Brevet FR3130966A1 — publié le 20230623

La présente invention concerne un capteur piézoélectrique comprenant une plaque piézoélectrique avec une première et une deuxième surface principale, un élément transmetteur recouvrant au moins une partie de la première surface principale et un contrôleur connecté à la plaque piézoélectrique. Le contrôleur est configuré pour mesurer une force exercée sur l’élément transmetteur et détecter un glissement d’un objet sur l’élément transmetteur et détecter des ondes ultrasonores réceptionnées par la plaque piézoélectrique pour mesurer une distance entre la plaque piézoélectrique et un objet. L’invention comprend également une pince robotique muni d’au moins un capteur, ledit capteur étant positionné sur un mors de la pince et une utilisation du capteur pour détecter une force, un glissement et une distance d’un objet. Figure pour l’abrégé : figure 1. CAPTEUR PIEZOELECTRIQUE POUR DETECTER UNE DISTANCE, UNE FORCE ET UN GLISSEMENT D’UN OBJET Domaine technique et état de la technique antérieure La présente invention se rapporte à un capteur piézoélectrique, de préférence pour une application dans le domaine de la robotique. Un robot industriel doté d’un préhenseur multidigital doit être capable d’assurer la prise et dépose d’un objet de géométrie et de raideur inconnue. Généralement, un tel robot est doté d’une caméra pour observer la scène dans laquelle est positionné l’objet à manipuler et d’un capteur de force positionné sur le dernier segment du bras robotisé. Souvent, lors de la tâche de saisie, le robot n’est pas en mesure de saisir l’objet correctement et de manière répétable. Par exemple, un défaut de centrage des doigts de la pince sur l’objet lors des phases d’approche peut conduire à un manque de contrôle des points de contact avec l’objet. Lorsque l’objet est déformable, en raison du manque d’informations sur les efforts de serrage nécessaire, l’objet risque d’être endommagé. A cause d’une limitation du champ d’observation de la caméra une fois que le préhenseur arrive à proximité de l’objet à saisir, une stratégie de saisie à adopter est mal renseignée. Finalement, une fois l’objet saisi, il reste difficile de le maintenir entre les mors de la pince. Il serait ainsi avantageux de mettre en œuvre un capteur permettant, en même temps, de fournir des renseignements durant une phase d’approche de l’objet, durant la phase de saisie et pendant que l’objet est déplacé par le bras robotique. C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir un capteur piézoélectrique comprenant une plaque piézoélectrique avec une première et une deuxième surface principale, un élément transmetteur recouvrant au moins une partie de la première surface principale et un contrôleur connecté à la plaque piézoélectrique. Le contrôleur est configuré pour : - mesurer une force exercée sur l’élément transmetteur et - détecter un glissement d’un objet sur l’élément transmetteur et - détecter des ondes ultrasonores réceptionnées par la plaque piézoélectrique pour mesurer une distance entre la plaque piézoélectrique et un objet. Ledit élément transmetteur peut couvrir entièrement la première surface principale de la plaque piézoélectrique. De façon alternative, l'élément transmetteur peut couvrir seulement une première partie de la première surface principale de la plaque piézoélectrique. Une surface de l’élément transmetteur peut comprendre une structure mécanique présentant une rugosité, de préférence une structure de picots. Avantageusement, l’élément transmetteur comprend un matériau élastique, encore plus avantageusement un polymère ou une silicone. La plaque piézoélectrique et le contrôleur peuvent ainsi être configurés pour émettre et recevoir des ondes ultrasonores afin de mesurer ladite distance. En plus, le capteur peut comprendre un deuxième élément piézoélectrique connecté au contrôleur, ledit deuxième élément étant configuré pour émettre des ondes ultrasonores et la plaque piézoélectrique étant configuré pour recevoir les ondes ultrasonores émises par le deuxième élément afin de mesurer ladite distance. De façon avantageuse, le contrôleur est configuré pour détecter un phénomène de coller-glisser à une surface de l’élément transmetteur pour détecter le glissement de l’objet. Le contrôleur peut aussi être configuré pour détecter une déformation de l’élément transmetteur afin de mesurer la force exercée sur ledit élément. Une pince robotique peut