Brevet FR3016039A1 — publié le 20150703

Système de détection d'impact pour dispositif robotique ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de détection d'impact pour dispositif robotique. L'invention concerne encore un dispositif robotique équipé d'au moins un tel système de détection. Arrière-plan technologique Il est connu que lorsqu'un robot partage avec un ou plusieurs opérateurs un espace de travail, la protection de cet ou de ces opérateurs ainsi que du robot devient une priorité absolue. Ce robot peut, en effet, en réalisant un mouvement, par exemple une rotation d'un bras, venir frapper un opérateur se trouvant dans le champ de déplacement de ce bras. L'opérateur qui est ainsi touché peut être blessé si le choc est suffisamment violent. Pour garantir la sécurité des opérateurs, des barrières physiques telles que des grillages, ou des barrières immatérielles telles que des systèmes 15 optiques sont couramment mises en oeuvre. Toutefois, ces barrières induisent une modification de l'espace de travail avec la création de zones d'accès restreintes, le positionnement de nombreux signes visuels tels que des empreintes au sol ou encore l'ajout d'organes supplémentaires pour assurer le transfert d'objets entre la zone 20 réservée au robot et la zone réservée aux opérateurs. Par ailleurs, des alarmes sonores bruyantes peuvent également être mises en oeuvre pour avertir l'opérateur du démarrage du robot ou d'une incursion dans la zone réservée au robot. Toutes ces barrières sont fastidieuses à installer et coûteuses. De plus, elles restreignent l'espace de travail des opérateurs. On connaît également des peaux sensibles basées sur des distributions matricielles de capteurs sensitifs aptes à détecter un contact. Toutefois, la fabrication de ces détecteurs est relativement complexe et onéreuse et n'est utilisée que sur de petites surfaces. On connait encore des surfaces tactiles comportant deux matériaux conducteurs ou résistifs pour détecter un contact par des mesures de résistivité électrique. Toutefois, la fabrication de ces détecteurs peut s'avérer complexe et surtout, les mesures peuvent ne pas être uniformes et donc fiables. La présente invention vise à pallier ces divers inconvénients de l'art antérieur en proposant un système de détection d'impact pour robot simple dans sa conception et dans son mode opératoire, économique et présentant une très grande sensibilité pour la mesure d'impacts même de très faibles énergies. Un autre objet de la présente invention est un tel système autorisant la détection du point d'impact de manière fiable et rapide. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne un système de détection d'impact pour dispositif robotique. Selon l'invention, ce système de détection comprend : - un élément de recouvrement souple pour envelopper, ou habiller, une partie dudit dispositif robotique, ledit élément de recouvrement délimitant un volume d'air intérieur, - au moins un capteur pour mesurer la pression différentielle entre la pression dans ledit volume d'air intérieur et la pression extérieure audit élément de recouvrement, - une unité de détection configurée pour recevoir le signal de mesure dudit au moins un capteur, exécuter sur la base dudit signal de mesure une analyse pour détecter une variation brusque de ladite pression et émettre un signal d'arrêt audit dispositif robotique lorsqu'une telle variation est détectée. On entend par « variation brusque » de pression, une variation haute- fréquence de cette pression telle que celle résultant de la génération d'une onde sonore se propageant dans ledit volume intérieur suite à un impact sur ledit élément de recouvrement. La pression extérieure audit élément de recouvrement est typiquement la pression régnant dans la zone telle qu'une pièce ou un hall, dans laquelle est placé le dispositif robotique. Cette pression extérieure sera donc généralement la pression atmosphérique mais pas nécessairement. Ladite partie dudit dispositif robotique étant mobile, l'épaisseur dudit élément de recouvrement est de préférence, inférieure à 15 mm et encore mieux à 10 mm pour ne pas limiter les mouvements de ladite partie mobile. Un tel système de détection d'impact permet avantageusement d'améliorer très sensiblement la sécurité des robots et de ce fait autoriser leur utilisation à proximité des opérateurs avec une plus grande sécurité. En effet, ce système de détection permet : - de détecter toute collision et stopper le robot avant que des blessures irréversibles puissent se produire, et - de diminuer les effets d'un impact en répartissant la force de contact sur une surface large et/ou par l'utilisation de matériaux souples. De manière avantageuse, un tel système de détection comportant un ou