FR2527968A1 - Poignet souple sensitif pour organe de manipulation - Google Patents

Abstract

LE POIGNET COMPREND UN BLOC DE SERRAGE 12 COMPORTANT DES PINCES 14 MUNIES DE MOYENS LEUR PERMETTANT DE SE DEPLACER PARALLELEMENT A ELLES-MEMES ET COMPREND EGALEMENT UN BLOC SENSITIF 11 DESTINE A ETRE FIXE A UN ORGANE DE MANIPULATION ET AU BLOC DE SERRAGE. LE BLOC DE SERRAGE PRESENTE UN ELEMENT 20, 21 DEFORMABLE ELASTIQUEMENT ET DES MOYENS DE MESURE DES DEFORMATIONS 22-24. LES DEUX BLOCS CONSTITUENT CHACUN UN MODULE REMPLACABLE EN BLOC PAR UN AUTRE, CAPABLE DE COOPERER DE LA MEME FACON QUE LE PREMIER AVEC L'ORGANE DE MANIPULATION ET AVEC LE BLOC RESTANT.

Description

Poignet souple sensitif pour organe de manipulation
La présente invention a pour objet un poignet souple sensitif destiné à être fixé à l'extrémité d'un organe de manipulation et elle trouve une application particulièrement
importante en robotique.

L'un des problèmes principaux qui se posent à l'heure actuelle lorsqu'on souhaite utiliser des robots pour effectuer l'assemblage de pièces est l'obtention d'une précision globale de positionnement suffisante et, surtout, I'obtention d'un toucher comparable à celui de la main humaine.

A l'heure actuelle, la précision globale avec laquelle on peut positionner l'extrémité du bras d'un robot manuellement ou à l'aide d'un système de reconnaissance de forme est d'environ + 0,5 mm. Or, dans de nombreux domaines, et notamment dans celui de la micromécanique, les tolérances ou les jeux sont très souvent inférieurs, par exemple de l'ordre de + 0,05 mm. Il faut donc utiliser un poignet souple compensant les erreurs d'alignement lors de l'assemblage et simulant un poignet humain.

On qualifie souvent de "compliant" un poignet, c'està-dire un ensemble de préhension susceptible d'être placé à l'extrémité d'un organe de manipulation pour remplir les fonctions d'une main, présentant une capacité de déplacement ou d'orientation élastique autour d'une position nominale pour compenser les erreurs linéaires ou angulaires de positionnement. Mais la compliance ne suffit pas pour garantir l'exécution d'un assemblage de façon précise et sûre.

Elle ne permet en effet qu'un travail à l'aveugle, en boucle ouverte. Pour travailler en boucle fermée et avec un sens tactile, il est nécessaire d'adjoindre des détecteurs d'effort dont les signaux de sortie sont amenés au calculateur de commande de façon à compenser les erreurs.

On aura une idée de l'intérêt du fonctionnement en boucle fermée si l'on remarque que l'on ne peut guère mettre en place une pièce avec une précision inférieure à 0,5 mm par commande manuelle. Si le robot est du type où cette mise en place manuelle constitue une phase d'apprentissage, la simple compliance sans détection des efforts avec déplacement conduit à mettre en mémoire comme référence une position décalée d'une valeur pouvant aller jusqu'à 0,5 mm par rapport à la valeur de consigne théorique. Comme ultérieurement, la précision globale de commande, compte tendu des tolérances et des résolutions, peut encore atteindre t 0,5 mm, l'erreur cumulée peut atteindre tmm, ce qui est excessif.De plus, il n'y a pas d'alerte en cas d'arcboutement dû à un décalage excessif ou de blocage dû à un obstacle imprévu. Les efforts exercés dans ce cas risquent d'endommager les pièces.

La compliance peut être passive ou active : dans un système à compliance passive, les déformations sont provoquées uniquement par la transmission à un élément élastique appartenant au poignet des efforts subis par la pièce manipulée. Les déformations de cet élément peuvent être mesurées de façon à déterminer les forces et/ou les couples transmis et à fournir une information au système de commande du robot. Dans un poignet à compliance active au contraire, des moyens moteurs permettent de déplacer les moyens de préhension de pièces appartenant au poignet par rapport à l'organe de manipulation de façon à réduire ou annuler les forces et/ou couples.

