EP3737536A1 - Dispositif et procede de mesure de force - Google Patents

Dispositif et procede de mesure de force

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Publication number
EP3737536A1
EP3737536A1 EP19701994.6A EP19701994A EP3737536A1 EP 3737536 A1 EP3737536 A1 EP 3737536A1 EP 19701994 A EP19701994 A EP 19701994A EP 3737536 A1 EP3737536 A1 EP 3737536A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
movable member
freedom
actuator
degree
force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19701994.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sinan HALIYO
Antoine WEILL-DUFLOS
Vincent Hayward
Stéphane Regnier
Olga PETIT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Sorbonne Universite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Sorbonne Universite filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3737536A1 publication Critical patent/EP3737536A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/088—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices with position, velocity or acceleration sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/02—Program-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/023—Cartesian coordinate type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/08—Measuring force or stress, in general by the use of counterbalancing forces
    • G01L1/086—Measuring force or stress, in general by the use of counterbalancing forces using electrostatic or electromagnetic counterbalancing forces

Definitions

  • the present invention relates to a force measuring device. It also relates to a method of measuring force.
  • Such a device allows a user to measure a force.
  • the field of the invention is more particularly but not limited to that of the measurement of remote or rapid-change, attractive and / or repulsive forces.
  • the measurement of effort is traditionally carried out through the deformation of a flexible element of known stiffness (spring, piezo-ceramic, etc.) such as an AFM or a piezoelectric sensor.
  • the object of the present invention is to solve at least one of the aforementioned problems or to be able to solve several of them at the same time without the resolution of one problem aggravating another of these problems.
  • a force measuring device comprising:
  • a movable member means for guiding the mobile member according to at least one degree of freedom
  • position measuring means arranged to measure a position of the movable member according to the at least one degree of freedom
  • At least one actuator distinct from the guide means, and arranged to subject an actuator force to the movable member according to the at least one degree of freedom
  • control system arranged and / or programmed to send a control signal to the at least one actuator, the actuator force depending on the control signal, the control system being arranged to modify the control signal according to a position measurement of the movable member by the position measuring means,
  • force measurement means arranged and / or programmed for, from the control signal sent by the control system to the at least one actuator, to provide a value of a force to be measured acting on the organ mobile and distinct from the actuator force.
  • the guide means of the movable member according to the at least one degree of freedom are preferably devoid of restoring force on the movable member according to the at least one degree of freedom.
  • the control system can be arranged and / or programmed to:
  • the guide means are preferably guiding means without contact with the movable member.
  • the position measuring means are preferably measurement means without contact with the movable member.
  • the position measuring means are preferably devoid of restoring force on the movable member according to the at least one degree of freedom
  • Each actuator is preferably devoid of contact with the movable member.
  • the movable member is preferably devoid of contact with any other part of the device.
  • the device according to the invention may comprise an actuator per degree of freedom in translation.
  • the at least one degree of freedom may include:
  • a single degree of freedom in rotation (or preferably as many degrees of freedom in rotation as degrees of freedom in translation, each degree of freedom in rotation preferably being a degree of freedom of rotation around one of the axes displacement of one of the degrees of freedom in translation) or no degree of freedom in rotation.
  • the guiding means comprise or consist of guiding means by air cushion.
  • the position measuring means comprise or consist of an optical sensor.
  • each actuator comprises or consists of an electromagnetic actuator, preferably of the "acoustic coil” type.
  • a method of measuring force comprising:
  • the guide means of the movable member according to the at least one degree of freedom are preferably devoid of restoring force on the movable member according to the at least one degree of freedom.
  • the control system can:
  • the guide means preferably guide the movable member without contact with the movable member.
  • the position measuring means preferably measure the position of the movable member without contact with the movable member.
  • the position measuring means are preferably devoid of restoring force on the movable member according to the at least one degree of freedom
  • the at least one actuator preferably subjects the actuator force to the movable member without contact with the movable member.
  • the movable member is preferably devoid of contact with any other part of the device implementing the method.
  • the method according to the invention may comprise an actuator per degree of freedom in translation.
  • the at least one degree of freedom can include
  • each degree of freedom in rotation preferably being a degree of freedom of rotation around one of the axes of displacement of one of the degrees of freedom in translation) or no degree of freedom in rotation.
  • the guiding means comprise or consist of guiding means by air cushion.
  • the position measuring means comprise or consist of an optical sensor.
  • each actuator comprises or consists of an electromagnetic actuator, preferably of the "acoustic coil” type.
  • FIG. 1 is a schematic view of a first embodiment of device 101 according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of a second device embodiment 102 according to the invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of the second embodiment of device 102 according to the invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a third device embodiment 103 according to the invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a fourth device embodiment 104 according to the invention.
  • This embodiment makes it possible to measure surface forces such as Van der Waals forces, electrostatic forces, or capillary forces.
  • the device 101 has no apparent stiffness. He presents himself as a mass alone.
  • the force measurement device 101 comprises a mobile member 1 able to move, and hereinafter also referred to as the probe 1 or the mobile element 1.
  • the device 101 is a device 101 for measuring force by force compensation, and does not include any intrinsic physical stiffness on the movable member 1.
  • the movable member 1 has a mass less than 50 grams, preferably less than 10 grams, in this example less than 5 grams.
  • This embodiment uses a probe (member 1) in levitation, without contact with the rest of the device 101 (including the frame of the device 101).
  • the device 101 has a principle of force measurement by servo loop.
  • the device 101 comprises guiding means 2 of the movable member 1 arranged to guide or constrain the movements of the movable member 1 according to at least one degree of freedom, preferably at least one degree of freedom in translation.
  • the movable member 1 has at one of its ends along the or one of the degree (s) of freedom in translation, a mandrel 10 for disposing an element (electrically charged and / or magnetized and / or shaped tip forming a quasi-point mechanical contact, etc.) depending on the nature of the external force 8 to be measured.
  • a mandrel 10 for disposing an element (electrically charged and / or magnetized and / or shaped tip forming a quasi-point mechanical contact, etc.) depending on the nature of the external force 8 to be measured.
  • each degree of freedom of the movable member 1 will simply be called “degree of freedom”, without reference to the movable member 1.
  • the guiding means 2 constrain any displacement of the movable member 1 according to this at least one degree of freedom.
  • the device 101 comprises position measuring means 3 arranged to measure a position of the movable member 1 according to the at least one degree of freedom, preferably with a resolution of at least 0.1 ⁇ m.
  • the device 101 comprises at least one actuator 4, distinct from the guide means 2, arranged to subject an actuator force 7 to the movable member 1 according to the at least one degree of freedom.
  • This actuator force 7 can be broken down into several (2 or 3) orthogonal components between them.
