FR2638232A1 - TOUCH SENSOR - Google Patents
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Abstract
Le dispositif de captation 25 est autonome par rapport au support 15 et relié au support 15 au moyen de plusieurs ressorts 21. Les ressorts 21 peuvent être remplacés par des ressorts possédant une constante d'élasticité différente.The capture device 25 is independent of the support 15 and connected to the support 15 by means of several springs 21. The springs 21 can be replaced by springs having a different elasticity constant.
Description
SENSEUR TACTILETOUCH SENSOR
L'invention concerne un senseur tactile - permettant de mesurer les forces et/ou couples agissant dans différentes directions - équipé: * d'un dispositif de détection (25) déplaçable par rapport à un support en partant d'une position de point zero au moyen de The invention relates to a tactile sensor - for measuring the forces and / or couples acting in different directions - equipped with: * a detection device (25) movable relative to a support from a zero point position at the means
pièces élastiques de torsion et de flexion sans hystérésis. elastic torsion and bending parts without hysteresis.
* d'un équipement de mesure comportant plusieurs points de détection destiné & mesurer les différents mouvements de translation et de rotation du dispositif de détection (25) déplaçable par rapport au support (15) afin de recevoir des signaux de mesure selon la direction et l'amplitude du déplacement. Depuis longtemps, les robots sont des élements indispensables * measuring equipment comprising several detection points intended for measuring the different movements of translation and rotation of the detection device (25) movable relative to the support (15) in order to receive measurement signals according to the direction and the amplitude of displacement. Robots have long been essential components
dans la fabrication industrielle.in industrial manufacturing.
Les senseurs de forces (également appelés senseurs tactiles)sont Force sensors (also called touch sensors) are
notamment connus par la publication "Siemens Forschungs- notably known by the publication "Siemens Forschungs-
und Entwicklungsberichte", t.15, 1986, No.3, pages 120-125 et par la publication "Messen, Steuern, Regeln", Berlin 28, 1983, 1, pages 10-18. Ces senseurs tactiles servent à la détection de la relation, directe et dynamique, entre la main ou l'outil et l'objet. C'est surtout la commande du robot qui peut etre effectuée d'une manière très efficace, lorsque l'on peut mesurer, au moyen de senseurs les forces et couples, entre le bras du robot et sa main. Ces senseurs de forces et couples au niveau du poignet assurent la mesure des forces et couples en 6 degrés de liberté und Entwicklungsberichte ", t.15, 1986, No.3, pages 120-125 and by the publication" Messen, Steuern, Regeln ", Berlin 28, 1983, 1, pages 10-18. These tactile sensors are used to detect the direct and dynamic relationship between the hand or the tool and the object. It is above all the robot control which can be carried out in a very efficient way, when one can measure, by means of sensors forces and couples, between the robot arm and his hand. These force and couples sensors on the wrist ensure the measurement of forces and couples in 6 degrees of freedom
entre le bras et la main.between the arm and the hand.
Le senseur tactile mentionné dans les dernières publications présente une structure mécanique d'une pièce, comportant des parties auxquelles sont fixées des jauges de contrainte. Le rôle de ces jauges de contrainte est de fournir une mesure sans The tactile sensor mentioned in the latest publications has a mechanical structure of a part, comprising parts to which strain gauges are fixed. The role of these strain gauges is to provide a measurement without
hystérésis des forces et des couples. hysteresis of forces and couples.
L'un des inconvénients les plus importants de ces-senseurs tactiles bien connus est que leur construction et leur structure sont compliquées, et leur fabrication est donc plus coteuse et difficile. Le fait que leurs caractéristiques de conversion de signaux restent invariables, est un inconvénient. Les senseurs de force connus à ce jour ont soit une caractéristique "dur" soit une caractéristique "mou". Cette caractéristique ne peut etre modifiée après fabrication. Au mieux, il serait possible par le système lui-meme, par exemple en utilisant un seuil de force, de passer de "dur" à "mou". Mais meme dans ce cas, il n'est pas possible de varier les caractéristiques selon les One of the most important drawbacks of these well-known tactile sensors is that their construction and structure are complicated, and their manufacture is therefore more expensive and difficult. The fact that their signal conversion characteristics remain invariable is a drawback. The force sensors known to date have either a "hard" characteristic or a "soft" characteristic. This characteristic cannot be modified after manufacture. At best, it would be possible by the system itself, for example by using a force threshold, to go from "hard" to "soft". But even in this case, it is not possible to vary the characteristics according to the
différentes applications.different applications.
