Brevet FR3020843A1 — publié le 20151113

ENSEMBLE DE LIAISON ENTRE DEUX PIECES RELIEES PAR UNE ARTICULATION L'invention concerne un ensemble de liaison entre deux pièces reliées par une articulation. Elle s'applique à tout type d'articulation et peut notamment s'appliquer à une articulation d'un robot à caractère humanoïde. On entend par robot à caractère humanoïde, un robot présentant des similitudes avec le corps humain. Il peut s'agir du haut du corps, ou uniquement d'un bras articulé se terminant par une pince assimilable à une main humaine. Dans la présente invention, le haut du corps du robot est similaire à celui d'un tronc humain. Un robot à caractère humanoïde peut être plus ou moins sophistiqué. Il peut contrôler son propre équilibre statiquement et dynamiquement et marcher sur deux membres, éventuellement en trois dimensions, ou simplement rouler sur une base. Il peut recueillir des signaux issus de l'environnement (son, vue, toucher, etc.) et réagir selon un ou plusieurs comportements plus ou moins sophistiqués, et interagir avec d'autres robots ou êtres humains, soit par la parole, soit par la gestuelle. Pour une génération actuelle de robots humanoïdes, des programmeurs sont capables de créer des scénarios, plus ou moins sophistiqués, comme des séquences d'évènements envers le robot et/ou actions effectuées par le robot. Ces actions peuvent être conditionnelles à certains comportements de personnes qui interagissent avec le robot. Mais dans ces robots humanoïdes de la première génération, la programmation d'application est faite dans un outil de développement et chaque application nécessite d'être lancée par un déclenchement produisant l'occurrence incluse dans l'application. Dans le domaine de la robotique humanoïde, il y a donc besoin de 25 robot humanoïde capable de vivre une « vie autonome », comme le fait un être humain, qui est capable de se comporter d'une manière déterminée, en fonction de l'environnement dans lequel il évolue. Généralement, un tel robot est alimenté en électricité par une ou 30 des batteries d'accumulateurs, ou plus communément une ou des batteries. Il s'agit d'un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée. Le premier but de la batterie est de fournir l'intensité et la tension nécessaire au déplacement du robot. La batterie peut aussi être utilisée pour alimenter l'appareillage électronique embarqué sur le robot. On peut ainsi citer l'alimentation d'actionneurs générant le déplacement du haut du corps du robot par rapport au bas du corps, ou alors le déplacement de la tête du robot par rapport au tronc du robot. Il en va de même pour tout déplacement s'apparentant à un déplacement autour d'une articulation. Il est alors nécessaire, à un moment donné, de recharger la batterie du robot. Généralement, un robot fonctionnant sur batterie est apte à se mouvoir tant que la batterie est chargée et devient immobile en fin de charge de celle-ci. Un des risques en cas de perte d'alimentation du robot par sa batterie est une chute de celui-ci. En effet, le robot peut être penché, c'est-à-dire positionné d'une telle manière que le tronc du robot forme un angle par rapport à la verticale. S'il n'est plus alimenté en courant, le robot subit alors les seules forces de la gravité et peut donc chuter, risquant d'endommager un objet, une personne dans son environnement proche et/ou de se détériorer. Certains robots sont aptes à retourner à leur base de rechargement de manière autonome. Néanmoins, afin d'assurer un maximum d'autonomie au robot, il est souhaitable que les actionneurs consomment un minimum d'énergie pour générer les déplacements des pièces autour des articulations du robot. Enfin, en cas de perte d'alimentation lorsque le robot est penché ou que certaines de ses parties ne sont pas en position neutre, il est souhaitable d'avoir un moyen qui puisse positionner ces parties en position neutre, notamment pour éviter une chute du robot. L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un