  • the device 101 comprises only one actuator 4 per degree of freedom in translation.
  • the actuator force 7 has as many components orthogonal to each other as the movable member 1a of degree (s) of freedom in translation.
  • Each degree of freedom in translation is associated with an actuator 4.
  • Each actuator 4 is arranged to subject on the movable member 1 a component of the actuator force 7 parallel to the degree of freedom in translation to which this actuator 4 is associated.
  • the device 101 comprises a control system 5, arranged and / or programmed to send a control signal to the at least one actuator 4, the actuator force 7 depending on the control signal, the control system 5 being arranged to modify the control signal as a function of a position measurement of the movable member 1 by the position measuring means 3.
  • This control signal may comprise several components.
  • the control system 5 is arranged to send a component of the actuator control signal 4. There is therefore a component of the actuator control signal 4 and therefore by component of the actuator force 7.
  • the control system 5 implements a control algorithm.
  • the control system 5 includes only technical means.
  • the control system 5 comprises at least one computer, a central or calculation unit, an analog electronic circuit (preferably dedicated), a digital electronic circuit (preferably dedicated), and / or a microprocessor (preferably dedicated), and / or software means.
  • the device 101 is connected to an electronic card providing a solution for testing different control schemes using control diagram synthesis software.
  • An integrated converter generates the code which is then executed in real time on the control system 5.
  • the movable member 1 is slaved in position through the control system 5 which is Proportional Integrator Diverter (PID) type.
  • PID Proportional Integrator Diverter
  • the proportional part controls the dynamic response of the device 101 and its ability to measure fast phenomena, the integrator part controls the accuracy of the measurements as well as the sensitivity to small forces and the drift part stabilizes the device 101.
  • the command is implemented on the control system 5 in real time.
  • This control system 5 is composed of a computer under Linux with real-time core RTAI. A frequency of 20 kHz is attainable.
  • the control system control algorithm 8 is implemented on an FPGA (this solution reaches sampling frequencies of several hundred kilohertz) or on an analog control (the device 101 then becomes a continuous system and the delay issues of discrete systems are removed).
  • the device 101 comprises means 6 for measuring force arranged and / or programmed for, from the control signal sent by the control system 5 to the at least one actuator 4, to provide a value of a force to be measured 8 acting on the movable member 1 and distinct from the actuator force 7.
  • the force to be measured 8 can be broken down into several (2 or 3) orthogonal components together.
  • the measuring means 6 comprise only technical means.
  • the measuring means 6 comprise at least one computer, a central or calculation unit, an analog electronic circuit (preferably dedicated), a digital electronic circuit (preferably dedicated), and / or a microprocessor (preferably dedicated), and / or software means.
  • the measuring means 6 are calculating means.
  • the guide means 2 of the movable member 1 according to the at least one degree of freedom are devoid of restoring force on the movable member 1 according to each degree of freedom among the at least one degree of freedom.
  • the guiding means 2 of the movable member 1 according to the at least one degree of freedom are devoid of stiffness (physical intrinsic stiffness) or resistance to a displacement of the movable member 1 according to each degree of freedom among the least one degree of freedom with respect to the guide means 2.
  • the guide means 2 have, for each degree of freedom among the at least one degree of freedom, a zero own pulse.
  • the guiding means 2 are guiding means without contact with the movable member 1.
  • the guide means 2 may comprise multiple variants, such as an air cushion guide, a magnetic levitation system, and / or an electromagnetic suspension.
  • a first element is said to be "non-contact” with a second element if no solid and / or liquid connects this first element with the second element.
  • these two elements are considered “non-contact” even if they are connected by a vacuum or a gas, such as by air.
  • the position measuring means 3 are measurement means without contact with the movable member 1.
  • the measuring means 3 may comprise multiple variants, such as a laser beam distance measuring system, an interferometric system, a capacitive system, a magnetic induction system, an SIOS interferometer, a proximity sensor (for example example Sharp GP2S60), a sensor (eg ILD1420-10 of the microepsilon mark), and / or an optical ruler.
  • a laser beam distance measuring system such as a laser beam distance measuring system, an interferometric system, a capacitive system, a magnetic induction system, an SIOS interferometer, a proximity sensor (for example example Sharp GP2S60), a sensor (eg ILD1420-10 of the microepsilon mark), and / or an optical ruler.
  • the position measuring means 3 are devoid of return force on the movable member 1 according to the at least one degree of freedom.
  • Each actuator 4 is devoid of contact with the movable member 1.
  • Each actuator 4 may comprise multiple variants, such as an electromagnetic and / or electrostatic actuation system.
  • the at least one actuator 4 is devoid of intrinsic physical stiffness with respect to the movable member 1, but has only (as will be seen later) a stiffness artificially manufactured via the control system 5 which can even be adjusted to a null value.
  • the movable member 1 is devoid of contact with any other part of the device 101.
  • FIG. 1 The simplified operation of the device is shown in FIG. 1.
  • a force to be measured Fm is applied to the member 1
  • a displacement of the mobile part 1 is measured by the position sensor 3.
  • the position measurement is used by the control 5 to compensate the applied force Fm on the member 1.
  • This device embodiment 101 has a measurement resolution of the force Fm less than or equal to 0.1 mN, preferably with a measurement frequency of at least 50 Hz.
  • This embodiment can be declined according to two variants.
  • control system 5 is arranged and / or programmed to control the position of the movable member 1 at a fixed position regardless of the value of the force to be measured 8.
  • this first variant in a case comprising only a single degree of freedom in translation (with possibly a single degree of freedom in rotation about the translation displacement axis of this degree of freedom in translation) .
  • This example is obviously generalizable to two or three spatial dimensions.
  • control system In this example of the first variant, the control system
  • the or each actuator 4 has a zero stiffness.
  • the device 101 according to the invention has an infinite bandwidth.
  • the device according to the invention is said to be "without displacement” or "with zero movement” of the mobile element 1 (although in fact the mobile element 1 may be driven by a succession of micro movements according to the at least one degree of freedom almost simultaneously compensated by the at least one actuator 4).
  • This variant is also particularly robust for the case of attractive forces or with strong dynamic variations, the cases in which the sensors according to the state of the art fail, because the measurement according to the state of the art is then polluted by the mechanical characteristics of the probe (mass, stiffness), as well as the linear shape of the restoring force as a function of the displacement, with the parameters of this function imposed by the mechanical characteristics of the arrangement of a sensor according to the state of art.
  • the invention thus has potential applications for the measurement of remote forces or effects with rapid variations. Such phenomena are encountered, for example, in micro-robotics, in biological injection processes and in the production of automated systems.