comprendre au moins un capteur tel que décrit auparavant, ledit capteur étant positionné sur un mors de la pince. Le capteur tel que décrit auparavant peut être utilisé pour détecter une force, un glissement et une distance d’un objet. Un tel procédé peut comprendre les étapes suivantes : - acquérir pendant une durée temporelle un signal de tension électrique émise par la plaque piézoélectrique, - effectuer une analyse fréquentielle du signal de tension acquis, - détecter une force par une présence d'un premier signal dans une première bande fréquentielle, - détecter un glissement par une présence d'un deuxième signal dans une deuxième bande fréquentielle, - détecter une distance par une présence d'un troisième signal dans une troisième bande fréquentielle, la première, deuxième et troisième bande ne présentant aucun recouvrement mutuel, les fréquences comprises par la troisième bande étant situées au-dessus de celles de la deuxième et celles de la deuxième bande étant situées au-dessus de celles de la première bande. La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels : montre un capteur piézoélectrique, montre le capteur piézoélectrique et un objet exerçant une force sur le capteur, montre le capteur piézoélectrique et un objet glissant sur la surface d’un élément transmetteur, montre le capteur piézoélectrique et un deuxième élément piézoélectrique, montre une intensité d’onde ultrasonore émise par la plaque piézoélectrique, montre une intensité d’onde à ultrason le long d’un axe, montre une forme alternative du capteur piézoélectrique, montre une pince robotique avec le capteur piézoélectrique. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers La montre un capteur piézoélectrique (10). Le capteur comprend une plaque piézoélectrique (20) qui peut, par exemple, avoir une forme de disque ou de plaque rectangulaire. Cette plaque piézoélectrique comprend une première (200) et une deuxième (210) surface principale qui sont, de façon générale, les deux surfaces avec les plus grandes étendues. Un élément transmetteur recouvre au moins une partie de la première surface principale. Dans l’exemple montré dans la , l’élément transmetteur couvre entièrement la première surface principale. De façon alternative et détaillée ultérieurement, seulement une partie de la première surface principale peut être couverte par l’élément transmetteur. L’élément transmetteur peut comprendre un métal ou un polymère. Par exemple, l’élément transmetteur peut être un bloc de silicone. L’élément transmetteur est assez flexible pour pouvoir être déformée par une force. Une déformation de l’élément transmetteur provoque une déformation de la plaque piézoélectrique. L’élément transmetteur et la plaque piézoélectrique sont ainsi liées pour pouvoir transmettre une force entre les deux. De façon générale, l’élément transmetteur est conçu pour pouvoir transmettre une force et des ondes vibratoires entre une surface de l’élément transmetteur et l’élément piézoélectrique, sans provoquer une atténuation importante. Autrement dit, l’élément transmetteur présente une absorption modérée des vibrations dans le domaine fréquentiel envisagé. L’élément transmetteur peut également pouvoir se déformer afin d’apporter une compliance mécanique au capteur. Ainsi, dans le cas où le capteur est monté sur une pince robotique, une dégradation d’un objet à saisir par ladite pince avec le capteur peut être réduite. L’élément transmetteur peut être lié et être en contact avec toute la surface de l’élément piézoélectrique (20). De façon alternative, l’élément transmetteur peut être lié et être en contact uniquement avec une périphérie de l’élément piézoélectrique. Encore de façon alternative, l’élément transmetteur peut être lié et être en contact uniquement avec le centre de l’élément piézoélectrique. La déformation de la plaque piézoélectrique provoque une tension électrique qui peut être mesurée par un contrôleur. Cette tension (V) peut être déterminée par la formule suivante : où F est la force exercée sur la plaque, d eff une constante de la plaque piézoélectrique et C la capacité électrique de la plaque piézoélectrique. La déformation de la plaque piézoélectrique causé par la force F peut être déterminée par : où k est une constante de raideur de la plaque en court-circuit. Afin d’illustrer le niveau des tensions qu’il est possible d’engendrer avec des transducteurs piézoélectriques et l’adéquation avec les spécificités