On connaît notamment des poignets souples destinés à être fixés à l'extrémité d'un organe de manipulation, comprenant un bloc de serrage comportant des pinces munies de moyens leur permettant de se déplacer parallèlement à elles-mêmes entre une position de serrage de pièce et une position écartée et comportant également un bloc sensitif destiné à être fixé d'une part à l'organe, d'autre part, au bloc de serrage et présentant un élément déformable élastiquement sous l'action des efforts exercés sur les pinces ainsi que des moyens de mesure des déformations.

Les poignets de ce genre existant à ce jour ne sont pas pleinement satisfaisants pour de nombreuses raisons.

Leurs caractéristiques sont en général figées. Or, il est souvent souhaitable de pouvoir adapter les caractéristiques du poignet à celles de la pièce à manipuler. On sait en particulier qu'il est généralement souhaitable que le poids du poignet soit sensiblement égal au poids de la pièce la plus lourde à manipuler. Il est également souhaitable de donner à l'élément élastiquement déformable une raideur qui est fonction de la pièce à manipuler et de l'assemblage à réaliser. Enfin, les mêmes moyens de serrage ne peuvent s'adapter parfaitement à des pièces de formes différentes.

L'invention vise à fournir un poignet répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il présente une très grande souplesse d'utilisation. Dans ce but, elle propose notamment un poignet dont les deux blocs constituent chacun un module remplaçable en bloc par un autre, capable de coopérer de la même façon que le premier avec l'organe de manipulation et avec le bloc restant. Le bloc de serrage et les pinces sont avantageusement prévus de leur côté pour rendre possible un changement de la largeur de prise des pinces ner mise er oeuvre du poignet et de lui seul.

Le serrage parallèle des pinces peut être obtenu notamment soit en plaçant celles-ci sur des glissières, de sorte que leur mouvement lors du serrage est une translation pure, soit en les montant sur un plateau support du bloc de serrage par deux biellettes formant parallélogramme déformable.

On connaît déjà de très nombreux moyens de mesure de déformations qui sont utilisables dans un poignet du genre décrit ci-dessus. Toutefois, la plupart sont d'un prix élevé et/ou sensibles à la pollution rencontrée dans les conditions habituelles de travail. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, les moyens de détection sont constitués par des capteurs magnétorésistifs de faible coût, en nombre suffisant pour détecter les déformations dans au moins trois directions. En règle générale toutefois, on placera un nombre de capteurs suffisant pour pouvoir déduire des signaux fournis, l'ensemble des forces et des couples qui agissent sur le bloc de serrage.

On sait qu'on cherche, dans les robots industriels, à obtenir une vitesse maximale de déplacement du poignet de la position de prise d'une pièce à la position d'assem- blage. Pour cela, il est souhaitable de réduire l'inertie du poignet. Mais il faut en même temps éviter que la mise en mouvement et l'arrêt ne provoquent des chocs, sources de détérioration rapide, et des vibrations, qui doivent hêtre amorties avant de commencer l'assemblage. Pour résoudre ce problème, l'invention propose notamment de munir le poignet de moyens actionnables à volonté, tels que des vérins auxiliaires, qui donnent une constitution rigide à ensemble du poignet au cours des déplacements.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de poignets qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples mon limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 montre un poignet à compliance passive suivant un premier mode de réalisation de l'invention, représenté en coupe suivant un plan passant par son axe, l'une des pinces étant toutefois représentée en vue extérieure,
- la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne
II-II de la figure 1,
- la figure 3 est une vue de détail montrant le bloc de serrage, depuis la gauche de la figure 1,
- la figure 4 est un schéma de principe montrant les directions de mesure des efforts dans le cas d'un arrangement à neuf capteurs,
- la figure 5 est une vue schématique, en coupe suivant un plan passant par l'axe, montrant une disposition de soufflet possible dans un poignet a compliance active,
- la figure 6 montre les éléments principaux d'un poignet à compliance active constituant un autre mode de réalisation de l'invention.