Le but de l'invention est de surmonter les désavantages par rapport aux technologies actuelles et de créer un senseur offrant la possibilité de varier les caractéristiques, selon les besoins de chaque application. De plus, une fois qu'on a choisi The object of the invention is to overcome the disadvantages compared to current technologies and to create a sensor offering the possibility of varying the characteristics, according to the needs of each application. In addition, once we have chosen
une caractéristique, on peut en modifier facilement la courbe. a characteristic, its curve can be easily modified.
Le problème est résolu en ce que le dispositif de détection (25) est distinct du support (15) et est suspendu au support (15) au moyen de plusieurs ressorts (21), les ressorts (21) pouvant être remplacés par des ressorts possédant une constante d'élasticité différente. De préférence: le dispositif de détection (25) est équipé d'une partie centrale (23) le reliant au support (15) au moyen des ressorts dont l'orientation est principalement radiale par rapport au The problem is solved in that the detection device (25) is separate from the support (15) and is suspended from the support (15) by means of several springs (21), the springs (21) being able to be replaced by springs having a different elastic constant. Preferably: the detection device (25) is equipped with a central part (23) connecting it to the support (15) by means of springs whose orientation is mainly radial relative to the
support (15).support (15).
- le dispositif de détection (25) c'est à dire sa partie centrale est suspendu, par 3 ressorts en forme d'étoile ou par 4 - the detection device (25), ie its central part is suspended, by 3 star-shaped springs or by 4
ressorts (21) croisés angulairement équidistants. angularly equidistant crossed springs (21).
- 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 - 3 offset measurement points (29) are provided to measure 3
mouvements de translation en 3 degrés de liberté. translational movements in 3 degrees of freedom.
- 3 points de mesure (29) décalés sont prévus afin de mesurer 3 - 3 offset measurement points (29) are provided to measure 3
mouvements de rotation en 3 degrés de liberté. rotational movements in 3 degrees of freedom.
- au moins 12 points de détection (29) sont décalés, 2 par 2, par rapport au point zéro du dispositif de détection (25) afin de mesurer l'amplitude et la direction du mouvement du - at least 12 detection points (29) are offset, 2 by 2, relative to the zero point of the detection device (25) in order to measure the amplitude and the direction of movement of the
dispositif de détection, à partir du point de zero. detection device, from the zero point.
- pour optimiser la précision, il existe 24 points de détection à double détection,(29),décalés les uns par rapport aux autres, - to optimize accuracy, there are 24 double-detection points (29), offset from each other,
afin de mesurer les mouvements de translation et de rotation. in order to measure the translational and rotational movements.
- les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes (31) qui s'y intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au support (15), et les diaphragmes sont fixées, de préférence, à la partie centrale (23). - les points de détection (29) se composent de cellules photoélectriques, avec des diaphragmes (31) qui s'intercalent, les cellules photoélectriques étant fixées au dispositif de détection (25) déplaçable, de préféerence à sa partie centrale - the detection points (29) consist of photoelectric cells, with diaphragms (31) which are interposed therein, the photoelectric cells being fixed to the support (15), and the diaphragms are preferably fixed to the central part (23). - the detection points (29) consist of photoelectric cells, with diaphragms (31) which are interleaved, the photoelectric cells being fixed to the movable detection device (25), preferably at its central part
(23) et les diaphragmes (31) étant fixées au support (15). (23) and the diaphragms (31) being fixed to the support (15).
