FR2529333A1 - Robot wrist-band for detection of six stress components - has two plates linked by lattice of six rods having stress pick=ups - Google Patents
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Abstract
Description
Poignet à détection de six composantes d'effort
La présente invention a pour objet un poignet à détection de six composantes d'effort, Elle trouve une application particulièrement importante en robotique, le poignet étant monté à l'extrémité d'un bras et étant muni d'une pince. A partir de signaux représentatifs des six composantes d'effort, on peut reconstituer l'ensemble des forces et des couples exercés par le poignet et les utiliser, dans un calculateur, pour élaborer en boucle fermée des ordres de commande des déplacements et des orientations du poignet.Wrist with six force components detection
The present invention relates to a wrist with six force components detection, It finds a particularly important application in robotics, the wrist being mounted at the end of an arm and being provided with a clamp. Using signals representative of the six force components, all of the forces and torques exerted by the wrist can be reconstructed and used in a computer to develop closed-loop control commands for the movements and orientations of the wrist. wrist.
On sait que les robots industriels, utilisés notamment pour effectuer des opérations d'assemblage, comportent des poignets élastiquement déformables, de façon à donner aux poignets une propriété qu'on désigne souvent par le terme anglo-saxon de "compliance". Mais cette compliance est en elle-même insuffisante pour compenser les défauts de positionnement ou d'alignement, notamment au cours des opérations d'assemblage précises où les tolérances de positionnement acceptables sont inférieures a la précision que permet d'atteindre la commande en boucle ouverte. Il faut alors disposer soit de détecteurs de contact ou de proximité fournissant une information analogue au toucher, soit de capteurs fournissant une information sur les forces et/ou les couples transmis par le poignet.Pour trouver une description de divers poignets de ce type, on pourra par exemple se reporter à l'article "Sensors for computer controlled mechanical assembly" par S.M. WANG et al, The
Industrial Robot, mars 1978, pp. 9-18. It is known that industrial robots, used in particular to perform assembly operations, have elastically deformable wrists, so as to give the wrists a property that is often referred to by the Anglo-Saxon term "compliance". But this compliance is in itself insufficient to compensate for misalignment or misalignment, especially during precise assembly operations where acceptable positioning tolerances are less than the accuracy achieved by open loop control. . It is then necessary to have either contact or proximity sensors providing information similar to the touch, or sensors providing information on the forces and / or couples transmitted by the wrist. To find a description of various wrists of this type, may for example refer to the article "Sensors for computer controlled mechanical assembly" by SM WANG et al, The
Industrial Robot, March 1978, pp. 9-18.
Malheureusement, si les capteurs d'effort fournissant des signaux représentatifs de trois composantes sont maintenant bien au point et sont d'ailleurs largement utilisés, notamment pour corriger les vibrations au cours du travail d'une pièce en cours d'usinage par un outil de coupe, les capteurs a six composantes, qui seuls permettent de déterminer l'ensemble des forces et des couples qui agissent sur un poignet de robot, n'ont guère dépassé le domaine du laboratoire et, surtout, posent de nombreux problèmes. Unfortunately, if the force sensors providing signals representative of three components are now well developed and are widely used, in particular to correct the vibrations during the work of a workpiece being machined by a tool of The six-component sensors, which alone make it possible to determine all the forces and torques that act on a robot wrist, have not gone much beyond the field of the laboratory and, above all, pose numerous problems.
En particulier, la plupart ne permettent pas d'arriver à la précision requise, du fait de phénomènes de frottement et/ou d'hystérésis.In particular, most do not achieve the required accuracy, due to friction phenomena and / or hysteresis.
La présente invention vise à fournir un poignet à mesure de six composantes d'effort répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est pratiquement exempt d'hystérésis, présente une grande sensibilité mécanique du fait de l'absence de frottements solides, et peut être réalisé sans jeu mécanique. The present invention aims to provide a wrist with six components of effort better than those previously known to the requirements of practice, particularly in that it is practically free of hysteresis, has a high mechanical sensitivity due to the fact that absence of solid friction, and can be achieved without mechanical play.
Dans ce but, l'invention propose notamment un poignet -comprenant deux plateaux alignés suivant un axe et une tringlerie de liaison mécanique entre les plateaux, muni de moyens de détection de contraintes. For this purpose, the invention notably proposes a wrist -comprenant two plateaux aligned along an axis and a mechanical linkage linkage between the trays, provided with stress detection means.