On décrira tout d'abord, en faisant référence à la figure 1, un poignet à compliance passive, destiné à être utilisé sur un robot d'assemblage. Ce poignet, désigné dans son ensemble par la référence 10, peut être regardé comme comprenant un bloc sensitif 11 destiné à être fixé sur l'embout 13a d'un bras 13 et un bloc de serrage 12, muni de pinces 14munies de mors remplaçables40.

Le bloc sensitif 10 constitue un module comprenant un corps 15 muni d'un filetage externe permettant de le solidariser de l'embout terminal 13a à l'aide d'un écrou 16 libre en rotation sur l'embout 13a du bras 13. Des roulements 17 guident cet embout dans le corps du bras
13 qu'on supposera vertical. La commande en rotation de l'embout t du poignet peut être réalisée à l'aide d'une poulie crantée 18. Le corps 15 est solidarisé de l'embout 13a par des moyens quelconqUes, tels qu'une goupille 19.

L'élément élastiquement déformable a une structure composite.-I-l se compose d'un plateau sensitif 20 rigide relié au corps 15 par des plots élastiques 21, au nombre de trois dans l'exemple représenté, un nombre supérieur étant possible. Ces plots 21, en matériau élastomère, sont fixés au plateau 20 et au corps 15 par tiges filetées et écrous ou par tout autre moyen démontable.

Entre le plateau sensitif 20 et le corps 15 sont interposés des moyens de mesure des déformations de l'élément élastique, permettant de mesurer les forces et les couples à condition que les caractéristiques de déformation des plots 21 soient correctement tarées. Pour permettre de définir complètement la force qui s'exerce sur le plateau en valeur et en orientation dans l'espace, il est nécessaire de prévoir au moins six capteurs de déplacement, afin de pouvoir déduire les trois composantes de force et les trois composantes de couple des signaux fournis par ces capteurs. Mais ce nombre de six n'est pas limitatif et on a montré à titre d'exemple sur la figure 4, une disposition destinée à permettre la mesure des déplacements suivant neuf directions (trois directions axiales D1 à D3 et six directions transversales à l'axe D4 à D9).

Comme on l'a indiqué plus haut, on utilisera avantageusement des capteurs du type magnétorésistif, de coût faible puisqu'ils sont 15 à 50 fois moins chers que les capteurs de déplacement ou d'effort habituellement utilisés.

La figure 1 montre l'un des capteurs de mesure dans le sens axial. Ce capteur 22, qui peut être de dimensions très réduites (un capteur couramment disponible ayant un encombrement de 3,2 x 1,2 x 0,4 mm), est placé entre deux aimants miniatures en ferrite orientée 23 et 24, espacés de quelques millimètres au repos. Le capteur 22 est collé sur l'aimant 23, lui-même solidaire du corps 15.

L'aimant 24 est collé sur le plateau sensitif 20. Avec des aimants de 5mm de diamètre et de 2mm d'épaisseur, on peut sans difficulté obtenir une induction de l'ordre de 0,15
Tesla dans un entrefer de 2mm, ce qui correspond à une sensibilité acceptable du capteur, permettant de détecter des déplacements inférieurs à 0,1 mm. L'ensemble des signaux fournis par les capteurs sont transmis à un calculateur, non représenté, fonctionnant en temps réel pour déterminer les écarts par rapport à la position théorique et éventuellement déplacer le bras afin de rattraper l'écart de position détecté.

Des capteurs destinés à mesurer les déplacements transversalement à l'axe peuvent être montés de la même façon autour du plateau sensitif, comme on le voit sur la figure 2. Le poignet montré en figures 1 et 2 comporte des moyens permettant de verrouiller l'élément déformable en position lors du transport, constitués par trois vérins auxiliaires 45 (ce nombre n'étant pas limitatif). Le cylindre de cesvérinsest solidarisé du corps 15 par une patte 46 et une vis 47. Le plongeur du vérin est déplia çable entre une position rétractée où il libère le plateau 20 et une position avancée où il le bloque dans le corps 15.