plusieurs capteurs non pas distribués sur l'ensemble de la peau comme les dispositifs de l'état de l'art mais localisés sur les bords de cette peau, moins de capteurs sont nécessaires et le câblage de ces capteurs est plus aisé. Dans différents modes de réalisation particuliers de ce système de détection, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: - ce système comporte au moins deux capteurs pour mesurer la pression différentielle. La mise en oeuvre d'au moins deux capteurs assure la redondance nécessaire en cas de panne/disfonctionnement de l'un des capteurs. La mise en oeuvre de trois capteurs, ou plus, c'est-à-dire d'au moins trois capteurs, permet de déterminer la position d'impact par triangulation. Ayant trouvé la position d'impact avec une bonne précision, il devient dès lors possible d'adapter la réaction du robot de la meilleure façon et même de profiter de cette information pour faciliter le pilotage du robot. - ledit élément de recouvrement comporte un matériau souple perméable à l'air, ledit matériau étant recouvert d'une paroi étanche sur au moins une de ses faces. De préférence, ledit élément de recouvrement comporte deux parois souples assemblées sur leur périphérie de manière étanche en délimitant entre ces deux parois un volume intérieur dans lequel est placé le matériau souple. A titre purement illustratif, la paroi souple étanche est réalisée en matière plastique souple ou en caoutchouc. De manière avantageuse, ledit matériau souple perméable à l'air est choisi dans le groupe comprenant une mousse, une mousse à cellule ouverte, une ouate fibreuse, un composant élastique et des combinaisons de ces éléments. - ledit élément de recouvrement est un matelas auto-gonflant, - ladite unité de détection comporte, pour chaque capteur, un circuit électronique comprenant un étage d'adaptation d'impédance en sortie duquel sont placés deux résistances pour séparer le signal sortant de cet étage d'adaptation d'impédance en deux signaux, chaque signal étant envoyé vers une entrée distincte d'un comparateur, un détecteur permettant de mesurer un signal en sortie dudit comparateur correspondant à une variation de pression pendant un temps At. Le système électronique peut aussi alternativement être complètement analogique : le signal du capteur est filtré numériquement afin d'obtenir le même résultat. - ce système comprend une interface de sécurité destinée à être placée entre ledit élément de recouvrement et ladite partie du dispositif robotique, ladite interface de sécurité étant apte à détecter une pression appliquée sur ladite interface et à envoyer un signal d'alarme vers une unité de contrôle, ladite unité de contrôle envoyant un signal d'arrêt audit dispositif robotique lorsqu'elle reçoit un tel signal d'alarme. A titre purement illustratif, cette interface peut être réalisée avec une peau sensible comprenant dans son épaisseur deux matériaux conducteurs espacés l'un de l'autre, lesquels transmettent un signal lorsqu'ils entrent en contact sous l'effet d'un choc. - ledit au moins un capteur est destiné à être monté directement sur ledit dispositif robotique ou est déporté par rapport audit élément de recouvrement pour ne pas former de point dur sur ledit élément de recouvrement, - ce système comprend une sonde pour mesurer la pression dans ledit volume intérieur, - ce système comporte un dispositif de gonflage pour maintenir une pression Pfonctionnement constante dans ledit volume intérieur. Avantageusement, cette pression Pfonctionnement est de l'ordre de 3 à 4 bars pour assurer une bonne sensibilité du système de détection aux impacts. La présente invention concerne également un ensemble robotique comprenant un dispositif robotique et un système de détection tel que décrit précédemment. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système de détection d'impact pour un robot selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique de l'unité de détection du système de la Fig. 1, - la figure 3 montre une peau équipée de deux capteurs du système de la Fig. 1, - la figure 4 montre un robot dont une partie du bras articulé est recouverte d'une peau telle représentée schématiquement sur la Fig. 