  • force variation measurements are obtained with a bandwidth of up to 300Hz, which represents a gain of about 20 compared to the state of the art for similar applications.
  • control system 5 is arranged and / or programmed to set a value of the actuator force 7 as a function of the position of the movable member 1.
  • the stiffness K is non-zero and can be positive or even negative, which still allows a case that is not possible with an element with real mechanical stiffness.
  • the method according to the invention implemented by the device 101 comprises:
  • control system 5 a sending, by the control system 5, of the control signal to the at least one actuator 4, the actuator force Fa depending on the control signal, the control system 5 modifying the control signal as a function of the position measurement of the movable member 1 by the position measuring means 3,
  • the guide means 2 of the movable member 1 exerting no restoring force on the movable member 1 according to the at least one degree of freedom.
  • the guide means 2 guide the movable member 1 without contact with the movable member 1.
  • the position measuring means 3 measure the position of the movable member 1 without contact with the movable member 1.
  • the position measuring means 3 exert no restoring force on the movable member 1 according to the at least one degree of freedom.
  • the at least one actuator 4 subjects the actuator force 7 to the movable member 1 without contact with the movable member 1.
  • the movable member 1 is devoid of contact with any other part of the device 101 implementing the method.
  • the control system 5 slaves the position of the movable member 1 to a fixed position regardless of the value of the force to be measured 8.
  • the control system 5 sets a value of the actuator force 7 as a function of the position of the movable member 1.
  • This device embodiment 102 has a measurement range of 0.00044 N to 1 N.
  • the organ 1 is constrained to a unidirectional movement.
  • the at least one degree of freedom includes only a single degree of freedom in translation, called the degree of freedom in translation.
  • the at least one degree of freedom comprises only a single degree of freedom in rotation about an axis of displacement of the degree of freedom in translation.
  • the means 2 are arranged to maintain the organ 1 in levitation.
  • the guiding means 2 comprise or consist of guiding means by air cushion or air bearing guide, for example reference S300601 brand NewWay airbearings.
  • the position measuring means 3 comprise or consist of an optical sensor.
  • the means 3 comprise a triangulation laser sensor.
  • the means 3 comprise an ILD1420-10 sensor of the microepsilon mark.
  • the member 1 comprises a reflecting element 11 (typically a metal disc) arranged to reflect the position measuring light beam emitted by the means 3.
  • the actuator 4 (associated with the main degree of freedom in translation) comprises or consists of an electromagnetic actuator, of the "acoustic coil” type comprising a coil or solenoid or electromagnet, for example reference NCC01-04-001-1X brand H2W technologies.
  • the movable member typically has a rod shape 40 mm in length and 6.35 mm in diameter provided with the disc 11 which has a diameter of 20 mm and a thickness of 1 mm.
  • the movable member 1 is mainly made of stainless steel.
  • the movable member 1 comprises a ferromagnetic portion 9 (preferably a magnet, preferably a permanent magnet) located inside the coil or solenoid or electromagnet and arranged to move inside the coil or solenoid or electromagnet depending on the degree of freedom in translation.
  • a ferromagnetic portion 9 preferably a magnet, preferably a permanent magnet located inside the coil or solenoid or electromagnet and arranged to move inside the coil or solenoid or electromagnet depending on the degree of freedom in translation.
  • a current amplifier used to control the actuator 4 is a Maxon Escon 50/5 module.
  • the at least one degree of freedom does not include any degree of freedom in rotation.
  • the guide means 2 comprise two air bearings 2a, 2b.
  • These two bearings 2a, 2b are arranged to guide the movement of the member 1 along two axes parallel to each other and therefore to the same direction so as to block any rotation around this direction.
  • the actuator 4 is positioned between the two bearings 2a, 2b.
  • This positioning of the actuator 4 avoids cantilevering phenomena.
  • the directions of the efforts are aligned.
  • the version with the locked rotation (FIG. 4) has a larger mass and therefore a ratio between the resolution of the position measurement and the less favorable force measurement
  • Each actuator 4 comprises or consists of an electromagnetic actuator, and comprises at least one "acoustic coil"
  • the device 104 comprises only one actuator 4 per degree of freedom in translation.
  • the actuator force 7 has as many orthogonal components between them (three) as the movable member 1a of degree (s) of freedom in translation.
  • the guiding means 2 comprise, for each degree of freedom in translation, means for guiding the movable member 1 along at least one translation axis, more exactly for each degree of freedom in translation considered:
  • the position measuring means 3 comprise three optical sensors 3a, 3b, 3c as previously described separating the position measurements along the three orthogonal axes X, Y, Z.
  • This device 104 is made to allow a simplified extension over several degrees of freedom:
  • the device 104 corresponds to the combination:
  • the use of the air bearing 2 generates an axial stiffness large enough to decouple the directions of effort properly.
  • the radial stiffness is 2 N / pm and the maximum admissible force is 12 N.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (101, 102, 103, 104) de mesure de force, comprenant: un organe mobile (1); des moyens de guidage (2) de l'organe mobile selon au moins un degré de liberté; des moyens (3) de mesure de position de l'organe mobile; au moins un actionneur (4) pour soumettre une force d'actionneur (7) sur l'organe mobile; un système de commande (5), agencé pour envoyer un signal de commande à l'au moins un actionneur, la force d'actionneur dépendant du signal de commande, le système de commande étant agencé pour modifier le signal de commande en fonction d'une mesure de position de l'organe mobile par les moyens de mesure de position; des moyens de mesure de force (6) agencés pour, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande à l'au moins un actionneur, fournir une valeur d'une force à mesurer (8) s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur. Les moyens de guidage de l'organe mobile sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.

Description

«Dispositif et procédé de mesure de force»
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de mesure de force. Elle concerne aussi un procédé de mesure de force.
Un tel dispositif permet à un utilisateur de mesurer une force. Le domaine de l’invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui de la mesure de forces à distance ou à variation rapide, attractives et/ou répulsives.
Etat de la technique antérieure
On connaît de nombreux systèmes de mesure de force selon l'état de l'art, pour mesurer de petites forces (typiquement du milli-Newton au Newton).
La mesure d'effort est traditionnellement effectuée à travers la déformation d'un élément flexible de raideur connue (ressort, piezo- céramique, etc.) tel un AFM ou un capteur piézoélectrique.
Cet état de l'art pose en général plusieurs problèmes :
- possibilité de mesurer efficacement des « forces attractives »
- possibilité de mesurer efficacement des forces à fortes variations dynamiques,
- précision et résolution de la mesure,
- gamme de raideur disponible,
- encombrement et/ou masse du dispositif de mesure.
