FR2529333A1 - Poignet a detection de six composantes d'effort - Google Patents

Abstract

LE POIGNET, DESTINE A DES ROBOTS, COMPREND DEUX PLATEAUX 18, 19 ALIGNES SUIVANT UN AXE 17 ET UNE TRINGLERIE DE LIAISON MECANIQUE ENTRE LES PLATEAUX, MUNIE DE MOYENS 20 DE DETECTION DE CONTRAINTES. LA TRINGLERIE COMPORTE SIX TIGES 11-16 IDENTIQUES, AYANT LA MEME RIGIDITE EN FLEXION, REPARTIES AUTOUR DE L'AXE, DONT LES EXTREMITES PRESENTENT CHACUNE UNE LIAISON D'ENCASTREMENT AVEC UN DES PLATEAUX. LES TIGES SONT OBLIQUES ET CONSTITUENT UN TREILLIS REGULIER FERME SUR LUI-MEME.

Description

Poignet à détection de six composantes d'effort
La présente invention a pour objet un poignet à détection de six composantes d'effort, Elle trouve une application particulièrement importante en robotique, le poignet étant monté à l'extrémité d'un bras et étant muni d'une pince. A partir de signaux représentatifs des six composantes d'effort, on peut reconstituer l'ensemble des forces et des couples exercés par le poignet et les utiliser, dans un calculateur, pour élaborer en boucle fermée des ordres de commande des déplacements et des orientations du poignet.

On sait que les robots industriels, utilisés notamment pour effectuer des opérations d'assemblage, comportent des poignets élastiquement déformables, de façon à donner aux poignets une propriété qu'on désigne souvent par le terme anglo-saxon de "compliance". Mais cette compliance est en elle-même insuffisante pour compenser les défauts de positionnement ou d'alignement, notamment au cours des opérations d'assemblage précises où les tolérances de positionnement acceptables sont inférieures a la précision que permet d'atteindre la commande en boucle ouverte. Il faut alors disposer soit de détecteurs de contact ou de proximité fournissant une information analogue au toucher, soit de capteurs fournissant une information sur les forces et/ou les couples transmis par le poignet.Pour trouver une description de divers poignets de ce type, on pourra par exemple se reporter à l'article "Sensors for computer controlled mechanical assembly" par S.M. WANG et al, The
Industrial Robot, mars 1978, pp. 9-18.

Malheureusement, si les capteurs d'effort fournissant des signaux représentatifs de trois composantes sont maintenant bien au point et sont d'ailleurs largement utilisés, notamment pour corriger les vibrations au cours du travail d'une pièce en cours d'usinage par un outil de coupe, les capteurs a six composantes, qui seuls permettent de déterminer l'ensemble des forces et des couples qui agissent sur un poignet de robot, n'ont guère dépassé le domaine du laboratoire et, surtout, posent de nombreux problèmes.

En particulier, la plupart ne permettent pas d'arriver à la précision requise, du fait de phénomènes de frottement et/ou d'hystérésis.

La présente invention vise à fournir un poignet à mesure de six composantes d'effort répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est pratiquement exempt d'hystérésis, présente une grande sensibilité mécanique du fait de l'absence de frottements solides, et peut être réalisé sans jeu mécanique.

Dans ce but, l'invention propose notamment un poignet -comprenant deux plateaux alignés suivant un axe et une tringlerie de liaison mécanique entre les plateaux, muni de moyens de détection de contraintes.

La tringlerie est constituée par six tiges identiques ayant une faible rigidité en flexion, réparties régulièrement autour de l'axe, dont les extrémités présentent chacune une liaison d'encastrement avec un des plateaux, placées obliquement pour constituer un treillis régulier fermé sur lui-même. Chaque tige est munie d'un capteur de l'effort appliqué dans le sens longitudinal de la tige.

A condition de donner aux tiges une rigidité en flexion très faible, ctest-à-dire d'utiliser des tiges de faible section, avantageusement circulaire de façon à avoir une rigidité en flexion qui est la même dans toutes les directions, les couples d'encastrement sont totalement négligeables et on constitue une structure isostatique. I1 suffit pour cela que l'on puisse considérer que la rigidité de chaque tige flexible dans la direction longitudinale est pratiqu-ement infinie par rapport à la rigidité suivant tous les autres degrés de liberté.

Du fait que l'on utilise une liaison d'encastrement entre chaque tige et les plateaux, on supprime tout jeu mécanique et les frottements solides que l'on ne pourrait totalement écarter si la liaison s'effectuait par des joints universels tels que des rotules.

Il faut remarquer au passage que les couples d'encastrement résiduels, dans la mesure où ils subsistent, ne sont pas des inconvénients du fait de leur valeur faible. Ils se traduisent simplement par un léger décalage du zéro des capteurs, ce qui autorise une compensation facile et permet des mesures a partir d'une valeur non nulle du signal.

