du matériau en cours de découpage, car elle se meut alors avec l'inertie prédominante du robot multiplié par le gain d'amplification d'effort. Pour améliorer les performances de ces dispositifs robotisés, l'unité de commande est agencée pour commander les moyens de motorisation en impédance en fonction des données provenant des capteurs de manière à compenser les frottements interne à la structure du dispositif. Ceci ne permet cependant pas de diminuer significativement l'inertie perceptible par l'opérateur. Cette limitation résulte principalement de la présence entre les moyens de motorisation et les capteurs d'effort d'une chaîne mécanique possédant des modes vibratoires non modélisés à basse fréquence (de l'ordre de la dizaine de Hertz environ). En outre, si les gains d'asservissement sont augmentés pour réduire l'inertie perceptible par l'opérateur, des instabilités sont engendrées par les moyens de motorisation lorsque l'opérateur adopte une prise ferme de la poignée. Des filtres mécaniques ont été montés après les capteurs pour amortir les dites vibrations mais ces filtres, constitués d'un matériau souple, s'écrasent lorsque les efforts augmentent et n'assurent plus leur fonction de filtrage. Il a également été tenté de remédier à ces inconvénients en utilisant des robots spécialement étudiés pour limiter l'inertie au moyen par exemple d'une structure allégée. Ces robots présentent néanmoins les inconvénients d'être moins rigides et moins robustes que les robots industriels tout en étant plus coûteux. Les robots présentant une faible inertie et peu de frottements ont de plus généralement une capacité limitée de production d'effort. Différents agencements de capteurs ont en outre été envisagés sans apporter de réelles améliorations. Un but de l'invention est de fournir un moyen pour remédier au moins en partie aux inconvénients précités. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif robotisé d'assistance à la manipulation, comprenant une base sur laquelle est monté un segment mobile associé à des moyens de motorisation qui sont reliés à une unité de commande, le segment ayant une portion d'extrémité pourvue d'un organe de maintien d'un élément à manipuler et d'une poignée de manipulation de ladite portion d'extrémité par un opérateur, l'unité de commande étant reliée à des moyens de détermination de l'effort extérieur appliqué sur ladite portion d'extrémité et sur la poignée, et étant agencée pour commander les moyens de motorisation en fonction d'un facteur d'amplification de l'effort et d'au moins un gain d'asservissement déterminés. L'unité de commande est reliée à un capteur de pression monté sur la poignée pour détecter un effort de serrage de la poignée par l'opérateur et est agencée pour modifier le facteur d'amplification et/ou le gain d'asservissement en fonction de l'effort de serrage détecté. Ainsi, l'opérateur commande de manière intuitive le facteur d'amplification d'effort du robot. Par exemple dans le cas où l'élément est une lame, intuitivement, l'opérateur va peu serrer la poignée lorsqu'il déplace le segment mobile dans un environnement non contraint pour approcher la lame du matériau à découper et plus serrer la poignée lorsque la lame va devoir pénétrer dans le matériau à découper. De la même manière lorsque l'élément à manipuler est une pièce massive devant être positionnée précisément dans un logement, l'opérateur va intuitivement peu serrer la poignée lors de la phase d'approche et plus serrer la poignée lors de la phase finale de positionnement. Le facteur d'amplification peut dès lors être relativement faible dans la phase d'approche et relativement fort dans la phase finale. A l'inverse, le gain d'asservissement peut être élevé dans l'espace libre et faible lors des contacts. La modification du facteur d'amplification et/ou du gain d'asservissement permet d'accélérer la réponse du dispositif de robotisation et limite l'inertie de celui-ci. Le dispositif robotisé est de la sorte moins dangereux et plus facilement manipulable par l'opérateur. Le dispositif robotisé de l'invention peut être réalisé de manière simple et peu coûteuse par adaptation d'un robot industriel classique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif robotisé conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique partielle de la poignée équipée de capteurs de pression, - la figure 3 est un schéma de principe de la chaîne de commande du dispositif robotisé. Le dispositif robotisé conforme à l'invention et représenté sur les figures est configuré pour une application de découpe. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à cette application mais peut-être utilisée dans d'autres applications comme la manipulation de pièces massives pour la construction de bâtiments ou la fabrication de véhicules automobiles ou aéronautiques, l'installation de munitions sur des engins... Le dispositif robotisé comprend ici une base 1 sur laquelle est monté un bras 2 articulé ayant une extrémité libre 3 pourvu d'un support 4 pour un élément coupant 5. Une poignée 6 est également montée sur le support 4. Des moyens de motorisations sont montés sur le bras 2 pour permettre le déplacement de celui-ci. Les moyens de motorisations sont ici des moteurs électriques 7 qui sont disposés au niveau des articulations du bras 2 et qui sont reliés à une unité de commande 8 agencée pour piloter les moteurs 7. Les moteurs 7 et l'unité de commande 8 sont connus en eux-mêmes. L'unité de commande 8 est en outre reliée à un capteur 9 des efforts exercés par l'outil sur le bras 2, à un capteur 13 des efforts exercés sur le bras 2 par l'opérateur et à un capteur 10 de l'effort de serrage exercé par l'opérateur sur la poignée 6. Le capteur 9 comprend par exemple composantes du sur le support 2 au voisinage de la 2.