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Tout d'abord, on note que les figures ne sont pas à l'échelle. Les Figures 1 à 3 décrivent un système de détection d'impact pour un robot selon un mode de réalisation particulier de la présente invention. Ce robot est ici placé dans un bâtiment à la pression atmosphérique Pratmo. Ce système comprend un élément 10 de recouvrement souple, ou peau sensible, pour habiller une partie de ce robot telle que son bras (non représenté), lequel est susceptible d'entrer en collision avec un objet ou une personne lors de son déplacement. Cet élément 10 de recouvrement est ici un matelas auto-gonflant comportant une mousse ensachée dans une enveloppe en matière plastique étanche. Ce matelas 10 auto-gonflant définit un volume 11 d'air intérieur présentant une pression intérieur Print. L'élément 10 de recouvrement étant souple et gonflé, il définit avantageusement une barrière de protection, susceptible d'absorber des impacts légers. De plus, cet élément 10 de recouvrement maintenant automatiquement sa forme, il ne requiert avantageusement pas de dispositif de gonflage et est donc toujours opérationnel. Comme le montre la Figure 1, le système comporte également deux capteurs 12 déportés aux extrémités de l'élément 10 de recouvrement de manière à ne pas former de point dur sur la surface externe de cet élément. Ces capteurs 12 mesurent la pression différentielle entre la pression Print dans le volume 11 d'air intérieur définit par l'élément 10 de recouvrement et la pression atmosphérique Pratm. Il est ainsi possible d'avoir accès aux variations de pression de l'air renfermé par l'élément 10 de recouvrement. Or, lors d'un impact sur l'élément 10 de recouvrement, une onde 13 de pression parcourt l'intérieur du volume délimité par le matelas 10 auto-gonflant engendrant une perturbation de pression qui est détectée par les deux capteurs 12. Ces mesures sont alors envoyées vers une unité 13 de détection configurée pour recevoir les signaux de mesure des deux capteurs 12, exécuter pour chaque signal, une analyse pour détecter une variation brusque de ladite pression et émettre un signal d'arrêt au robot lorsqu'une telle variation est détectée. Comme représenté sur la Figure 2, pour chaque capteur 12, l'unité de détection 13 comprend un circuit électronique associé uniquement à ce capteur et comportant un premier amplificateur opérationnel 14 en sortie duquel sont disposés deux résistances 15, 16, chacune allant sur une entrée distincte d'un second amplificateur opérationnel 17, les valeurs des résistances 15, 16 étant identiques ou les plus proches possibles. L'entrée inverseuse 171 du second amplificateur opérationnel 17 est reliée à la masse par un condensateur 18, l'ensemble formé par la résistance 16 et le condensateur 18 formant un filtre passe-bas sur l'entrée inverseuse 171 du second amplificateur opérationnel 17. Coté entrée inverseuse 171 de l'amplificateur opérationnel 17, 5 l'ensemble condensateur 18 / résistance 16 enlève toutes les hautes fréquences du signal et ne laisse passer que les basses fréquences. Coté entrée positive 172 de l'amplificateur opérationnel 17, tout passe, notamment les variations de pression issues des impacts sur l'élément 10 de recouvrement. 10 Le second amplificateur opérationnel 17 monté en comparateur donne à sa sortie un signal égale à 1 (niveau haut) lors d'une variation de pression et ce pendant toute la durée At de cette variation. Un microcontrôleur (non représenté) permet alors la mesure du signal en sortie du second amplificateur opérationnel. 15 La résistance 19 placée en sortie du second amplificateur opérationnel 17 ajoute une hystérésis à la sortie, empêchant l'apparition d'oscillations lorsque les deux niveaux d'entrée du second amplificateur opérationnel sont très proches. Par ailleurs, un lissage est réalisé par la capacité placée entre la borne 20 inverseuse du second amplificateur opérationnel 17 et la masse. Ce circuit comporte également une résistance 20 de pull-up évitant ainsi que le comparateur ne déclenche sur le bruit présent sur l'entrée non-inverseuse. Ce circuit permet avantageusement la détection de variations de pression infimes et présente une très grande réactivité et un temps de montée 25 très court. A titre purement illustratif, ce temps de montée est ici de l'ordre de 100 nanosecondes. Les signaux envoyés vers le comparateur 17 ne sont pas identiques, car une branche du circuit électronique comporte une capacité induisant un retard, et ne peut donc varier que lentement. De plus une résistance de tirage 30 fait légèrement monter le voltage, afin que le bruit du capteur n'engendre pas de mauvaises détections. La deuxième branche du circuit électronique varie quant à elle rapidement. De manière avantageuse, ce système de détection permet la détermination du point d'impact à la surface de l'élément de recouvrement. 