ensemble de liaison entre deux pièces reliées par une articulation. A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble de liaison comprenant : - une première pièce, - une seconde pièce, - une articulation reliant la première pièce et la seconde pièce et 35 permettant un déplacement relatif de rotation des pièces selon un axe horizontal, les pièces ayant une position neutre selon un axe vertical perpendiculaire à l'axe horizontal, caractérisé en ce qu'il comprend : - un moyen de rappel élastique comprenant une première et une seconde extrémité, en ce que la première extrémité du moyen de rappel est fixée à la première pièce, la seconde extrémité du moyen de rappel est fixée à la seconde pièce, et en ce que le moyen de rappel est configuré pour positionner les pièces en position neutre. Selon un mode de réalisation, le moyen de rappel est en polymère élastique. Avantageusement, le moyen de rappel est en élastomère. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de rappel est une sangle. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de rappel est un ressort hélicoïdal. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de rappel est un 20 ressort spiral. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de rappel est configuré pour amortir une oscillation élastique lors du positionnement en position neutre. Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble de liaison comprend en outre un actionneur positionné entre la première pièce et la seconde pièce configuré pour générer un déplacement relatif de rotation des pièces selon l'axe horizontal. Avantageusement, le moyen de rappel est dimensionné pour minimiser la force à appliquer par l'actionneur pour positionner les pièces en position neutre. 25 30 Avantageusement, l'ensemble de liaison comprend en outre un moyen pour désaccoupler l'actionneur de l'articulation. L'invention a aussi pour objet un robot à caractère humanoïde 5 comprenant un ensemble de liaison selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : 10 - la figure 1 représente un robot à caractère humanoïde comprenant un ensemble de liaison selon l'invention, - la figure 2 représente un exemple d'un socle comprenant des roues pour un robot à caractère humanoïde comprenant un ensemble de liaison selon l'invention, 15 - la figure 3 représente une vue d'un ensemble de liaison selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un ensemble de liaison selon l'invention, - la figure 5 représente schématiquement un autre mode de 20 réalisation d'un ensemble de liaison selon l'invention, - les figures 6a et 6b représentent deux graphiques montrant une courbe d'une force à appliquer pour générer un déplacement d'une partie par un actionneur au niveau d'une articulation sans et avec un ensemble de liaison selon l'invention, 25 - la figure 7 représente un moyen de désaccouplement d'un actionneur. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 30 Dans la description, l'invention est décrite avec l'exemple d'un robot se déplaçant au moyen de trois roues. Cependant, l'invention est applicable à un robot se déplaçant au moyen de un ou plusieurs membres inférieurs s'apparentant à une jambe humaine. 35 La figure 1 représente un robot 100 à caractère humanoïde comprenant un ensemble de liaison selon l'invention. Le robot 100 sur la figure 1 est pris comme exemple d'un robot humanoïde configuré pour être rechargé sur une base selon l'invention. La partie inférieure du robot 100 sur la figure 1 n'est pas fonctionnelle pour la marche, mais peut se mouvoir dans n'importe quelle direction sur son socle 140 qui roule sur la surface sur laquelle le robot 100 se trouve. Dans notre exemple, le robot 100 a une hauteur 110 qui peut être d'environ 120 cm, une profondeur 120 d'environ 65 cm et une largeur 130 d'environ 40 cm. Dans une configuration spécifique, le robot a une tablette 150 avec laquelle il peut communiquer des messages (audio, vidéo, pages internet) à son environnement, ou recevoir des entrées d'utilisateurs