Le but de la présente invention est de résoudre au moins un des problèmes susmentionnés ou de réussir à en résoudre plusieurs en même temps sans que la résolution d'un problème n'aggrave un autre de ces problèmes.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif de mesure de force, comprenant:
- un organe mobile, - des moyens de guidage de l'organe mobile selon au moins un degré de liberté,
- des moyens de mesure de position agencés pour mesurer une position de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté,
- au moins un actionneur, distinct des moyens de guidage, et agencé pour soumettre une force d'actionneur sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté,
- un système de commande, agencé et/ou programmé pour envoyer un signal de commande à l'au moins un actionneur, la force d'actionneur dépendant du signal de commande, le système de commande étant agencé pour modifier le signal de commande en fonction d'une mesure de position de l'organe mobile par les moyens de mesure de position,
- des moyens de mesure de force agencés et/ou programmés pour, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande à l'au moins un actionneur, fournir une valeur d'une force à mesurer s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur.
Les moyens de guidage de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté sont de préférence dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.
Le système de commande peut être agencé et/ou programmé pour :
- asservir la position de l'organe mobile à une position fixe quelle que soit la valeur de la force à mesurer, ou
- fixer une valeur de la force d'actionneur comme une fonction de la position de l'organe mobile.
Les moyens de guidage sont de préférence des moyens de guidage sans contact avec l'organe mobile.
Les moyens de mesure de position sont de préférence des moyens de mesure sans contact avec l'organe mobile.
Les moyens de mesure de position sont de préférence dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté
Chaque actionneur est de préférence dénué de contact avec l'organe mobile. L'organe mobile est de préférence dénué de contact avec toute autre pièce du dispositif.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre un actionneur par degré de liberté en translation.
L'au moins un degré de liberté peut comprendre :
- qu'un unique degré de liberté en translation, (ou 2 ou 3 degrés de liberté en translation de préférence orthogonaux), et/ou
- qu'un unique degré de liberté en rotation (ou de préférence autant de degrés de liberté en rotation que de degrés de liberté en translation, chaque degré de liberté en rotation étant de préférence un degré de liberté de rotation autour d'un des axes de déplacement d'un des degrés de liberté en translation) ou aucun degré de liberté en rotation.
De préférence, les moyens de guidage comprennent ou consistent en des moyens de guidage par coussin d'air.
De préférence, les moyens de mesure de position comprennent ou consistent en un capteur optique.
De préférence, chaque actionneur comprend ou consiste en un actionneur électromagnétique, de préférence de type « bobine acoustique ».
Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé un procédé de mesure de force, comprenant:
- un guidage, par des moyens de guidage, d'un organe mobile selon au moins un degré de liberté,
- une mesure de position de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté par des moyens de mesure de position,
- une soumission d'une force d'actionneur sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté, par au moins un actionneur distinct des moyens de guidage,
- un envoi, par un système de commande, d'un signal de commande à l'au moins un actionneur, la force d'actionneur dépendant du signal de commande, le système de commande modifiant le signal de commande en fonction de la mesure de position de l'organe mobile par les moyens de mesure de position, - une mesure de force, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande à l'au moins un actionneur, fournissant une valeur d'une force à mesurer s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur.
Les moyens de guidage de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté sont de préférence dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.
Le système de commande peut:
- asservir la position de l'organe mobile à une position fixe quelle que soit la valeur de la force à mesurer, ou
- fixer une valeur de la force d'actionneur comme une fonction de la position de l'organe mobile.
Les moyens de guidage guident de préférence l'organe mobile sans contact avec l'organe mobile.
Les moyens de mesure de position mesurent de préférence la position de l'organe mobile sans contact avec l'organe mobile.
Les moyens de mesure de position sont de préférence dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté
L'au moins un actionneur soumet de préférence la force d'actionneur sur l'organe mobile sans contact avec l'organe mobile.
L'organe mobile est de préférence dénué de contact avec toute autre pièce du dispositif mettant en œuvre le procédé.
Pour sa mise en œuvre, le procédé selon l'invention peut comprendre un actionneur par degré de liberté en translation.
L'au moins un degré de liberté peut comprendre
- qu'un unique degré de liberté en translation, (ou 2 ou 3 degrés de liberté en translation de préférence orthogonaux), et/ou
- qu'un unique degré de liberté en rotation (de préférence autant de degrés de liberté en rotation que de degrés de liberté en translation, chaque degré de liberté en rotation étant de préférence un degré de liberté de rotation autour d'un des axes de déplacement d'un des degrés de liberté en translation) ou aucun degré de liberté en rotation.
De préférence, les moyens de guidage comprennent ou consistent en des moyens de guidage par coussin d'air. De préférence, les moyens de mesure de position comprennent ou consistent en un capteur optique.
De préférence, chaque actionneur comprend ou consiste en un actionneur électromagnétique, de préférence de type « bobine acoustique ».
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de dispositif 101 selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation de dispositif 102 selon l'invention,
- la figure 3 est une vue en perspective du deuxième mode de réalisation de dispositif 102 selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation de dispositif 103 selon l'invention,
- la figure 5 est une vue en perspective d'un quatrième mode de réalisation de dispositif 104 selon l'invention.
Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. On va tout d'abord décrire, en référence à la figure 1, un premier mode de réalisation de dispositif 101 selon l'invention mettant en œuvre un mode de réalisation de procédé selon l'invention.
Ce mode de réalisation permet de mesurer des forces surfaciques telles que des forces de Van der Waals, des forces électrostatiques, ou des forces capillaires.
Le dispositif 101 ne présente pas de raideur apparente. Il se présente comme une masse seule.
Le dispositif 101 de mesure de force comprend un organe mobile 1 pouvant se mouvoir, et aussi appelé par la suite sonde 1 ou élément mobile 1.
Le dispositif 101 est un dispositif 101 de mesure de force par compensation d'effort, et ne comprend aucune raideur physique intrinsèque sur l'organe mobile 1.
Pour en limiter l'inertie, l'organe mobile 1 a une masse inférieure à 50 grammes, de préférence inférieure à 10 grammes, dans cet exemple inférieure à 5 grammes.
Ce mode de réalisation utilise une sonde (organe 1) en lévitation, sans contact avec le reste du dispositif 101 (dont le bâti du dispositif 101).
Le dispositif 101 a un principe de mesure de force par boucle d'asservissement.
Le dispositif 101 comprend des moyens de guidage 2 de l'organe mobile 1 agencés pour guider ou contraindre les mouvements de l'organe mobile 1 selon au moins un degré de liberté, dont de préférence au moins un degré de liberté en translation.
L'organe mobile 1 a, à une de ses extrémités le long du ou d'un des degré(s) de liberté en translation, un mandrin 10 permettant de disposer un élément (chargé électriquement et/ou aimanté et/ou en pointe formant un contact mécanique quasi ponctuel, etc.) dépendant de la nature de la force extérieure 8 à mesurer.