Cette invention crèe un senseur d'une grande simplicité qui permet d'obtenir, selon l'application et le problème posé, la caractéristique désirée. Celle-ci peut, en particulier, etre de nouveau modifiée selon les besoins. Il suffit simplement de This invention creates a very simple sensor which makes it possible to obtain the desired characteristic, depending on the application and the problem posed. This can, in particular, be modified again as required. You just have to
changer les ressorts pour avoir la caractéristique désirée. change the springs to have the desired characteristic.
Dans la forme de réalisation choisie, les données mesurées sont captées par voie optique, ce qui assure une grande précision. Il est possible d'améliorer la précision, par la multiplication In the embodiment chosen, the measured data are captured optically, which ensures high precision. It is possible to improve accuracy, by multiplying
(pas obligatoire) des points de détection. (not compulsory) detection points.
Les possibilités de choix des caractéristiques de ce senseur tactile présentent des avantages, non seulement pour le guidage manuel de la pièce opératoire (dans ce cas, le robot asservit activement, à tous degrés de liberté, les mouvements du programmeur) mais aussi dans le cas d'une action, à force The possibilities of choosing the characteristics of this tactile sensor have advantages, not only for manual guidance of the operating room (in this case, the robot actively controls, at all degrees of freedom, the movements of the programmer) but also in the case of an action, by force
constante, sur une pièce (par exemple meuler ou ébarber etc...). constant, on a part (for example grinding or deburring etc ...).
Dans ce cas, on ne définit pas le réglage à la valeur 0 mais à la valeur préchoisie afin que le processus s'effectue, de meme manière que le travail manuel avec une force ou un couple In this case, the setting is not defined at the value 0 but at the pre-selected value so that the process is carried out, in the same way as manual work with a force or a couple
constant, en fonction de la caractéristique optimale préchoisie. constant, depending on the optimal pre-selected characteristic.
Ceci est impossible quand il s'agit d'un robot qui n'est pas This is impossible when it is a robot that is not
équipé d'un tel senseur.equipped with such a sensor.
L'invention est expliquée comme suit à l'aide d'un exemple de réalisation. Au dessin: Figure 1: Schéma de la boucle d'asservissement d'application du capteur forces-couples (objet de l'invention) pour la programmation et l'asservissement d'un robot; Figure 2: Schéma en coupe horizontale du capteur forces-couples; Figure 3: Schéma en coupe verticale suivant la ligne III-III de The invention is explained as follows with the aid of an exemplary embodiment. In the drawing: Figure 1: Diagram of the servo-control loop for applying the force-torque sensor (object of the invention) for programming and servo-control of a robot; Figure 2: Diagram in horizontal section of the force-torque sensor; Figure 3: Diagram in vertical section along line III-III of
la Figure 2.Figure 2.
Figure 1 montre schématiquement un robot (3) équipé de plusieurs axes et articulations. Une des articulations (4) est reproduite en haut du schéma. A l'extrémité de l'un des bras du robot (5) se trouve l'outil de préhension habituel (7). A l'endroit 9 (= point de référence = tool center point) o habituellement est fixé l'outil de préhension (7) démontable, on monte, d'abord, le capteur forces-couples (11) pour assurer la programmation. On y fixe ensuite l'outil de préhension (7). A l'aide du capteur forces-couples (11), le programmeur peut effectuer toutes modifications, de positionnement ou d'orientation, sur la pièce opératoire du robot. Le robot, en reconnaissant le changement de positionnement et d'orientation, entreprend l'asservissement, au moyen de son système (13), de telle manière que les forces et couples exercés par le programmeur sur la poignée de commande Figure 1 schematically shows a robot (3) equipped with several axes and joints. One of the joints (4) is reproduced at the top of the diagram. At the end of one of the robot arms (5) is the usual gripping tool (7). At location 9 (= reference point = tool center point) where usually the removable gripping tool (7) is fixed, first mount the force-torque sensor (11) to ensure programming. Then the gripping tool (7) is fixed there. Using the force-torque sensor (11), the programmer can make any modifications, positioning or orientation, on the operating room of the robot. The robot, recognizing the change in positioning and orientation, undertakes the control, by means of its system (13), in such a way that the forces and torques exerted by the programmer on the control handle
seront réglés à 0.will be set to 0.