à travers une interface tactile de la tablette. En plus du processeur de la tablette, le robot utilise aussi le processeur de sa propre carte-mère qui peut être par exemple une carte ATOM TM Z530 de IntelTM Avantageusement, le robot a aussi un processeur dédié aux flux de données entre la carte-mère et les cartes supportant les capteurs rotatifs magnétiques ou en abrégé MRE pour le terme anglo-saxon Magnetic Rotary Encoders et des capteurs qui contrôlent les moteurs des articulations dans un membre et les balles que le robot utilise comme roues, dans un mode de réalisation de l'invention. Les moteurs peuvent être de types différents, en fonction de l'amplitude du couple maximum nécessaire pour une articulation définie. Par exemple, moteurs à courant continu à balais sans noyau de e-minebeaTM (SE24P2CTCA par exemple) peuvent être utilisés, ou des moteurs à courant continu sans balai de MaxonTM (EC45 _70W par exemple). Les capteurs rotatifs magnétiques utilisent préférentiellement l'effet Hall, avec 12 ou 14 bits de précision. Dans des modes de réalisation de l'invention, le robot illustré sur la figure 1 comprend aussi différents types de capteurs. Certains capteurs sont utilisés pour contrôler la position et les mouvements du robot. C'est le cas, par exemple, d'une unité inertielle localisée dans le torse du robot et comprenant un gyromètre 3-axes et un accéléromètre 3-axes. Le robot peut aussi inclure deux caméras 2D couleur RGB sur l'avant du robot (haut et bas) du type système sur puce (ou SOC pour le terme anglo-saxon System On Chip), comme celles de Shenzen V-Vision Technology LtdTM (0V5640), avec une résolution de 5 mégapixels à 5 images par seconde et un champ de vision (aussi appelé FOV pour le terme anglo-saxon Field Of View) d'environ 57° horizontal et 44° vertical. Un captes 3D peut aussi être inclus derrière les yeux du robot, comme le capteur ASUS XTIONTM SOC avec une résolution de 0,3 mégapixels à 20 images par seconde, avec environ le même champ de vision que les caméras 2D. Le robot peut aussi être équipé de générateurs de lignes laser, par exemple trois au niveau de la tête et trois dans la base, de manière à être capable de détecter sa position relative par rapport à des objets et/ou êtres humains dans son environnement. Le robot peut aussi inclure des microphones pour être capable de détecter des sons 1 0 dans son environnement. Dans un mode de réalisation, quatre microphones avec une sensibilité de 300mV/Pa +/-3dB à 1kHz et une gamme de fréquences de 300Hz à 12kHz (-10dB relativement à 1kHz) peuvent être implantés dans la tête du robot. Le robot peut aussi inclure deux capteurs sonar, éventuellement positionnés devant et derrière sa base, pour mesurer 15 la distance qui le sépare d'objets et/ou êtres humains dans son environnement. Le robot peut aussi inclure des capteurs tactiles, sur sa tête et sur ses mains, pour permettre des interactions avec les êtres humains. Il peut aussi inclure des pare-chocs sur sa base pour se protéger d'obstacles qu'il rencontre sur son parcours. 20 Pour traduire ses émotions et communiquer avec les êtres humains dans son environnement, le robot peut aussi inclure : - des LEDs ou diodes électroluminescentes, par exemple dans ses yeux, ses oreilles et sur ses épaules; - des haut-parleurs, par exemple au nombre de deux, localisés 25 dans ses oreilles. Le robot peut communiquer avec une base ou d'autres robots par le biais d'une connexion Ethernet RJ45 ou WiFi 802.11. Le robot peut être alimenté par une batterie Lithium Fer Phosphate avec une énergie d'environ 400 Wh. Le robot peut accéder à une 30 base de rechargement adaptée au type de batterie qu'il contient. La position et les mouvements du robot sont contrôlés par ses moteurs, en utilisant des algorithmes qui sont activés par des chaînes définies dans chaque membre et des effecteurs définis à la terminaison de chaque membre, compte tenu des mesures des capteurs. 