Par la suite, chaque degré de liberté de l'organe mobile 1 sera simplement appelé « degré de liberté », sans référence à l'organe mobile 1.
Les moyens de guidage 2 contraignent tout déplacement de l'organe mobile 1 selon cet au moins un degré de liberté. Le dispositif 101 comprend des moyens 3 de mesure de position agencés pour mesurer une position de l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté, de préférence avec une résolution d'au moins 0,1 pm.
Le dispositif 101 comprend au moins un actionneur 4, distinct des moyens de guidage 2, agencé pour soumettre une force d'actionneur 7 sur l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté.
C'est bien le ou l'ensemble des actionneur(s) 4 qui est agencé pour soumettre la force d'actionneur 7. Cette force d'actionneur 7 peut se décomposer en plusieurs (2 ou 3) composantes orthogonales entre elles.
Le dispositif 101 ne comprend qu'un actionneur 4 par degré de liberté en translation.
La force d'actionneur 7 a autant de composantes orthogonales entre elles que l'organe mobile 1 a de degré(s) de liberté en translation.
Chaque degré de liberté en translation est associé à un actionneur 4. Chaque actionneur 4 est agencé pour soumettre sur l'organe mobile 1 une composante de la force d'actionneur 7 parallèle au degré de liberté en translation auquel cet actionneur 4 est associé.
Le dispositif 101 comprend un système de commande 5, agencé et/ou programmé pour envoyer un signal de commande à l'au moins un actionneur 4, la force d'actionneur 7 dépendant du signal de commande, le système de commande 5 étant agencé pour modifier le signal de commande en fonction d'une mesure de position de l'organe mobile 1 par les moyens 3 de mesure de position.
Ce signal de commande peut comprendre plusieurs composantes. Par exemple, dans un mode de réalisation à plusieurs actionneurs 4, le système de commande 5 est agencé pour envoyer une composante du signal de commande par actionneur 4. On a donc une composante du signal de commande par actionneur 4 et donc par composante de la force d'actionneur 7.
Chacun des moyens de ce mode de réalisation de dispositif selon l'invention sont des moyens techniques.
Le système de commande 5 met en œuvre un algorithme de commande. Le système de commande 5 ne comprend que des moyens techniques.
Le système de commande 5 comprend au moins un ordinateur, une unité centrale ou de calcul, un circuit électronique analogique (de préférence dédié), un circuit électronique numérique (de préférence dédié), et/ou un microprocesseur (de préférence dédié), et/ou des moyens logiciels.
Le dispositif 101 est relié à une carte électronique apportant une solution pour tester différents schéma de commande en utilisant un logiciel de synthèse de schémas de commande. Un convertisseur intégré génère le code qui est ensuite exécuté en temps réel sur le système de commande 5.
L'organe mobile 1 est asservi en position au travers le système de commande 5 qui est de type Proportionnel Intégrateur Dérivateur (PID). La partie proportionnelle contrôle la réponse dynamique du dispositif 101 et sa capacité à mesurer des phénomènes rapides, la partie intégrateur contrôle la précision des mesures ainsi que la sensibilité à des petites forces et la partie dérivateur stabilise le dispositif 101.
La commande est implémentée sur le système de commande 5 en temps réel. Ce système de commande 5 est composé d'un ordinateur sous linux avec noyau temps réel RTAI. Une fréquence de 20 kHz est atteignable. Dans d'autres variantes, l'algorithme de commande du système de commande 8 est implémenté sur un FPGA (cette solution atteint des fréquences d’échantillonnage de plusieurs centaines de kilohertz) ou sur un contrôle analogique (le dispositif 101 devient alors un système continu et les problématiques de retard des systèmes discrets sont supprimés).
Le dispositif 101 comprend des moyens 6 de mesure de force agencés et/ou programmés pour, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande 5 à l'au moins un actionneur 4, fournir une valeur d'une force à mesurer 8 s'exerçant sur l'organe mobile 1 et distincte de la force d'actionneur 7.
La force à mesurer 8 peut se décomposer en plusieurs (2 ou 3) composantes orthogonales entre elles.
Les moyens de mesure 6 ne comprennent que des moyens techniques. Les moyens de mesure 6 comprennent au moins un ordinateur, une unité centrale ou de calcul, un circuit électronique analogique (de préférence dédié), un circuit électronique numérique (de préférence dédié), et/ou un microprocesseur (de préférence dédié), et/ou des moyens logiciels.
Les moyens de mesure 6 sont des moyens de calcul.
Les moyens de guidage 2 de l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile 1 selon chaque degré de liberté parmi l'au moins un degré de liberté.
Les moyens de guidage 2 de l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté sont dénués de raideur (raideur intrinsèque physique) ou de résistance à un déplacement de l'organe mobile 1 selon chaque degré de liberté parmi l'au moins un degré de liberté par rapport aux moyens de guidage 2.
Les moyens de guidage 2 ont, pour chaque degré de liberté parmi l'au moins un degré de liberté, une pulsation propre nulle.
Pour les moyens de guidage 2 et l'organe mobile 1 considérés seuls, il n'existe pas d'état ou de position d'équilibre de l'organe mobile 1 par rapport aux moyens de guidage 2.
Les moyens de guidage 2 sont des moyens de guidage sans contact avec l'organe mobile 1.
Les moyens de guidage 2 peuvent comprendre de multiples variantes, comme un guide par coussin d'air, un système de lévitation magnétique, et/ou une suspension électromagnétique.
Dans la présente description, un premier élément est dit « sans contact » avec un deuxième élément si aucun solide et/ou liquide ne relie ce premier élément avec le deuxième élément. Par contre, ces deux éléments sont considérés « sans contact » même s'ils sont reliés par du vide ou un gaz, comme par exemple par de l'air.
Les moyens 3 de mesure de position sont des moyens de mesure sans contact avec l'organe mobile 1.
Les moyens de mesure 3 peuvent comprendre de multiples variantes, comme un système de mesure de distance par faisceau laser, un système interférométrique, un système capacitif, un système à induction magnétique, un interféromètre SIOS, un capteur de proximité (par exemple Sharp GP2S60), un capteur (par exemple ILD1420-10 de la marque microepsilon), et/ou une règle optique.
Les moyens 3 de mesure de position sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté.
Chaque actionneur 4 est dénué de contact avec l'organe mobile 1.
Chaque actionneur 4 peut comprendre de multiples variantes, comme un système d'actionnement électromagnétique et/ou électrostatique.