La construction du capteur forces-couples (11) est décrite, The construction of the force-torque sensor (11) is described,
comme suit, par les figures 2 et 3.as follows, in Figures 2 and 3.
Le capteur forces-couples (11) consiste en un cadre ou support (15), éventuellement avec une plaque en haut et une plaque en bas (17). La plaque du bas (17, voir figure 3) peut etre montée à l'extrémité du bras du robot (5), à l'endroit sus-mentionné, après avoir retiré l'outil de préhension(7). Cet outil peut etre The force-torque sensor (11) consists of a frame or support (15), possibly with a plate at the top and a plate at the bottom (17). The bottom plate (17, see Figure 3) can be mounted at the end of the robot arm (5), at the above-mentioned location, after removing the gripping tool (7). This tool can be
fixé sur la plaque que l'on peut voir en haut de la figure 3. fixed on the plate which can be seen at the top of figure 3.
Le support, schématisé aux figures 2 et 3, approximativement carré, est équipé, à ses sommets, de piliers (19) auxquels sont fixés des ressorts croisés (21, voir figure 2 - position 0). Les ressorts (21), sous tension, qui sont fixés aux piliers (19) du support (15), tiennent la partie centrale (23) du dispositif de détection (25). Celui-ci supporte une poignée de commande de forme circulaire (voir figure 1). La partie centrale (23) est reliée par, au minimum, une tige de liaison (27). L'exemple de réalisation montre 2 éléments de liaison à angle droit (27) The support, shown diagrammatically in FIGS. 2 and 3, approximately square, is equipped, at its apices, with pillars (19) to which are crossed springs (21, see FIG. 2 - position 0). The springs (21), under tension, which are fixed to the pillars (19) of the support (15), hold the central part (23) of the detection device (25). It supports a circular control handle (see figure 1). The central part (23) is connected by, at a minimum, a connecting rod (27). The embodiment shows 2 connecting elements at right angles (27)
reliant la partie centrale à la poignée de commande. connecting the central part to the control handle.
De plus, l'exemple de réalisation prévoit 12 points de mesure (29) sous forme de 12 cellules photoélectriques, capables de mesurer, indépendamment les uns des autres, 3 mouvements de In addition, the embodiment provides 12 measurement points (29) in the form of 12 photoelectric cells, capable of measuring, independently of each other, 3 movements of
translation ainsi que 3 mouvements de rotation. translation as well as 3 rotational movements.
Autrement dit, la partie centrale (23) est suspendue, sans hystérésis (sans l'aide d'aucune articulation quelconque) par un système de 4 ressorts. Ses mouvements peuvent etre enregistrés, directement, à partir d'un point de départ milieu, au moyen des 12 cellules photoélectriques pré-citées. Ces dernières sont positionnées de telle manière que l'évaluation des signaux qu'elles émettent est assurée, d'une manière bien découplée, dans chaque dimension en translation et en rotation. La In other words, the central part (23) is suspended, without hysteresis (without the aid of any articulation) by a system of 4 springs. Its movements can be recorded, directly, from a starting point in the middle, by means of the 12 aforementioned photoelectric cells. The latter are positioned in such a way that the evaluation of the signals which they emit is ensured, in a well decoupled manner, in each dimension in translation and in rotation. The
détection des signaux émis s'effectue analogiquement ou quasi- detection of transmitted signals is carried out analogically or almost
analogiquement. Il est donc possible de capter et de traiter les changements de position en tant que tels, le degré de ce analogically. It is therefore possible to capture and process changes in position as such, the degree of this
changement et par là meme l'importance de la force. change and thereby the importance of force.