Le bloc de serrage 12 constitue lui aussi un module remplaçable en bloc. Il comporte un plateau support 25 solidarisable du plateau sensitif 20 par des moyens démontables, tels qu'un jeu de trois vis 26. Une chape 27 est fixée sur le plateau 26 de façon rigide, par exemple par une vis 29 et une goupille 28. Dans la chape est emmanché un axe 30 de guidage des pinces 14. Des bagues à billes 31 insérées dans les pinces réduisent les frottements sur l'axe 30 lors du coulissement. Les pinces sont de plus guidées dans un couloir prévu sur le plateau support 25 (figure 3) par des roulements à billes 32.

Des connecteurs 33 peuvent être prévus pour permettre le démontage facile des pinces en cas de besoin.

Le serrage et le desserrage des pinces 14 sont réalisés, à partir d'un vérin 34 fixé dans le bloc sensitif 11, par des moyens incorporés au bloc 12. Ces moyens coopérant avec le vérin 34 comprennent une chape double 35 fixée sur la tige 36 du vérin 34, en saillie hors du bloc 11.

Cette chape est percée de trous allongés 37 formant came et dans lesquels se déplacent des roulements à billes 38 portés par des axes 39 emmanchés dans les pinces 14.

Des capteurs qui peuvent être du même type que ceux utilisés pour le plateau sensitif sont avantageusement prévus pour constituer détecteurs de fin de course des pinces. On a montré sur la figure 1 un tel capteur a magnétorésistance 22a collé sur un aimant 23a solidaire d'une pince et. coopérant avec un second aimant 24a fixé sur la chape 27. Un montage symétrique peut être prévu sur l'autre pince 14. La sécurité de fonctionnement est ainsi accrue : si par exemple la pièce à mettre en place est déformée ou n'est pas placée correctement entre pinces-, ces dernières n arrivent pas en fin de course de fermeture ce qui peut se traduire par le déclenchement d'une alarme, l'arrêt de l'assemblage ou la dépose de la pièce dans un bac de rejèts.

On voit que l'amplitude du mouvement des pinces peut être modifiée sans changer la course du vérin de serrage 34 : il suffit pour cela d'utiliser un bloc de serrage dont les cames ont une inclinaison différente. Il est de plus souhaitable de pouvoir assurer, à l'aide du même poignet, l'assemblage de pièces dont les faces de prise ont un écartement variable. Pour obtenir ce résultat, le poignet montré en figure 1 est muni de mors 40 qui peuvent être remplacés sans intervention d'éléments autres que le poignet lui-même. Pour cela, chaque mors 40 est fixé sur la pince correspondante par engagement d'un tenon qu'elle porte dans une rainure, par exemple àqueue d'aronde. de la pince et il est retenu en place par un plot escamotable 41 repoussé par ressort (figure 1).

Le changement de mors, qui peut s'effectuer de façon automatique sous la commande d'un calculateur, s'effectue suivant la séquence suivante : le poignet 10 est descendu, pinces 14 ouvertes, sur un réceptable à mors qui porte deux plots fixes dont l'écartement est tel qu'il vienne s'enfoncer dans des trous 42 des mors. Ces plots repoussent les plots escamotables 41 jusqu'à ce qu'ils affleurent le plan indiqué par XX' sur la-figure 1. Le calculateur actionne alors le vérin 34 pour fermer les pinces. Les rainures à queue d'aronde ne retiennent plus les mors (d condition que la longueur de la queue d'aronde soit inférieure à la course des pinces). Le bras peut alors remonter et aller chercher un autre jeu de mors en effectuant les opérations dans le sens inverse.

On voit que le poignet ainsi réalisé présente une constitution économique, puisqu'il ne fait appel qu'à des composants couramment disponibles dans Ie commerce, tels que vérins pneumatiques, plots élastiques, roulements à billes et capteurs magnétorésistants. Le vérin de serrage 34 étant placé dans l'axe du poignet, le déplacement de la partie souple sous l'effet de la réaction due à la pression d'air dans les tuyaux d'alimentation est minimisé. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles, par exemple en ce qui concerne le nombre des pinces portées par le bloc de préhension, le mode de rappel en position ouverte (vérin 34 à double effet ou ressort), la présence de capteurs de fin de course dans le sens de l'ouverture. La sensibilité peut être aisément modifiée par changement de la raideur des plots 21.