L'au moins un actionneur 4 est dénué de raideur physique intrinsèque par rapport à l'organe mobile 1, mais a uniquement (comme on le verra par la suite) une raideur fabriquée artificiellement via le système de commande 5 qui peut même être réglée à une valeur nulle.
L'organe mobile 1 est dénué de contact avec toute autre pièce du dispositif 101.
Ainsi, selon l'invention :
- l'absence de tout contact avec l'organe mobile 1 (pour éviter des forces de frottement),
- l'absence de force de rappel exercée par les moyens de guidage 2 sur l'organe mobile 1, (et l'absence de force de rappel exercée sur l'organe mobile 1 par toute partie autre que l'au moins un actionneur 4),
permet de supprimer des problématiques de raideur mécanique et de reposer entièrement sur une boucle d’asservissement (électronique), permettant ainsi la commande et connaissance fine de la force de rappel.
Le fonctionnement simplifié du dispositif est représenté sur la figure 1. Quand une force à mesurer Fm est appliquée sur l'organe 1, un déplacement de la partie mobile 1 est mesuré par le capteur de position 3. La mesure de position est utilisée par la commande 5 pour compenser la force appliquée Fm sur l'organe 1.
Ce mode de réalisation de dispositif 101 a une résolution de mesure de la force Fm inférieure ou égale à 0,1 mN, de préférence avec une fréquence de mesure d'au moins 50 Hz.
Ce mode de réalisation peut être décliné selon deux variantes.
Selon une première variante, le système de commande 5 est agencé et/ou programmé pour asservir la position de l'organe mobile 1 à une position fixe quelle que soit la valeur de la force à mesurer 8. On va donner un exemple de cette première variante dans un cas ne comprenant qu'un unique degré de liberté en translation (avec éventuellement un unique degré de liberté en rotation autour de l'axe de déplacement en translation de ce degré de liberté en translation).
Cet exemple est bien évidemment généralisable à deux ou trois dimensions spatiales.
Dans cet exemple de la première variante, l'organe mobile 1 est à une position de départ (X=0) pour une force à mesurer 8 nulle (i.e. égale à Fm = 0).
Dans cet exemple de la première variante, le système de commande
5 met en œuvre un algorithme de commande (typiquement utilisant une boucle de rétroaction entre les moyens de mesure de position 3 et le signal de commande envoyé à l'au moins actionneur 4) agencé pour, quelle que soit la force à mesurer Fm (aussi référencée 8 sur les figures) exercée sur l'organe mobile 1, envoyer un signal de commande à l'au moins actionneur 4 pour maintenir la position de l'organe mobile 1 à sa position de départ (X=0).
Les moyens de mesure 6 connaissant la force d'actionneur Fa (aussi référencée Fa sur les figures), les moyens de mesure 6 déduisent simplement Fm comme étant égale en valeur absolue à Fa. On a Fm = -Fa pour le calcul. On connaît Fa parce que c'est la force générée à travers le signal de commande et l'actionneur 4 dont les caractéristiques sont rigoureusement identifiées.
Dans cette première variante, le ou chaque actionneur 4 a une raideur nulle. Le dispositif 101 selon l'invention a une bande passante infinie.
Dans cette première variante, le dispositif selon l'invention est dit « sans déplacement » ou « à mouvement nul » de l'élément mobile 1 (même si en réalité l'élément mobile 1 peut être animé d'une succession de micro mouvements selon l'au moins un degré de liberté quasi- simultanément compensés par l'au moins un actionneur 4).
Grâce à cet asservissement à mouvement nul, à travers le système de commande 5 et l'au moins un actionneur électromagnétique 4, il est possible de connaître la force Fa s'opposant au mouvement de la sonde 1, sensiblement égale en valeur absolue à la valeur de la force extérieur Fm qu'on désire mesurer. Cette approche permet d'effectuer la mesure la valeur d'une force à une position précise dans l'espace, sans la variation due à une déformation d'un élément flexible, ce qui est utile pour la mesure des forces à distance (magnétique, électrostatique, Van der Waals...).
Cette variante est aussi particulièrement robuste pour le cas des forces attractives ou à fortes variations dynamiques, les cas dans lesquels les capteurs selon l'état de l'art échouent, car la mesure selon l'état de l'art est alors polluée par les caractéristiques mécaniques de la sonde (masse, raideur), ainsi que la forme linéaire de la force de rappel en fonction du déplacement, avec les paramètres de cette fonction imposés par les caractéristiques mécaniques de l'agencement d'un capteur selon l'état de l'art.
On obtient ainsi une grande stabilité face aux variations de la force extérieure Fm.
La précision et résolution dépendent uniquement de l’électronique de l’asservissement, mais d'aucune contrainte mécanique, et peuvent donc être très finement commandées et contrôlées.
L'invention présente donc des applications potentielles pour la mesure des forces à distance ou des effets à variations rapides. On rencontre de tels phénomènes par exemple dans la micro-robotique, dans les procédés d’injection biologique et dans la réalisation de systèmes automatisés.
Typiquement on obtient des mesures de variations de forces avec une bande passante allant jusqu'à 300Hz, ce qui représente un gain d'environ 20 comparés à l'état de l'art pour des applications similaires.
Selon une deuxième variante, le système de commande 5 est agencé et/ou programmé pour fixer une valeur de la force d'actionneur 7 comme une fonction de la position de l'organe mobile 1.
On va donner un exemple de cette deuxième variante dans un cas ne comprenant qu'un unique degré de liberté en translation (avec éventuellement un unique degré de liberté en rotation autour de l'axe de déplacement en translation de ce degré de liberté en translation).
Cet exemple est bien évidemment généralisable à deux ou trois dimensions spatiales. Dans cet exemple de la deuxième variante, l'organe mobile 1 est à une position de départ (X=0) pour une force à mesurer 8 nulle (i.e. égale à Fm = 0).
Dans cet exemple de la deuxième variante, l'organe mobile 1 est déplacé à une position X¹0 en fonction de la force Fm exercée sur lui, et le système de commande 5 met en œuvre un algorithme de commande (typiquement utilisant une boucle de rétroaction entre les moyens de mesure de position 3 et le signal de commande envoyé à l'au moins actionneur 4) agencé pour envoyer un signal de commande à l'au moins actionneur 4 de manière à exercer sur l'organe mobile 1 une force d'actionneur Fa dont la valeur (ou les valeurs de ses différentes composantes) dépend de cette position X, typiquement par une loi de proportionnalité entre X et Fa (Fa = f(X)) reliés par une raideur K qui dans son expression la plus simple serait:
Fa = K . X de façon analogue à un ressort, mais qui pourrait aussi plus généralement être non linéaire, ce qui n'est pas possible de réaliser aisément avec un composant mécanique ;
On remarque que dans cette deuxième variante, la raideur K est non nulle et peut être positive ou même négative, ce qui permet encore un cas qui n'est pas possible avec un élément à raideur mécanique réel.