35 En outre, on constate que le système de détection fonctionne même lorsqu'il présente de légères fuites. On observe également que les variations dans la pression extérieure audit élément de recouvrement telle que la pression atmosphérique, et par exemple, liées aux conditions météorologiques ou résultant encore de portes se fermant rapidement, sont suffisamment lentes et uniformes pour que le système de détection ne réagisse pas. L'utilisation de plusieurs capteurs 12 assure une détection redondante rendant de fait le système de détection plus sur. Elle offre également la possibilité de trianguler les signaux envoyés par les capteurs 12 afin d'estimer la position de contact à la surface de l'élément de recouvrement. Dans un mode de réalisation particulier où ce système comporte trois capteurs pour mesurer la pression différentielle C1, C2 et C3 et dans l'hypothèse où le capteur C1 est le premier à détecter une perturbation de pression, le capteur C2 étant le deuxième et le capteur C3 étant le troisième à détecter cette perturbation. Alors les écarts de temps de mesure sont respectivement (t2-ti) et (t3-ti). En considérant que la distance séparant le point d'impact de la position du capteur C1 est r, on en déduit que les distances séparant le point d'impact des capteurs C2 et C3 sont respectivement r + c x (t2-ti) et r + c x (t3-ti) où c est la vitesse de propagation de l'onde dans le volume intérieur de l'élément de recouvrement. Pour les éléments courbes, on considère que l'onde se propage sur une surface virtuelle médiane. L'intersection des courbes obtenues en considérant un pas Ar autour de la distance r permet d'obtenir la position du point d'impact en un temps très court et avec une très grande précision par un algorithme itératif. REVENDICATIONS1. Système de détection d'impact pour dispositif robotique, caractérisé en ce qu'il comprend : - un élément (10) de recouvrement souple pour envelopper une partie dudit dispositif robotique, ledit élément (10) de recouvrement délimitant un volume d'air intérieur, - au moins un capteur (12) pour mesurer la pression différentielle entre la pression dans ledit volume d'air intérieur et la pression extérieure audit élément (10) de recouvrement, - une unité (13) de détection configurée pour recevoir le signal de mesure dudit au moins un capteur (12), exécuter sur la base dudit signal de mesure une analyse pour détecter une variation brusque de ladite pression et émettre un signal d'arrêt audit dispositif robotique lorsqu'une telle variation est détectée. 2. Système de détection selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux capteurs (12) pour mesurer la pression différentielle. 3. Système de détection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en 20 ce que ledit élément (10) de recouvrement comporte un matériau souple perméable à l'air, ledit matériau étant recouvert d'une paroi étanche sur au moins une de ses faces. 4. Système de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau souple perméable à l'air est choisi dans le groupe comprenant 25 une mousse, une mousse à cellule ouverte, une ouate fibreuse, au moins un composant élastique et des combinaisons de ces éléments. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit élément (10) de recouvrement forme un matelas auto-gonflant. 6. Système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 5, caractérise en ce que ladite unité (13) de détection comporte, pour chaque capteur (12), un circuit électronique comprenant un étage (14) d'adaptation d'impédance en sortie duquel sont placés deux résistances (15, 16) pour séparer le signal sortant dudit un étage (14) d'adaptation d'impédance en deux signaux, chaque signal étant envoyé vers une entrée distincte d'un 35 comparateur (17), un détecteur permettant de mesurer un signal en sortiedudit comparateur correspondant à une variation de pression pendant un temps At. 7. Système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérise en ce qu'il comprend une interface de sécurité destinée à être placée entre ledit élément (10) de recouvrement et ladite partie du dispositif robotique, ladite interface de sécurité étant apte à détecter une pression appliquée sur ladite interface et à envoyer un signal d'alarme vers une unité de contrôle, ladite unité de contrôle envoyant un signal d'arrêt audit dispositif robotique lorsqu'elle reçoit un tel signal d'alarme. 8. Système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérise en ce que ledit au moins un capteur (12) est destiné à être monté directement sur ledit dispositif robotique ou est déporté par rapport audit élément (10) de recouvrement pour ne pas former de point dur sur ledit élément (10) de recouvrement. 9. Système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une sonde pour mesurer la pression dans ledit volume intérieur. 10. Système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 9, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de gonflage pour maintenir une pression P - fonctionnement constante dans ledit volume intérieur. 11. Ensemble robotique comprenant un dispositif robotique et un système de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.