Au lieu d'utiliser des plots qui constituent des composants passifs, on peut incorporer au poignet des éléments actifs à l'aide desquels on peut corriger les défauts de positionnement. La figure 5 montre à titre d'exemple un soufflet 50 interposé entre l'élément sensitif 20a et le corps 15a dans lequel est ménagé un conduit d'alimentation de l'espace intérieur du soufflet. Ce dernier pourrait être remplacé par tout autre actionneur classique compact, mû par un gaz, permettant d'exercer une force de poussée ajustable sur la partie mobile du poignet, en faisant varier la pression qui règne dans le soufflet. Le soufflet ou l'actionneur qui le remplace peut en effet n'avoir qu'un débattement faible, ne dépassant pas lmm environ. A l'intérieur du soufflet peut être placé un capteur de déplacements axiaux du même genre que ceux montrés en figure 1.Le poignet peut être bloqué, pour les déplacements, par mise en pression du soufflet.

Dans le mode de réalisation montré en figure 6, où les éléments correspondant à ceux déjà montrés en figures 1-5 portent-le même numéro de référence affecté de l'indice b, on retrouve un bloc sensitif îîb et un bloc de serrage 12b. Le bloc sensitif porte encore un vérin 34b qui commande l'ouverture des pinces 14b qui, cette fois, sont montées par l'intermédiaire de biellettes constituant un parallélogramme déformable.

Le plateau sensitif 20b est encore muni de capteurs de déplacement en nombre et en disposition, identiques à ceux de la figure 1. Mais il n'est plus relié au corps 15b par des plots élastiques, mais par trois barres souples 53 reliant le plateau 20b au corps 15b. Trois soufflets verticaux dont l'un, 51, apparaît sur la figure 6, et trois soufflets horizontaux 52 orientés radialement permettent d'exercer sur l'organe sensitif des forces permettant de le ramener dans une position pour laquelle l'insertion s'effectue correctement.

L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Poignet souple sensitif destiné à être fixé à l'extrémité d'un organe de manipulation, comprenant un bloc de serrage (12, 12b) comportant des pinces (14, 14b) munies de moyens leur permettant de se déplacer parallèlement à elles-mêmes entre une position de serrage de pièce et une position écartée et compren ant également un bloc sensitif (11, 11b) destiné à être fixé, dune part, a l'organe de manipulation, d'autre part, au bloc de serrage et présentant un élément (20, 21 ; 20b, 51, 52) déformable elastiquement sous l'action des efforts exercés sur les pinces, ainsi que des moyens de mesure de déformation (22-24), caractérisé en ce que les deux blocs constituent chacun un module rempla çable en bloc par un autre, capable de coopérer de la même façon que le premier avec l'organe de manipulation et avec le bloc restant.
2. 2. Poignet selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément déformable comprend un plateau sensitif (20, 20a, 20b) relié à un corps par l'intermédiaire de plots élastiques (21) ou d'actionneurs à faible amplitude (51, 52).
3. 3. Poignet selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de détection de déformation sont constitués par des capteurs magnétorésistifs.
4. 4. Poignet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de serrage des pinces comprennent des moyens mécaniques de transmission entre les pinces et un vérin (34,34b) porté par un corps appartenant au bloc sensitif et placé dans l'axe du bras.
5. 5. Poignet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens actionnables à volonté, tels que des vérins auxiliaires (45), permettant de bloquer l'élément sensitif lors des déplacements.
6. 6. Poignet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pinces (14) sont munies de mors retenus par des moyens de verrouillage, tels que rainures et pions élastiques, permettant le montage et le démontage des mors par coopération avec un râtelier et mise en action du poignet.
7. 7. Poignet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pinces sont munies de moyens de coulissement dans une rainure transversale d'un plateau support du bloc de serrage.
8. 8. Poignet selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pinces sont reliées à un plateau support du bloc de serrage par des biellettes formant parallélogramme déformable.