Dans ce cas, on déduit Fm par la mesure de déplacement X de la sonde 1 mesuré, et la connaissance de la fonction f(X) = Fa, avec toujours en valeur absolue Fa = Fm grâce à l'absence des forces parasites. Les moyens de mesure 6 connaissant la force d'actionneur Fa (aussi référencée 7 sur les figures), les moyens de mesure 6 déduisent simplement Fm comme étant égale en valeur absolue à Fa.
Ainsi, une autre possibilité est une utilisation de l'invention comme un capteur de force traditionnel à déformation (sans raideur physique intrinsèque, mais avec une raideur fabriquée artificiellement par le système de commande 5 et l'au moins un actionneur 4), où la raideur est fournie par la commande de l’au moins un actionneur électromagnétique 4, permettant ainsi de fixer la valeur de raideur à volonté, y compris de façon non linéaire ou encore négative. Ainsi le procédé selon l'invention mis en œuvre par le dispositif 101 comprend :
- un guidage, par les moyens de guidage 2, de l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté,
- une mesure de position de l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté par les moyens de mesure de position 3,
- une soumission de la force d'actionneur Fa sur l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté, par l'au moins un actionneur 4 distinct des moyens de guidage 2,
- un envoi, par le système de commande 5, du signal de commande à l'au moins un actionneur 4, la force d'actionneur Fa dépendant du signal de commande, le système de commande 5 modifiant le signal de commande en fonction de la mesure de position de l'organe mobile 1 par les moyens de mesure de position 3,
- une mesure de force, par les moyens techniques 6 et à partir du signal de commande envoyé par le système de commande 5 à l'au moins un actionneur 4, fournissant une valeur de la force à mesurer Fm s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur,
les moyens de guidage 2 de l'organe mobile 1 exerçant aucune force de rappel sur l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté.
Les moyens de guidage 2 guident l'organe mobile 1 sans contact avec l'organe mobile 1.
Les moyens 3 de mesure de position mesurent la position de l'organe mobile 1 sans contact avec l'organe mobile 1.
Les moyens 3 de mesure de position exercent aucune force de rappel sur l'organe mobile 1 selon l'au moins un degré de liberté.
L'au moins un actionneur 4 soumet la force d'actionneur 7 sur l'organe mobile 1 sans contact avec l'organe mobile 1.
L'organe mobile 1 est dénué de contact avec toute autre pièce du dispositif 101 mettant en œuvre le procédé.
Dans la première variante décrite ci-dessus, le système de commande 5 asservit la position de l'organe mobile 1 à une position fixe quelle que soit la valeur de la force à mesurer 8. Dans la deuxième variante décrite ci-dessus, le système de commande 5 fixe une valeur de la force d'actionneur 7 comme une fonction de la position de l'organe mobile 1. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2 et à la figure 3, un deuxième mode de réalisation de dispositif 102 selon l'invention mettant en œuvre un procédé selon l'invention, mais uniquement pour ses différences par rapport au premier mode 101.
Les éléments 3, 5, 6, et 9 ne sont pas illustrés sur la figure 3 mais sont bien présents dans ce mode de réalisation.
Ce mode de réalisation de dispositif 102 a une plage de mesures de 0,00044 N à 1 N.
L'organe 1 est contraint à un mouvement unidirectionnel.
L'au moins un degré de liberté ne comprend qu'un unique degré de liberté en translation, appelé degré de liberté principal en translation.
L'au moins un degré de liberté ne comprend qu'un unique degré de liberté en rotation autour d'un axe de déplacement du degré de liberté en translation.
Les moyens 2 sont agencés pour maintenir l'organe 1 en lévitation. Les moyens de guidage 2 comprennent ou consistent en des moyens de guidage par coussin d'air ou de guidage par palier à air, par exemple de référence S300601 de la marque NewWay airbearings.
Pour cette version « en rotation libre », un seul palier à air 2 est utilisé dans les moyens de guidage. L'actionneur 4 est alors aligné avec le palier 2.
Les moyens 3 de mesure de position comprennent ou consistent en un capteur optique.
Les moyens 3 comprennent un capteur laser à triangulation.
Les moyens 3 comprennent un capteur ILD1420-10 de la marque microepsilon.
L'organe 1 comprend un élément réfléchissant 11 (typiquement un disque de métal) agencé pour réfléchir le faisceau lumineux de mesure de position émis par les moyens 3. L'actionneur 4 (associé au degré de liberté principal en translation) comprend ou consiste en un actionneur électromagnétique, de type « bobine acoustique » comprenant une bobine ou solenoïd ou électroaimant, par exemple de référence NCC01-04-001-1X de marque H2W technologies.
L'utilisation d'une « bobine acoustique » (ou « voice coil » en anglais) pour l'actionnement assure un fonctionnement linéaire sans contact. Cette solution technique développe une force proportionnelle au courant appliqué dans la bobine. De plus la masse et la taille est réduite.
L'organe mobile a typiquement une forme de tige de 40 mm de longueur et de 6.35 mm de diamètre munie du disque 11 qui a un diamètre de 20 mm et une épaisseur de 1 mm.
L'organe mobile 1 est principalement en acier inoxidable.
L'organe mobile 1 comprend une partie ferromagnétique 9 (de préférence un aimant, de préférence un aimant permanent) située à l'intérieur de la bobine ou solenoïd ou électroaimant et agencée pour se déplacer à l'intérieur de la bobine ou solenoïd ou électroaimant selon le degré de liberté principal en translation.
Un amplificateur de courant utilisé pour contrôler l'actionneur 4 est un module Maxon Escon 50/5.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 4, un troisième mode de réalisation de dispositif 103 selon l'invention mettant en œuvre un procédé selon l'invention, mais uniquement pour ses différences par rapport au deuxième mode 102.
Les éléments 3, 5, 6, et 9 ne sont pas illustrés sur la figure 4 mais sont bien présents dans ce mode de réalisation.
L'au moins un degré de liberté ne comprend aucun degré de liberté en rotation.
Dans cette version avec la rotation bloquée, les moyens de guidage 2 comprennent deux paliers à air 2a, 2b.
Ces deux paliers 2a, 2b sont agencés pour guider le mouvement de l'organe 1 le long de deux axes parallèles entre eux et donc à une même direction de manière à bloquer toute rotation autour de cette direction. L'actionneur 4 est positionné entre les deux paliers 2a, 2b.
Ce positionnement de l'actionneur 4 évite les phénomènes de porte- à-faux. Les directions des efforts sont alignées.