35 La figure 2 représente un exemple d'un socle 140 comprenant des roues 50, 51, 52 pour un robot à caractère humanoïde comprenant un ensemble de liaison selon l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le socle 140 comprend trois roues 50, 51, 52. Il est bien entendu que l'invention s'applique aussi à un robot ayant un ou plusieurs membres inférieurs tels que des membres s'apparentant à des jambes humaines avec une ou plusieurs articulations comme la cheville ou le genou. La figure 3 représente une vue d'un ensemble de liaison 200 selon l'invention. L'ensemble de liaison 200 comprend une première pièce 210, une seconde pièce 220, une articulation 230 reliant la première pièce 210 et la seconde pièce 220 et permettant un déplacement relatif de rotation des pièces 210, 220 selon un axe horizontal 240. Les pièces 210, 220 ont une position neutre selon un axe vertical 250 perpendiculaire à l'axe horizontal 240. L'ensemble de liaison 200 comprend un moyen de rappel élastique 260 comprenant une première extrémité 261 et une seconde extrémité 262. La première extrémité 261 du moyen de rappel 260 est fixée à la première pièce 210. La seconde extrémité 262 du moyen de rappel 260 est fixée à la seconde pièce 220. Le moyen de rappel 260 est configuré pour positionner les pièces 210, 220 en position neutre. Le moyen de rappel 260 peut être en polymère élastique. Plus précisément, il peut être en élastomère. Sur la figure 3, le moyen de rappel 260 est une sangle. La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'un ensemble de liaison 300 selon l'invention. L'ensemble de liaison 300 comprend un moyen de rappel élastique 360 comprenant une première extrémité 361 et une seconde extrémité 362. La première extrémité 361 du moyen de rappel 360 est fixée à la première pièce 310. La seconde extrémité 362 du moyen de rappel 360 est fixée à la seconde pièce 320. Le moyen de rappel 360 est configuré pour positionner les pièces 310, 320 en position neutre. Sur la figure 4, le moyen de rappel 360 est un ressort hélicoïdal. La figure 5 représente schématiquement un autre mode de 35 réalisation d'un ensemble de liaison 400 selon l'invention. L'ensemble de liaison 400 comprend un moyen de rappel élastique 460 comprenant une première extrémité 461 et une seconde extrémité 462. La première extrémité 461 du moyen de rappel 460 est fixée à la première pièce 410. La seconde extrémité 462 du moyen de rappel 460 est fixée à la seconde pièce 420. Le moyen de rappel 460 est configuré pour positionner les pièces 410, 420 en position neutre. Sur la figure 5, le moyen de rappel 460 est un ressort spiral. Les figures 6a et 6b représentent deux graphiques montrant une courbe 502 d'une force à appliquer pour générer un déplacement de la partie 210 (en référence à la figure 3) par un actionneur au niveau d'une articulation sans (figure 6a) et avec (figure 6b) un ensemble de liaison selon l'invention. La courbe 502 représente une force (axe des ordonnées) en fonction du temps (axe des abscisses). Une courbe 501 représente le déplacement de la partie 210 généré par l'actionneur. Une courbe 503 représente le déplacement de la partie 210 perçu par un capteur. Les courbes 501 et 502 représentent un déplacement (axe des ordonnées) en fonction du temps (axe des abscisses). L'ensemble de liaison 200 représenté sur la figure 3 comprend en outre un actionneur 270 positionné entre la première pièce 210 et la seconde pièce 220, par exemple dans l'articulation 230. L'actionneur 270 est configuré pour générer un déplacement relatif de rotation des pièces selon l'axe horizontal 240. Sur les graphiques des figures 6a et 6b, on peut distinguer quatre zones. La première zone numérotée 1 correspond à une première phase où la pièce 210, initialement en position neutre, c'est-à-dire à 0 rad par rapport à l'axe vertical 250, est mise en mouvement pour atteindre une position à 0.5 rad, en rotation par rapport à l'axe horizontal 240. Cette première phase 1 dure 10 secondes. La deuxième zone numérotée 2 correspond à une deuxième phase où la pièce 210, alors