La tringlerie est constituée par six tiges identiques ayant une faible rigidité en flexion, réparties régulièrement autour de l'axe, dont les extrémités présentent chacune une liaison d'encastrement avec un des plateaux, placées obliquement pour constituer un treillis régulier fermé sur lui-même. Chaque tige est munie d'un capteur de l'effort appliqué dans le sens longitudinal de la tige.The linkage consists of six identical rods having a low flexural stiffness, regularly distributed around the axis, the ends of which each have a recess connection with one of the plates, placed obliquely to form a regular lattice closed on itself . Each rod is provided with a force sensor applied in the longitudinal direction of the rod.
A condition de donner aux tiges une rigidité en flexion très faible, ctest-à-dire d'utiliser des tiges de faible section, avantageusement circulaire de façon à avoir une rigidité en flexion qui est la même dans toutes les directions, les couples d'encastrement sont totalement négligeables et on constitue une structure isostatique. I1 suffit pour cela que l'on puisse considérer que la rigidité de chaque tige flexible dans la direction longitudinale est pratiqu-ement infinie par rapport à la rigidité suivant tous les autres degrés de liberté. Provided that the rods give a very low flexural stiffness, that is to say to use rods of small section, advantageously circular so as to have a bending stiffness that is the same in all directions, the pairs of embedding are totally negligible and an isostatic structure is formed. It suffices for this to be considered that the rigidity of each flexible rod in the longitudinal direction is practically infinite with respect to rigidity according to all the other degrees of freedom.
Du fait que l'on utilise une liaison d'encastrement entre chaque tige et les plateaux, on supprime tout jeu mécanique et les frottements solides que l'on ne pourrait totalement écarter si la liaison s'effectuait par des joints universels tels que des rotules. Since a recess connection is used between each rod and the plates, any mechanical backlash and solid friction are eliminated which can not be completely eliminated if the connection is effected by universal joints such as ball joints. .
Il faut remarquer au passage que les couples d'encastrement résiduels, dans la mesure où ils subsistent, ne sont pas des inconvénients du fait de leur valeur faible. Ils se traduisent simplement par un léger décalage du zéro des capteurs, ce qui autorise une compensation facile et permet des mesures a partir d'une valeur non nulle du signal. It should be noted in passing that the residual embedding torques, in so far as they remain, are not disadvantages because of their low value. They simply result in a slight offset of the zero of the sensors, which allows easy compensation and allows measurements from a non-zero value of the signal.
Chaque tige peut être constituée de deux tronçons reliés par un capteur de traction-compression du commerce, fournissant un signal électrique analogique. La compensation des dérives éventuelles dues aux variations de temp6- rature, des défauts de linéarité et de zéro, est aisément réalisée par une constitution appropriée des circuits d'exploitation de l'information fournie par les capteurs. Each rod may consist of two sections connected by a commercial traction-compression sensor, providing an analog electrical signal. The compensation of any drifts due to temperature variations, linearity defects and zero, is easily achieved by an appropriate constitution of the operating circuits of the information provided by the sensors.
Lorsque le poignet doit être utilisé dans un robot, l'un des plateaux sera généralement fixé au bras du robot, tandis que l'autre plateau portera la pince, éventuellement par l'intermédiaire d'une structure mécanique élastiquement déformable assurant une compliance passive. When the wrist is to be used in a robot, one of the trays will generally be attached to the arm of the robot, while the other tray will carry the clamp, possibly via an elastically deformable mechanical structure ensuring passive compliance.
En modifiant l'écartement entre les plateaux, le (ou les) diamètre(s) des cercles sur lesquels sont réparties régulièrement les extrémités des tiges et l'inclinaison de ces tiges ainsi que leurs caractéristiques mécaniques, on peut adapter aisément le poignet suivant l'invention à toute application particulière. Toutefois, dans la pratique, on sera généralement amené à disposer les tiges avec une inclinaison comprise entre 20 et entre 45 , les deux extrémités étant réparties suivant des cercles de même rayon. By modifying the spacing between the plates, the diameter (s) of the circles on which are regularly distributed the ends of the rods and the inclination of these rods and their mechanical characteristics, one can easily adapt the wrist according to the invention to any particular application. However, in practice, it will generally be necessary to arrange the rods with an inclination of between 20 and 45, the two ends being distributed in circles of the same radius.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution générale du poignet et les paramètres qui interviennent dans les relations qui lient les forces de traction-compression dans les tiges aux forces et couples appliqués à l'un des plateaux,
- la figure 2 est une vue en plan à grande écheIle d'un des plateaux, la liaison d'encastrement d'une des tiges étant représentée,
- la figure 3 est une vue de détail, également a grande échelle, montrant le mode de fixation d'une tige sur l'un des plateaux,
- la figure 4 est un synoptique de principe montrant le mode de traitement des signaux fournis par les capteurs du poignet.The invention will be better understood on reading the following description of a particular embodiment, given by way of non-limiting example. The description refers to the accompanying drawings in which
FIG. 1 is a block diagram showing the general constitution of the wrist and the parameters involved in the relationships that link the traction-compression forces in the rods to the forces and torques applied to one of the plates,
FIG. 2 is a large-scale plan view of one of the plates, the embedding connection of one of the rods being shown;
FIG. 3 is a detailed view, also on a large scale, showing the method of fixing a rod on one of the plates,
FIG. 4 is a block diagram showing the mode of processing the signals supplied by the wrist sensors.