Dans un système de coordonnées cartésien, il faut fondamentale- In a Cartesian coordinate system, you need fundamental-
ment prévoir 3 points de détection (29) afin de capter 3 modifi- ment provide 3 detection points (29) in order to capture 3 modifi-
cations de mouvement en translation, et prévoir 3 autres points de détection afin de capter 3 modifications de mouvement en rotation, c'est à dire 6 points de détection au total. Dans le présent mode de réalisation, l'agencement est tel que des diaphragmes (31) sont fixés aux endroits appropriés de la pièce centrale (23), celle-ci portant le dispositif de détection. En partant du point de zero, les diaphragmes (31) s'intercalent juste au milieu des cellules photoélectriques (voir figure 2 ou 3). Pour détecter, dans les 2 sens, les différents mouvements translation et de rotation ainsi que leurs directions, ce mode de réalisation nécessite 2 x 6 donc 12 points de détection, sous forme des cellules photoélectriques déjà mentionnées. En porter le nombre à 24, par exemple, permet d'assurer une mesure de plus cations of movement in translation, and provide 3 other detection points in order to capture 3 modifications of movement in rotation, ie 6 detection points in total. In the present embodiment, the arrangement is such that diaphragms (31) are fixed at the appropriate places of the central part (23), the latter carrying the detection device. Starting from the zero point, the diaphragms (31) are inserted just in the middle of the photoelectric cells (see Figure 2 or 3). To detect, in both directions, the different translational and rotational movements and their directions, this embodiment requires 2 x 6, therefore 12 detection points, in the form of the photoelectric cells already mentioned. Bringing the number to 24, for example, ensures more measurement
grande précision.great precision.
Les cellules photoélectriques utilisent notamment des diodes (LED) lumineuses ainsi que des résistances photoélectriques (LDR),voir respectivement figures 2 et 3 (réf.2), figures 1 et 2 (réf.1). Les résistances photoélectriques (1) à droite sur la figure 3 Photoelectric cells use, in particular, light-emitting diodes (LEDs) as well as photoelectric resistors (LDR), see Figures 2 and 3 (ref.2), Figures 1 and 2 (ref.1) respectively. Photoelectric resistors (1) on the right in figure 3
sont, en général plus rapprochées des diaphragmes (31). are generally closer to the diaphragms (31).
L'objectif de l'agencement est donc de permettre un ajustement. The purpose of the layout is therefore to allow adjustment.
Les cellules photoélectriques fonctionnent au moyen des diaphragmes qui s'intercalent en cas de mouvement du dispositif de détection (25) à partir du point de zero, d'une manière plus ou moins importante, selon les changements de position entre les diodes (2) et les résistances photoélectriques (1), et un signal The photocells operate by means of the diaphragms which are interposed in the event of movement of the detection device (25) from the zero point, to a greater or lesser extent, according to the changes in position between the diodes (2) and the photoelectric resistors (1), and a signal
analogique se crée selon l'assombrissement. La commande quasi- analog is created according to the darkening. The quasi-command
analogique est également possible.analog is also possible.
Pour programmer le robot, le programmeur peut actionner la poignée de commande (25) et provoquer n'importe quel mouvement de la partie centrale (23) par rapport au support. Les données quant à la commande (13) du robot font que les forces et couples seront réglés, pour tous les degrés de liberté, à O, jusqu'à ce que la partie centrale (23) et avec elle le dispositif de détection (25) atteignent le point zero, c'est à dire le point neutre (voir figures 2 et 3). Grace à l'emplacement des ressorts (21) la constante des ressorts reste approximativement égale, indépendamment des mouvements de déviation de la partie centrale(23). A l'horizontale du plan, on peut éventuellement prévoir d'autres ressorts. Ceci modifierait la hauteur de l'agencement, mais n'est pas nécessaire car les mouvements peu importants entrainent une constante de ressort plus faible et les mouvements plus grands une constante plus importante. Lors de mouvements plus importants, les valeurs constatées sont toute aussi importantes ce qui assure une caractéristique de ressorts To program the robot, the programmer can actuate the control handle (25) and cause any movement of the central part (23) relative to the support. The data concerning the robot control (13) means that the forces and torques will be adjusted, for all degrees of freedom, to O, until the central part (23) and with it the detection device (25 ) reach the zero point, i.e. the neutral point (see Figures 2 and 3). Thanks to the location of the springs (21) the constant of the springs remains approximately equal, independently of the deflection movements of the central part (23). Horizontal to the plane, other springs can possibly be provided. This would change the height of the arrangement, but is not necessary since small movements cause a lower spring constant and larger movements a higher constant. During larger movements, the observed values are just as important which ensures a characteristic of springs
quasi-sphérique dans sa symétrie.almost spherical in its symmetry.