à 0.5 rad, est ramenée en position neutre en 10 secondes. La troisième zone numérotée 3 correspond à une troisième phase où la pièce 210, alors en position neutre, est amenée à -0.5 rad en 10 secondes. La quatrième zone numérotée 4 correspond à une quatrième phase pendant laquelle l'actionneur 270 n'est plus alimenté électriquement. La pièce 210 initialement à -0.5 rad doit revenir en position neutre. Cette phase permet de vérifier le retour en position neutre de la pièce 210 avec l'ensemble de liaison 200 selon l'invention, ainsi que l'amortissement de l'oscillation élastique. La figure 6a représente la force à appliquer pour générer un déplacement de la partie 210 par l'actionneur 270 au niveau de l'articulation 230 sans l'ensemble de liaison 200. Il s'agit donc du cas de référence. Sans devoir contrer l'effet de la gravité (phase 1), la force à appliquer dans l'exemple considéré est de 6 N.m. Lorsque la gravité n'aide pas le déplacement (phase 2), la force à appliquer pour le retour en position neutre de la pièce 210 est de 9 N.m. La figure 6b représente la force à appliquer pour générer un déplacement de la partie 210 par l'actionneur 270 au niveau de l'articulation 230 avec l'ensemble de liaison 200. Sans devoir contrer l'effet de la gravité (phase 1), la force à appliquer dans l'exemple considéré est de 8 N.m, au lieu de 6 N.m dans le cas de référence, soit une consommation électrique supplémentaire de 25%. Lorsque la gravité n'aide pas le déplacement (phase 2), la force à appliquer pour le retour en position neutre de la pièce 210 est de 3 N.m, au lieu de 9 N.m dans le cas de référence, soit un gain en consommation électrique de 66%. Ainsi, avec l'ensemble de liaison 200 selon l'invention, on constate une économie de la consommation électrique pour un déplacement aller-retour (perte de 25% dans un déplacement, gain de 66% dans le déplacement inverse). Autrement dit, l'actionneur 270 fournit moins d'effort pour déplacer la pièce 210 et la faire revenir en position neutre avec l'ensemble de liaison selon l'invention. On peut noter par ailleurs qu'avec l'ensemble de liaison 200, la pièce 210 revient bien en position neutre en l'absence d'alimentation électrique, la courbe 503 représentant le déplacement perçu par le capteur étant bien à 0 en fin de phase 4. Ainsi, en cas de perte d'alimentation, par exemple en cas de batterie déchargée, lorsque le robot est penché ou que certaines de ses parties ne sont pas en position neutre, l'ensemble de liaison 200 constitue un moyen qui positionne ces parties en position neutre, notamment pour éviter une chute du robot. Le moyen de rappel 260 est dimensionné pour minimiser la force à appliquer par l'actionneur 270 pour positionner les pièces en position neutre. Dans le cas d'une sangle comme représentée sur la figure 3 pour une articulation 230 positionnée entre le tronc et la partie inférieure du robot représenté sur la figure 1, la sangle peut être par exemple en élastomère, d'épaisseur de 2 mm, de largeur de 27.5mm et de longueur de 70mm. On peut aussi considérer une épaisseur de 3 mm et une largeur de 27 mm, et une longueur de 80 mm. Une telle sangle dispose de propriétés élastiques lui permettant de supporter de très grandes déformations (dans notre exemple quand le robot se penche au maximum) presque totalement réversibles et de reprendre sa forme initiale après l'arrêt de la sollicitation. Dans le cas où le moyen de rappel 260 est un ressort, comme sur les figures 4 ou 5, le dimensionnement du ressort passe par le choix de sa raideur qui correspond au rapport entre la sollicitation qu'il subit et sa déformation. Le bon dimensionnement du moyen de rappel 260 permet d'avoir un moyen de rappel capable de répondre aux besoins de déplacements de la partie 210 tout en assurant une optimisation de la consommation d'énergie associée aux déplacements. Le moyen de rappel 260 assure le retour en position neutre de la pièce 210 en l'absence d'alimentation électrique, ou accompagne le retour en position