de mesure de force dans le domaine de la préhension robotique, nous illustrons dans ce qui suit deux exemples impliquant l’utilisation de types de matériaux (PZT CTS 3203 HD et un monocristallin de type PMN-PT). La tension nominale obtenue pour une plaque piézoélectrique de type PZT CTS 3203 HD avec 1 cm 2 de surface et 1 mm d’épaisseur calculée sur la base d’un mode de sollicitation en d33 (6x10 -10 ) de capacitance de 3 nF est de 0,2 V/Kg. Une plaque piézoélectrique monocristalline de type PMN-PT sollicitée en mode en d33 (2,4x10 -9 ) de capacitance de 3,5 nF engendre un ratio de 0,68 V/Kg. Les niveaux de tension obtenus montrent qu’une plaque piézoélectrique de quelques cm 2 peut être utilisée pour mesurer les efforts de préhension ayant typiquement lieu lors d'une manipulation robotique. Un contrôleur (60) est connecté à la plaque piézoélectrique et configuré pour détecter ladite tension électrique provoquée par la déformation de la plaque piézoélectrique. Comme sera détaillée par la suite, à partir de cette tension, le contrôleur peut mesurer une force (70) exercée sur l’élément transmetteur et détecter un glissement (90) d’un objet (80) sur l’élément transmetteur. Le contrôleur peut également détecter des ondes ultrasonores qui sont réceptionnées (150) à travers de l’élément transmetteur par la plaque piézoélectrique. Cette réception d’ondes ultrasonores peut être évaluée pour mesurer une distance (110) entre la plaque piézoélectrique et un objet. La montre les mêmes éléments déjà décrites en combinaison avec la . De plus, la montre un objet (80) qui exerce une force sur l'élément transmetteur (50). La force (70) provoque une déformation de l'élément transmetteur (50) et de la plaque piézoélectrique. La tension électrique résultante est mesurée par le contrôleur afin de quantifier la force exercée par l’objet. Cette force sera appelée « force statique » parce qu’elle change avec une fréquence relativement lente, en fonction de la fréquence d’appui de l’objet sur l’élément transmetteur. La montre le même capteur (10) déjà montré dans les figures 1 et 2. Les mêmes éléments sont désignés par les mêmes signes de référence. Dans cette figure, l'objet (80) glisse (90) sur l'élément transmetteur. Ce glissement (90) provoque aussi, comme la force statique, une déformation de la plaque piézoélectrique et ainsi une tension électrique mesurable par le contrôleur pour détecter le glissement. Le glissement de l'objet sur l'élément transmetteur provoque un phénomène de coller-glisser à sa surface. Ce phénomène (anglais : stick-slip) est, de façon générale, un mouvement saccadé observé lors du glissement relatif de deux objets. Il s'explique par les lois de Coulomb du frottement qui font intervenir le coefficient de frottement statique ou coefficient d'adhérence et le coefficient de frottement dynamique ou coefficient de frottement de glissement. La tension électrique associée présente une forme particulière avec le temps, qui peut être qualifiée de « bruit vibratoire ». Cette forme permet de différencier un glissement de la force statique. L’amplitude du bruit vibratoire renseigne sur l’amplitude du glissement. Une amplitude du glissement où une vitesse de glissement peut être classifiée en analysant le spectre fréquentiel du signal reçu. Par exemple, une occurrence de glissement peut être classifiée selon la catégorie « glissement faible », « glissement moyen » ou « glissement important ». Avantageusement, une surface (100) de l’élément transmetteur comprend une structure mécanique présentant une rugosité (120), de préférence une structure de picots (130). Ladite rugosité peut également être procurée par une texture de surface autre. La texture de surface peut présenter un motif régulier. Ledit motif régulier peut comprendre des lignes parallèles, un quadrillage, des cercles concentriques, des ovales concentriques ou une spirale. La texture de surface peut aussi présenter des motifs irréguliers. Par exemple, la texture de surface peut comprendre des picots ou des grains de hauteur et d’espacement aléatoires. L’ordre de grandeur de la hauteur et/ou de l’espacement des motifs peut être de quelques centièmes de mm à quelques millimètres. Autrement dit, une distance entre structures du motif et une hauteur du motif peut être comprise entre 0.01 mm et 5 millimètres. La présence de la rugosité augmente le signal produit par le glissement de l’objet à la surface de l’élément transmetteur. Ainsi, une