Pour comparer les modes de réalisation des figures 3 et 4 :
- la version avec la rotation bloquée (figure 4) présente une masse plus importante et donc un rapport entre la résolution de la mesure de position et la mesure de force moins favorable,
- la version avec la rotation libre (Figure 3) réduit la masse du dispositif selon l'invention.
Ainsi la version avec la rotation libre (figure 3) est privilégiée. Un second avantage de cette version (figure 3) est une simplification de la mécanique et du nombre d'éléments employés.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 5, un quatrième mode de réalisation de dispositif 104 selon l'invention mettant en œuvre un procédé selon l'invention, mais uniquement pour ses différences par rapport au deuxième mode 102.
Les éléments 5, 6, et 9 ne sont pas illustrés sur la figure 5 mais sont bien présents dans ce mode de réalisation.
Chaque actionneur 4 comprend ou consiste en un actionneur électromagnétique, et comprend au moins une « bobine acoustique »
Le dispositif 104 ne comprend qu'un actionneur 4 par degré de liberté en translation.
La force d'actionneur 7 a autant de composantes orthogonales entre elles (trois) que l'organe mobile 1 a de degré(s) de liberté en translation.
Les moyens de guidage 2 comprennent, pour chaque degré de liberté en translation, des moyens pour guider l'organe mobile 1 selon au moins un axe de translation, plus exactement pour chaque degré de liberté en translation considéré:
- Des moyens pour contraindre le mouvement de l'organe mobile 1 le long d'un unique axe de translation, si le degré de liberté en translation considéré est associé à un degré de liberté en rotation autour de cet unique axe de translation (cas du degré de liberté en translation le long de X),
- des moyens pour contraindre le mouvement de l'organe mobile 1 le long de deux axes de translation parallèles distincts, si le degré de liberté en translation considéré est dénué de degré de liberté en rotation autour d'un quelconque axe parallèle aux deux axes distincts (cas du degré de liberté en translation le long de Y et du degré de liberté en translation le long de Z).
Les moyens de mesure de position 3 comprennent trois capteurs optiques 3a, 3b, 3c tels que précédemment décrits séparant les mesures de position selon les trois axes orthogonaux X, Y, Z.
La conception de ce dispositif 104 est réalisée pour autoriser une extension simplifiée sur plusieurs degrés de liberté :
- trois degrés de liberté en translation, et
- un unique degré de liberté en rotation.
En pratique, le dispositif 104 correspond à la combinaison :
- du mode de réalisation 102 de la figure 3 pour l'axe principal X (degré de liberté principal en translation le long de X et degré de liberté en rotation autour de X)
- avec deux fois le mode de réalisation 103 de la figure 4 pour l'axe Y et l'axe Z (degrés de liberté en translation le long de Y et le long de Z sans rotation autour de ces axes).
L'utilisation du palier à air 2 génère une raideur axiale suffisamment importante pour découpler proprement les directions des efforts.
Sur chaque palier 2, 2a, 2b utilisé dans le capteur, la raideur radiale est de 2 N/pm et la force maximale admissible est de 12 N.
Il est donc possible de concevoir un dispositif 104 sur trois degrés de liberté en translation en déclinant les orientations suivants des directions orthogonales, l'axe Z s'opposant à la pesanteur utilisant une bobine acoustique 4 capable de compenser le poids porté.
Pour les deux axes Y et Z, la rotation est bloquée pour assurer un meilleur fonctionnement. Pour comparer les modes de réalisation des figures 3 et 5 : avec le mode de réalisation 104 de la figure 5, une dégradation des performances apparaît avec l'augmentation du nombre d'axes : la partie mobile du deuxième axe comporte la totalité du premier axe, et ainsi de suite.
Ainsi la version de la figure 3 sera privilégiée, sauf si une mesure sur plusieurs degrés de liberté en translation est nécessaire.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (101, 102, 103, 104) de mesure de force, comprenant:
- un organe mobile (1),
- des moyens de guidage (2) de l'organe mobile selon au moins un degré de liberté,
- des moyens (3) de mesure de position agencés pour mesurer une position de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté,
- au moins un actionneur (4), distinct des moyens de guidage, et agencé pour soumettre une force d'actionneur (7) sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté,
- un système de commande (5), agencé et/ou programmé pour envoyer un signal de commande à l'au moins un actionneur, la force d'actionneur dépendant du signal de commande, le système de commande étant agencé pour modifier le signal de commande en fonction d'une mesure de position de l'organe mobile par les moyens de mesure de position,
- des moyens de mesure de force (6) agencés et/ou programmés pour, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande à l'au moins un actionneur, fournir une valeur d'une force à mesurer (8) s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur,
caractérisé en ce que les moyens de guidage de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de commande est agencé et/ou programmé pour asservir la position de l'organe mobile à une position fixe quelle que soit la valeur de la force à mesurer.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de commande est agencé et/ou programmé pour fixer une valeur de la force d'actionneur comme une fonction de la position de l'organe mobile.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de guidage sont des moyens de guidage sans contact avec l'organe mobile.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure de position sont des moyens de mesure sans contact avec l'organe mobile.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure de position sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque actionneur est dénué de contact avec l'organe mobile.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe mobile est dénué de contact avec toute autre pièce du dispositif.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un actionneur par degré de liberté en translation.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un degré de liberté ne comprend qu'un unique degré de liberté en translation.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un degré de liberté ne comprend qu'un unique degré de liberté en rotation.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'au moins un degré de liberté ne comprend aucun degré de liberté en rotation.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent ou consistent en des moyens de guidage par coussin d'air.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure de position comprennent ou consistent en un capteur optique.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque actionneur comprend ou consiste en un actionneur électromagnétique, de préférence de type « bobine acoustique ».
16. Procédé de mesure de force, comprenant:
- un guidage, par des moyens de guidage (2), d'un organe mobile (1) selon au moins un degré de liberté,
- une mesure de position de l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté par des moyens (3) de mesure de position,
- une soumission d'une force d'actionneur (7) sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté, par au moins un actionneur (4) distinct des moyens de guidage,
- un envoi, par un système de commande (5), d'un signal de commande à l'au moins un actionneur, la force d'actionneur dépendant du signal de commande, le système de commande modifiiant le signal de commande en fonction de la mesure de position de l'organe mobile par les moyens de mesure de position,
- une mesure de force, à partir du signal de commande envoyé par le système de commande à l'au moins un actionneur, fournissant une valeur d'une force à mesurer (8) s'exerçant sur l'organe mobile et distincte de la force d'actionneur,
caractérisé en ce que les moyens de guidage de l'organe mobile sont dénués de force de rappel sur l'organe mobile selon l'au moins un degré de liberté.
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