neutre 210 avec l'actionneur 270. Toute oscillation élastique autour de la position neutre n'est pas souhaitée. De ce fait, le moyen de rappel 260 est configuré pour amortir toute oscillation élastique lors du positionnement en position neutre, par exemple en choisissant le type de moyen de rappel et en le dimensionnant de manière adaptée au cas d'utilisation. La figure 7 représente un moyen de désaccouplement d'un actionneur. L'ensemble de liaison 200 selon l'invention comprend un moyen 600 pour désaccoupler l'actionneur 270 de l'articulation 230. Un accouplement 610 permet de réaliser un raccordement rapide entre l'actionneur 270 et l'articulation 230 permettant à l'actionneur 270 de générer un déplacement de l'articulation 230 pour notamment déplacer en rotation la pièce 210 (non représentée sur la figure 7). L'accouplement 610 peut être, par exemple, un embrayage ou un crabotage. Le moyen 600 pour désaccoupler l'actionneur 270 de l'articulation 230 permet de désolidariser l'actionneur 270 et l'articulation 230 (par exemple en séparant deux disques d'embrayage). Ainsi, en l'absence d'alimentation électrique, le moyen 600 désaccouple l'actionneur 270 de l'articulation 230 afin de permettre au moyen de rappel 260 d'assurer le retour en position neutre de la pièce 210. REVENDICATIONS1. Ensemble de liaison (200, 300, 400) comprenant : - une première pièce (210, 310, 410), - une seconde pièce (220, 320, 420), - une articulation (230, 330, 430) reliant la première pièce (210, 310, 410) et la seconde pièce (220, 320, 420) et permettant un déplacement relatif de rotation des pièces selon un axe horizontal (240), les pièces ayant une position neutre selon un axe vertical (250) perpendiculaire à l'axe horizontal (240), caractérisé en ce qu'il comprend : - un moyen de rappel élastique (260, 360, 460) comprenant une 10 première (261, 361, 461) et une seconde extrémité (262, 362, 462), en ce que la première extrémité (261, 361, 461) du moyen de rappel (260, 360, 460) est fixée à la première pièce (210, 310, 410), la seconde extrémité (262, 362, 462) du moyen de rappel (260, 360, 460) est fixée à la seconde pièce (220, 320, 420), 15 et en ce que le moyen de rappel (260, 360, 460) est configuré pour positionner les pièces en position neutre. 2. Ensemble de liaison (200, 300, 400) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de rappel (260, 360, 460) est en 20 polymère élastique. 3. Ensemble de liaison (200, 300, 400) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rappel (260, 360, 460) est en élastomère. 25 4. Ensemble de liaison (200) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rappel (260) est une sangle. 5. Ensemble de liaison (300) selon l'une des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que le moyen de rappel (360) est un ressort hélicoïdal. 6. Ensemble de liaison (400) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de rappel (460) est un ressort spiral. 7. Ensemble de liaison (200, 300, 400) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de rappel (260, 360, 460) est configuré pour amortir une oscillation élastique lors du positionnement en position neutre. 8. Ensemble de liaison (200, 300, 400) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un actionneur (270) positionné entre la première pièce (210, 310, 410) et la seconde pièce (220, 320, 420) et en ce qu'il est configuré pour générer un déplacement relatif de rotation des pièces selon l'axe horizontal (240). 9. Ensemble de liaison (200, 300, 400) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de rappel (260, 360, 460) est 15 dimensionné pour minimiser la force à appliquer par l'actionneur (270) pour positionner les pièces en position neutre. 10. Ensemble de liaison (260, 360, 460) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (600) pour 20 désaccoupler l'actionneur (270) de l'articulation (230). 11. Robot à caractère humanoïde (100) comprenant un ensemble de liaison (200, 300, 400) selon l'une des revendications précédentes. 25 30