précision de la mesure du glissement peut être améliorée. La montre le capteur (10) déjà montré dans les figures 1, 2 et 3. Les mêmes éléments sont désignés par les mêmes signes de référence. La montre également des ondes à ultrason qui sont reçues (150) par la plaque piézoélectrique (20). On montre également des ondes à ultrason émises (140). Ces ondes à ultrason peuvent être émises par la plaque piézoélectrique elle-même ou par un deuxième élément piézoélectrique (160). Ce deuxième élément piézoélectrique est également connecté au contrôleur. La plaque piézoélectrique (20) et le contrôleur peuvent être configurés pour émettre (140) et recevoir (150) lesdites ondes ultrasonores. De plus, le deuxième élément piézoélectrique et le contrôleur peuvent être configurés pour émettre des ondes ultrasonores. Dans ce cas, la plaque piézoélectrique et le contrôleur sont configurées pour recevoir aussi les ondes ultrasonores émises par le deuxième élément piézoélectrique. Il est également possible que seulement le deuxième élément piézoélectrique est configuré pour émettre des ondes ultrasonores. Dans ce cas, la plaque piézoélectrique est configurée pour uniquement recevoir des ondes ultrasonores émises par le deuxième élément piézoélectrique. Dans les deux cas, les ondes ultrasonores traversent l’élément transmetteur pour arriver à la plaque piézoélectrique. L’élément transmetteur est configuré pour permettre un passage d’ondes à ultrason. Dans la plaque piézoélectrique, les ondes ultrasonores réceptionnées causent une tension qui est détectée par le contrôleur. L’émission et la réception des ondes ultrasonores permettent de mesurer une distance entre l’objet et la plaque piézoélectrique. Plus précisément, l’émetteur (la plaque piézoélectrique et/ou le deuxième élément piézoélectrique) émet des ondes ultrasonores qui parcourent dans l’air (ou dans un autre milieu) la distance les séparant de l'objet (80). Les ondes sont réfléchies par l’objet et une onde d’écho est renvoyée vers le récepteur (la plaque piézoélectrique (20)). La durée de l'aller-retour des ondes à ultrason est analysée par le contrôleur qui détermine ainsi la distance (110) de l’objet. Le temps entre l’émission et la réception de l’onde ultrasonore est proportionnel à la distance parcourue par l’onde. La figure 5 montre une intensité d’onde ultrasonore émise par la plaque piézoélectrique et/ou par le deuxième élément piézoélectrique. Le faisceau ultrasonore est constitué d’un lobe principal formant un cône dans lequel la plus grande partie de l’énergie est concentrée. Le faisceau comprend également des lobes secondaires comprenant une énergie beaucoup plus faible. Le faisceau comprend aussi deux régions distinctes en dépendance de la distance (direction z) à l’émetteur (la plaque piézoélectrique ou le deuxième élément piézoélectrique). Une première zone est dénommée zone de Fresnel ou champ proche (220). Dans cette zone, le faisceau a majoritairement une forme cylindrique. Une seconde est appelée zone de Fraunhofer (ou champ lointain (230)). Dans cette zone une divergence du faisceau a lieu. Ladite divergence est caractérisée par un demi-angle par rapport à un axe z. La limite entre le champ proche (220) et le champ lointain (230) se situe à une distance où désigne un diamètre de l’émetteur ayant une forme de disque et λ une longueur d’onde dans le milieu de propagation. L’angle de divergence peut être calculé par la relation . Une intensité de l’onde à ultrason le long de l’axe z peut être déterminé par : où I a0 désigne l’intensité au niveau de la plaque piézoélectrique. La montre l’intensité de l’onde à ultrason le long de l’axe z. Une plaque piézoélectrique sous forme de disque avec un diamètre de 5 mm et une fréquence de vibration de 0.76 MHz a été utilisée. Le signal est relativement instable dans le champ proche (220). L’intensité acoustique décroît régulièrement dans la zone du champ lointain (230) à cause de la divergence du faisceau. De façon avantageuse, une distance par rapport à un objet, qui est à mesurer, est située dans le champ lointain (230). Ainsi, un dimensionnement permet de conclure qu’une plaque piézoélectrique de 5 mm de diamètre peut avantageusement être utilisée pour mesurer une distance entre 1.5 cm et 10 cm. Ainsi, le capteur piézoélectrique comprend avantageusement un disque d’un diamètre de 5 mm, d’une valeur N t = 1.3 cm. La montre une forme alternative du capteur piézoélectrique. Les