On peut aussi prévoir seulement 3 ou plusieurs ressorts (21) It is also possible to provide only 3 or more springs (21)
équidistants pour suspendre le dispositif de détection (25). equidistant to suspend the detection device (25).
Après la programmation et après le retrait du capteur forces- After programming and after removing the force sensor-
couples (11) il suffit simplement de corriger l'influence de la hauteur du capteur forces-couples (11) au niveau de la commande centrale puisque l'outil de préhension (7) sera directement monté à l'extrémité du bras. Il serait aussi possible d'installer une pièce géométriquement identique au capteur forces-couples. Le capteur forces-couples (11) décrit cidessus peut également etre utilisé pour tous mouvement à force et couple constant, par ex. pour limer, meuler ou débavurer et pour d'autres travaux, des procédures d'insertion en cas de précision amoindrie du positionnement des pièces. Dans les cas o des couples (11) it suffices simply to correct the influence of the height of the force-couple sensor (11) at the level of the central control since the gripping tool (7) will be directly mounted at the end of the arm. It would also be possible to install a part that is geometrically identical to the force-torque sensor. The force-torque sensor (11) described above can also be used for all movements with constant force and torque, e.g. for filing, grinding or deburring and for other work, insertion procedures in the event of reduced precision in the positioning of the parts. In cases where
forces ou couples doivent etre mesurés ou sensés par le capteur. forces or torques must be measured or sensed by the sensor.
A la différence du mode de réalisation présenté ci-dessus, on a enlevé la poignée de commande de forme circulaire et on l'a remplacée par une fixation pour l'outil de préhension. On régle, dans ce cas, non plus à une valeur O mais à une valeur préchoisie. On reproduit ainsi,selon une valeur de consigne préchoisie, un vecteur de force ou couple souhaité pendant le Unlike the embodiment presented above, the circular control handle has been removed and replaced by a fixing for the gripping tool. In this case, we no longer set to a value O but to a pre-selected value. We thus reproduce, according to a pre-selected set value, a force or torque vector desired during the
traitement. On peut établir quantitativement la plage force- treatment. We can quantitatively establish the force-
couple à partir du choix des constantes de ressort ce qui permet d'effectuer une adaptation selon les besoins au moyen de ces torque based on the choice of spring constants, which allows adaptation as required using these
ressorts facilement interchangeables. easily interchangeable springs.
La procédure de mesure s'effectue, dans ce mode de réalisation, par les cellules photoélectriques, mais d'autres procédures de mesure sont également possibles, permettant de capter et de mesurer, au niveau des points de détection (29), de manière The measurement procedure is carried out, in this embodiment, by the photocells, but other measurement procedures are also possible, making it possible to capture and measure, at the detection points (29), so
inductive ou capacitive.inductive or capacitive.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (1)
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Citations (3)
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| JPS6128835A (en) * | 1984-07-20 | 1986-02-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Multiple component forces detector |
| EP0210717A2 (en) * | 1985-07-22 | 1987-02-04 | Bonneville Scientific, Inc. | A sensor for and process of detecting and quantifying force-torque components |
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-
1989
- 1989-10-19 FR FR8913689A patent/FR2638232B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 10, no. 180 (P-471)(2236) 24 Juin 1986 & JP-A-61 28 835 ( NIPPON TELEGR. ) 8 Février 1986 * |
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| ST | Notification of lapse |