Chaque tige peut être constituée de deux tronçons reliés par un capteur de traction-compression du commerce, fournissant un signal électrique analogique. La compensation des dérives éventuelles dues aux variations de temp6- rature, des défauts de linéarité et de zéro, est aisément réalisée par une constitution appropriée des circuits d'exploitation de l'information fournie par les capteurs.

Lorsque le poignet doit être utilisé dans un robot, l'un des plateaux sera généralement fixé au bras du robot, tandis que l'autre plateau portera la pince, éventuellement par l'intermédiaire d'une structure mécanique élastiquement déformable assurant une compliance passive.

En modifiant l'écartement entre les plateaux, le (ou les) diamètre(s) des cercles sur lesquels sont réparties régulièrement les extrémités des tiges et l'inclinaison de ces tiges ainsi que leurs caractéristiques mécaniques, on peut adapter aisément le poignet suivant l'invention à toute application particulière. Toutefois, dans la pratique, on sera généralement amené à disposer les tiges avec une inclinaison comprise entre 20 et entre 45 , les deux extrémités étant réparties suivant des cercles de même rayon.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution générale du poignet et les paramètres qui interviennent dans les relations qui lient les forces de traction-compression dans les tiges aux forces et couples appliqués à l'un des plateaux,
- la figure 2 est une vue en plan à grande écheIle d'un des plateaux, la liaison d'encastrement d'une des tiges étant représentée,
- la figure 3 est une vue de détail, également a grande échelle, montrant le mode de fixation d'une tige sur l'un des plateaux,
- la figure 4 est un synoptique de principe montrant le mode de traitement des signaux fournis par les capteurs du poignet.

Le poignet 10 dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte six tiges désignées par les références 11 à 16 que l'on assimilera à des brins rigides dans le sens longitudinal, mais ayant au contraire une rigidité négligeable en flexion dans toutes les directions.

Dans la disposition représentée en figure 1, ces six tiges sont disposées suivant un treillis polygonal régulier, chaque extrémité d'une tige coïncidant avec l'extrémité de la tige adjacente. Le treillis ainsi constitué a donc trois points communs répartis suivant un premier cercle centré sur un axe 17 et trois points communs inférieurs, répartis a intervalles réguliers sur un second cercle également centré sur l'axe, qu'on supposera de rayon-égal à celui du premier cercle. Chaque point commun d'un des jeux présente un décalage angulaire de 60 par rapport aux points communs adjacents de l'autre jeu. Les six tiges présentent une liaison d'encastrement avec un premier plateau 18 aux trois points supérieurs. Elles présentent, de la même façon, une liaison d'encastrement aux points communs avec un second plateau 19, les deux plateaux étant parallèles et centrés sur l'axe 17.

Chacune des tiges 11 à 16 est munie d'un capteur, dont un seul, 20, est montré sur la figure 1. Ce capteur est d'un type permettant de mesurer les forces de traction ou de compression qui s'exercent dans la direction de la tige. Dans la mesure où les couples de flexion au niveau des encastrements restent négligeables et à condition que la longueur des tiges soit suffisamment faible pour qu'elles ne puissent pas présenter de phénomène de flambage, on peut écrire la relation suivante entre les forces F11 a F16 mesurées par les capteurs 20 d'une part, les forces Fx, Fy et Fz suivant les axes de référence montrés en figure 1 et les moments Mx, M y et Mz autour de ces mêmes axes, d'autre part, sous la forme

<tb> Fx <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> F11
<tb> <SEP> 2p <SEP> p <SEP> 2P <SEP> 2p <SEP> P <SEP> 2P <SEP>
<tb> F <SEP> y <SEP> <SEP> R/3 <SEP> <SEP> 0 <SEP> - <SEP> R/3 <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> 0 <SEP> - <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> F12
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> Fz <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> F13
<tb> Mx <SEP> O <SEP> -Rh#3 <SEP> <SEP> -Rh##3 <SEP> <SEP> 23 <SEP> Rh/3 <SEP> O <SEP> F14
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> M <SEP> y <SEP> Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> Rh <SEP> F15
<tb> <SEP> p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> p
<tb> Mz <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> F16
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb>
Dans la première matrice de la partie de droite de cette équation, p désigne la longueur de chaque tige, h est la distance entre les jeux de points communs le long de l'axe z et R est le rayon du cercle suivant lequel sont répartis les points communs de fixation des tiges aux plateaux.

On voit que la relation entre les forces qui s'exercent dans les brins et les forces et couples appliqués au poignet ne dépend que de la géométrie du système, ce qui évite l'étalonnage long et fastidieux requis dans d'autres cas.

Au surplus, la matrice révèle la grande isotropie du système, due à sa symétrie, et son égale sensibilité quelle que soit la direction du couple ou de l'effort appliqué.