mêmes éléments déjà montrés dans les figures précédentes sont désignés par les mêmes signes de référence. Selon cette forme alternative, l'élément transmetteur (50) couvre seulement une première partie (30) de la surface principale de la plaque piézoélectrique. Une deuxième partie (40) n’est pas couverte. Comme décrit en combinaison avec la , un deuxième élément piézoélectrique peut être présent et connecté au contrôleur (non pas montré dans la ). La deuxième partie de la première surface principale, qui est dépourvue de l’élément transmetteur, est particulièrement sensible à l’émission et/ou à la réception d’ondes ultrasonores parce que les ondes ultrasonores émises et/ou réceptionnées ne sont pas obligées à traverser l’élément transmetteur (50). Ainsi, la mesure de distance peut être améliorée. Le capteur piézoélectrique comme décrit auparavant peut avantageusement être utilisé pour une pince robotique. La montre un exemple de pince robotique (180) sur laquelle le capteur piézoélectrique a été monté. La pince peut également comprendre plusieurs de ces capteurs. A l’aide du capteur, la pince robotique peut se rapprocher d’un objet à saisir en effectuant une mesure de distance, utilisant les ondes à ultrason. Une fois que l’élément transmetteur a établi le contact avec l’objet à saisir, une force de saisie peut être mesurée et ajustée. Durant le mouvement du bras robotisé tenant l’objet, la force de saisie peut s’avérer insuffisante et l’objet peut commencer à glisser. Ce glissement peut être détecté par le capteur piézoélectrique et la pince robotique peut réagir avant de perdre l’objet. Par exemple, la force effectuée sur l’objet peut être augmentée pour arrêter le glissement. Le capteur de la présente invention présente l’avantage de permettre ce contrôle de manipulation avec un seul élément, fournissant une mesure de force, de glissement et de distance. Le contrôleur est configuré pour distinguer la force statique exercée sur l’élément transmetteur d’un glissement de l’objet et des ondes à ultrason réceptionnées. Avantageusement, le contrôleur acquiert le signal de tension électrique émise par la plaque piézoélectrique pendant une durée temporelle. La durée temporelle peut être comprise entre 1 milliseconde et 1 seconde, avantageusement entre 10 millisecondes et 100 millisecondes. Ensuite, le contrôleur effectue une analyse fréquentielle du signal acquis afin d’obtenir un spectre. Par exemple, une transformée de Fourier du signal de tension peut être calculée. Un glissement peut être détecté par une mesure de la densité de l’énergie spectrale, à partir d’un calcul de l’énergie du spectre. Si l’énergie du spectre est plus élevée qu’une valeur seuil, le contrôleur conclut qu’un glissement a lieu. De façon alternative, la présence d’un motif au sein du spectre peut être recherchée pour conclure à un glissement. Ce motif peut être une présence ou une absence d’une ou de plusieurs raies fréquentielles ou une amplitude dépassant une valeur seuil ou plusieurs valeurs seuils associées respectivement à chaque raie fréquentielle, ou une présence d’une ou plusieurs sous bandes dont la densité d’énergie spectrale dépasse une valeur seuil, ou plusieurs valeurs seuils associées respectivement à la densité d’énergie spectrale de chaque sous bande. Il est également possible de suivre dans le temps une évolution dudit motif identifié. Un tel suivi du motif offre une façon particulièrement robuste de continuer à détecter le glissement malgré des changements comme par exemple une modification de l’effort de serrage. De manière générale, le contrôleur peut distinguer entre la force statique, le glissement et les ondes à ultrason par une analyse du spectre du signal de tension. La force statique résulte en une variation de signal de tension qui reste en dessous d’une première fréquence seuil. Cette première fréquence seuil est, par exemple, déterminée par une fréquence avec laquelle la pince robotique s’ouvre et se referme pour saisir l’objet. Par exemple, pour une pince robotique, une première fréquence seuil peut être de 10 Hz. Un glissement résulte en une variation du signal de tension acquis plus élevée. Typiquement, un bruit de glissement provoque une variation du signal entre 1 kHz et 5 kHz. Les ondes à ultrason utilisées ont habituellement une fréquence encore plus importante, par exemple plus grand que 5 kHz ou plus grand que 20 kHz afin de rester inaudible pour l’être