(optionnel) est de type classique et 6 jauges de contrainte (pour mesurer torseur d'effort). Le capteur 9 est 4 ou sur l'extrémité libre 3 du bras connexion du support 4 avec le bras les 6 monté 30 Un capteur 13 qui peut être identique au capteur 9 est monté entre le support 4 et la poignée 6 afin de mesurer les efforts de l'opérateur. Un montage spécial permet de placer les 2 capteurs 9 et 13 dans le support 4 : celui mesurant les efforts de l'outil sur le robot 35 (ou ce qui est équivalent du robot sur l'outil et donc sur l'environnement), et celui mesurant les efforts de l'opérateur sur le robot. Le capteur 10 est intégré à la poignée 6. La poignée 6 comprend une armature 11 fixée rigidement au support 4 et recouverte d'une couche souple 12 d'un matériau élastiquement déformable comme un élastomère. Un film de détection de pression 13 s'étend entre la couche souple 12 et l'armature 11 en entourant cette dernière. Le film de détection de pression 14 comprend une pluralité d'électrodes associées en paires et est agencée pour permettre, entre les électrodes d'une paire, le passage d'un signal électrique ayant une caractéristique dépendant d'un effort exercé sur la couche souple 12 à l'aplomb de ladite paire. La couche souple 12 permet en outre un amortissement des vibrations qui pourraient transiter par la poignée entre le dispositif robotisé et l'opérateur. En référence plus précisément à la figure 3, l'unité de commande 8 est agencée pour commander les moteurs 7 de manière à amplifier d'un facteur prédéterminé l'effort détecté par le capteur 13 en modifiant le facteur d'amplification en fonction de l'effort de serrage détecté par le capteur 10, et de manière à améliorer la réversibilité du robot en modifiant les gains d'asservissement en fonction de l'effort de serrage. Le capteur 9 permet de mesurer l'effort effectivement exercé par le robot sur l'outil et de vérifier si l'effort effectif exercé correspond à l'effort amplifié calculé. Ainsi, le facteur d'amplification et les gains d'asservissement dépendent de l'effort de serrage exercé par l'opérateur sur la poignée 6. La relation entre le facteur d'amplification, et les gains d'asservissement, et l'effort de serrage exercé par l'opérateur sur la poignée 6 peut être linéaire ou non, varier de façon continue ou par paliers, être une relation de proportionnalité ou comporter uniquement deux valeurs de facteur d'amplification et de gains d'asservissement correspondant à un faible serrage et un fort serrage de la poignée. En l'espèce, le facteur d'amplification vaut 1 (valeur minimale), lorsque la poignée 6 est saisie sans quasiment la serrer par l'opérateur, et augmente jusqu'à une valeur maximale lorsque l'opérateur saisit fermement la poignée 6. De même, les gains d'asservissement évoluent entre 2 valeurs extrêmes dont la stabilité a été validée, en fonction des phases de fonctionnement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, la mesure des efforts exercés sur le bras robotisé peut être réalisée de différentes manières, par exemple en utilisant des capteurs articulaires dédiés et/ou en mesurant les courants d'alimentation des moteurs des articulations tout en faisant appel à des modèles mettant en relation une position du bras et un effort sur l'outil associé... Le dispositif peut aussi comprendre un capteur dédié à la détection des efforts exercés par l'opérateur sur le bras 2. La détection doit permettre de mesurer et dissocier l'effort exercé par l'utilisateur sur le bras et l'effort exercé par le bras sur son environnement. Par détermination, on entend la détection, la mesure ou l'estimation de l'effort de l'opérateur. Tout type de capteurs de pression est utilisable pour la réalisation de l'invention. Le capteur de pression peut ainsi être de type piézoélectrique, piézorésistif ou capacitif. Le dispositif robotisé peut être un robot comportant six degrés de liberté ou plus, ou bien avoir une structure plus simple avec un nombre limité d'articulations. Le gain d'asservissement possède des valeurs correspondant à un faible serrage et un fort serrage de la poignée ou le gain d'asservissement varie entre une valeur minimum et une valeur maximum, en fonction de la pression de serrage de la poignée. REVENDICATIONS1. Dispositif robotisé d'assistance à la manipulation, comprenant une base sur laquelle est monté un segment mobile associé à des moyens de motorisation qui sont reliés à une unité de commande, le segment ayant une portion d'extrémité pourvue d'un organe de maintien d'un élément à manipuler et d'une poignée de manipulation de ladite portion d'extrémité par un opérateur, l'unité de commande étant reliée à des moyens de mesure ou détermination d'un effort extérieur appliqué sur ladite portion d'extrémité et sur la poignée, et étant agencée pour commander les moyens de motorisation en fonction d'un facteur d'amplification de l'effort et d'au moins un gain d'asservissement déterminés, caractérisé en ce que l'unité de commande est reliée un capteur de pression monté sur la poignée pour détecter un effort de serrage de la poignée par l'opérateur et est agencée pour modifier le facteur d'amplification et/ou le gain d'asservissement en fonction de l'effort de serrage détecté. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la poignée comprend une armature recouverte d'une couche de matériau déformable élastiquement, un film de détection de pression comportant des électrodes et s'étendant entre l'armature et la couche de matériau déformable pour permettre le passage entre les électrodes d'un signal électrique ayant une caractéristique dépendant de l'épaisseur de la couche déformable à l'aplomb des électrodes. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le facteur d'amplification possède deux valeurs correspondant à un faible serrage et un fort serrage de la poignée. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le facteur d'amplification varie entre une valeurminimum et une valeur maximum, en fonction de la pression de serrage de la poignée. 5. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le gain d'asservissement possède des valeurs correspondant à un faible serrage et un fort serrage de la poignée. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le gain d'asservissement varie entre une valeur minimum et une valeur maximum, en fonction de la pression de serrage de la poignée.