L'idée qui vient immédiatement à l'esprit lorsqu'on veut réaliser un poignet de ce type consiste à réaliser des liaisons entre les plateaux 18, 19 et les tiges 11-16 à l'aide de rotules limitant les contraintes susceptibles de s'exercer sur les tiges à de simples tractions et compressions. Mais il est impossible de s'affranchir totalement de frottements solides au niveau de ces rotules et ces frottements donnent lieu à des phénomènes non linéaires. Il est apparu de façon surprenante que l'on pouvait, grace à l'utilisation de tiges ayant une très faible rigidité en flexion, rendre totalement négligeables les couples au niveau des encastrements, tout en supprimant les non linéarités dues aux frottements puisque les extrémités des tiges sont solidarisées totalement des plateaux.

Dans la pratique, la liaison entre les plateaux et les tiges peut être réalisée comme indiqué schématiquement sur I-es figures 2 et 3. Chaque tige, la tige 11, par exemple, est en deux tronçons reliant chacun un des plateaux au capteur 20. Une des extrémités de chaque tronçon est enfilée dans une chape 21 bloquée contre un plat ménagé à la périphérie du plateau, par exemple à l'aide d'un goujon 22 et d'un écrou 23 (figure 2). L'autre extrémité du tronçon est enfilée dans un pion 24 muni d'un prolongement fileté de fixation au capteur 20. Des trous taraudés 25 percés dans la chape 21 et le pion 24 permettent de bloquer les extrémités du tronçon à l'aide de vis.

Lorsque le poignet est utilisé sur un robot, l'un des plateaux sera généralement fixé de façon rigide à un bras de commande tandis que l'autre sera relié à un organe de préhension, tel qu'une pince. La liaison avec l'organe de préhension s'effectue avantageusement par l'intermédiaire d'une structure élastique à faible débattement suivant six degrés de liberté, permettant d'assurer une compliance passive. Sur la figure 1, on a schématiquement montré une telle,structure élastique fixée au plateau 18. Cette structure comporte-trois tiges 26 parallèles à l'axe 17, régulièrement réparties autour de cet axe, encastrées a une extrémité dans le plateau 18 et, à l'autre, dans un disque 27 placé entre les plateaux.

Elle comporte de plus un jeu de trois tiges 29 réparties régulièrement autour de l'axe 17, convergent vers cet axe, encastré à une extrémité dans le disque 27 et, a l'autre, dans un disque 28 auquel est fixé l'axe porte-pince. Les tiges sont de très faible section, de façon a constituer une structure a six degrés de liberté.

La mise en oeuvre du poignet qui vient d'être décrit dans un robot commandé par calculateur peut s'effectuer sous la forme indiquée sur l'organigramme de la figure 4.

Les signaux de mesure fournis par les capteurs dynamométriques 20, représentant les forces F11,... F16 qui s'exercent dans le sens longitudinal aux tiges 11 à 16, sont appliqués à un circuit de conditionnement (cadres 30 et 31). Le conditionnement des signaux peut notamment avoir pour but de compenser les dérives en températures et les erreurs de zéro. Les signaux analogiques ainsi élaborés sont soumis a une conversion analogique/numérique (cadre 32).

Les signaux numérisés sont envoyés a un calculateur qui détermine, à partir des signaux analogiques et-de données mémorisées, les forces Fx, Fy et Fz et les couples Mx, M y et M z (cadre 33). Le reste des opérations est de nature classique en robotique et n'est en rien concerné par l'invention. A partir de 1a stratégie de contournement d'obstacle mémorisée, représentée par le cadre 34, le calculateur commande les moteurs de déplacement du bras en translation et en rotation. D'oû une réaction sur les mesures effectuées en 30.

L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Poignet à détection de six composantes d'effort, comprenant deux plateaux (18, 19) alignés suivant un axe (17) et une tringlerie de liaison mécanique entre les plateaux munie de moyens (20) de détection de contraintes, caractérisé en ce que la tringlerie est constituée par six tiges 112-16) identiques, ayant la même rigidité en flexion, réparties régulièrement autour de l'axe, dont les extré- mités présentent chacune une liaison d'encastrement avec un des plateaux (18, 19) et placées obliquement pour constituer un treillis régulier fermé sur lui-même, chaque tige comprenant un capteur d'efforts dirigés suivant la tige.

2. Poignet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tiges sont fixées aux plateaux en des points répartis suivant deux cercles de même rayon et ont une obliquité par rapport à l'axe comprise entre 20 et 45 ".

3. Poignet suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque tige est en deux tronçons réunis par le capteur (20) correspondant.

4. Poignet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en- ce que chaque tige est fixée aux plateaux par des chapes dans lesquelles s'emboîte la tige et qui sont fixées à plat contre la périph-érie du plateau par des moyens amovibles tels que des vis et écrous.

5. Poignet suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des plateaux est fixé rigidement à un bras de robot tandis que l'autre plateau est relié à une pince par l'intermédiaire d'une structure mécanique él-astiquement déformable.