humain. Ainsi, une variation du signal de tension acquis plus importante que 5 kHz ou plus grand que 20 kHz peut être associée à une onde à ultrason réceptionnée. Il est ainsi possible de déterminer une première, une deuxième et une troisième bande fréquentielle, les bandes ne présentant aucun recouvrement mutuel. Par exemple, la première bande peut être comprise entre 0 Hz et 10 Hz, la deuxième bande peut être comprise entre 1 kHz et 5 kHz et la troisième bande peut s’étendre au-delà de 20 kHz. Ainsi, les fréquences comprises par la troisième bande sont situées au-dessus de celles de la deuxième et celles de la deuxième bande sont situées au-dessus de celles de la première bande. Le contrôleur peut détecter une force statique par la présence d'un premier signal dans la première bande fréquentielle. Un glissement peut être détecté par une présence d'un deuxième signal dans la deuxième bande fréquentielle. La distance de l’objet peut être déterminée à partir d'un troisième signal trouvé dans la troisième bande fréquentielle. Capteur piézoélectrique (10) comprenant une plaque piézoélectrique (20) avec une première (200) et une deuxième (210) surface principale, un élément transmetteur (50) recouvrant au moins une partie de la première surface principale et un contrôleur (60) connecté à la plaque piézoélectrique, le contrôleur étant configuré pour : - mesurer une force (70) exercée sur l’élément transmetteur et - détecter un glissement (90) d’un objet (80) sur l’élément transmetteur et - détecter des ondes ultrasonores réceptionnées (150) par la plaque piézoélectrique pour mesurer une distance (110) entre la plaque piézoélectrique et un objet. Capteur selon la revendication 1 dans lequel l'élément transmetteur couvre entièrement la première surface principale de la plaque piézoélectrique. Capteur selon la revendication 1 dans lequel l'élément transmetteur couvre seulement une première partie (30) de la première surface principale de la plaque piézoélectrique. Capteur selon au moins une des revendications précédentes dans lequel une surface de l’élément transmetteur comprend une structure mécanique présentant une rugosité (120), de préférence une structure de picots (130). Capteur selon au moins une des revendications précédentes dans lequel l’élément transmetteur comprend un matériau élastique, avantageusement un polymère ou une silicone. Capteur selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la plaque piézoélectrique (20) et le contrôleur sont configurés pour émettre (140) et recevoir (150) des ondes ultrasonores afin de mesurer ladite distance. Capteur selon au moins une des revendications précédentes comprenant un deuxième élément (160) piézoélectrique connecté au contrôleur, ledit deuxième élément étant configuré pour émettre des ondes ultrasonores et la plaque piézoélectrique étant configuré pour recevoir les ondes ultrasonores émises par le deuxième élément afin de mesurer ladite distance. Capteur selon au moins une des revendications précédentes dans lequel le contrôleur est configuré pour détecter un phénomène de coller-glisser à une surface de l’élément transmetteur pour détecter le glissement de l’objet. Capteur selon au moins une des revendications précédentes dans lequel le contrôleur est configuré pour détecter une déformation (170) de l’élément transmetteur afin de mesurer la force exercée sur ledit élément. Pince robotique (180) comprenant au moins un capteur selon au moins une des revendications précédentes, ledit capteur étant positionné sur un mors (190) de la pince. Utilisation d’un capteur selon au moins une des revendications 1 à 9 pour détecter une force, un glissement et une distance d’un objet comprenant les étapes suivantes : - acquérir pendant une durée temporelle un signal de tension électrique émise par la plaque piézoélectrique, - effectuer une analyse fréquentielle du signal de tension acquis, - détecter une force par une présence d'un premier signal dans une première bande fréquentielle, - détecter un glissement par une présence d'un deuxième signal dans une deuxième bande fréquentielle, - détecter une distance par une présence d'un troisième signal dans une troisième bande fréquentielle, la première, deuxième et troisième bande ne présentant aucun recouvrement mutuel, les fréquences comprises par la troisième bande étant situées au-dessus de celles de la deuxième et celles de la deuxième bande étant situées au-dessus de celles de la première bande.