Le poignet 10 dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte six tiges désignées par les références 11 à 16 que l'on assimilera à des brins rigides dans le sens longitudinal, mais ayant au contraire une rigidité négligeable en flexion dans toutes les directions. The wrist 10 whose constitution of principle is shown in Figure 1 comprises six rods designated by the references 11 to 16 which will be assimilated to rigid strands in the longitudinal direction, but having instead a negligible stiffness in bending in all directions .
Dans la disposition représentée en figure 1, ces six tiges sont disposées suivant un treillis polygonal régulier, chaque extrémité d'une tige coïncidant avec l'extrémité de la tige adjacente. Le treillis ainsi constitué a donc trois points communs répartis suivant un premier cercle centré sur un axe 17 et trois points communs inférieurs, répartis a intervalles réguliers sur un second cercle également centré sur l'axe, qu'on supposera de rayon-égal à celui du premier cercle. Chaque point commun d'un des jeux présente un décalage angulaire de 60 par rapport aux points communs adjacents de l'autre jeu. Les six tiges présentent une liaison d'encastrement avec un premier plateau 18 aux trois points supérieurs. Elles présentent, de la même façon, une liaison d'encastrement aux points communs avec un second plateau 19, les deux plateaux étant parallèles et centrés sur l'axe 17.In the arrangement shown in Figure 1, these six rods are arranged in a regular polygonal mesh, each end of a rod coinciding with the end of the adjacent rod. The lattice thus constituted thus has three common points distributed along a first circle centered on an axis 17 and three lower common points, distributed at regular intervals on a second circle also centered on the axis, which will be assumed to have a radius equal to that of the first circle. Each common point of one of the games has an angular offset of 60 relative to the common points adjacent to the other set. The six rods have a nesting connection with a first plate 18 at the three upper points. They have, in the same way, an embedding connection at the common points with a second plate 19, the two plates being parallel and centered on the axis 17.
Chacune des tiges 11 à 16 est munie d'un capteur, dont un seul, 20, est montré sur la figure 1. Ce capteur est d'un type permettant de mesurer les forces de traction ou de compression qui s'exercent dans la direction de la tige. Dans la mesure où les couples de flexion au niveau des encastrements restent négligeables et à condition que la longueur des tiges soit suffisamment faible pour qu'elles ne puissent pas présenter de phénomène de flambage, on peut écrire la relation suivante entre les forces F11 a F16 mesurées par les capteurs 20 d'une part, les forces Fx, Fy et Fz suivant les axes de référence montrés en figure 1 et les moments Mx, M y et Mz autour de ces mêmes axes, d'autre part, sous la forme
Each of the rods 11 to 16 is provided with a sensor, only one of which, 20, is shown in FIG. 1. This sensor is of a type making it possible to measure the tensile or compressive forces exerted in the direction of the stem. Insofar as the bending torques at the level of the recesses remain negligible and provided that the length of the rods is sufficiently small so that they can not present a buckling phenomenon, the following relationship can be written between the forces F11 to F16. measured by the sensors 20 on the one hand, the forces Fx, Fy and Fz along the reference axes shown in FIG. 1 and the moments Mx, M y and Mz around these same axes, on the other hand, in the form of
<tb> Fx <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> F11
<tb> <SEP> 2p <SEP> p <SEP> 2P <SEP> 2p <SEP> P <SEP> 2P <SEP>
<tb> F <SEP> y <SEP> <SEP> R/3 <SEP> <SEP> 0 <SEP> - <SEP> R/3 <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> 0 <SEP> - <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> F12
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> Fz <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> h/p <SEP> F13
<tb> Mx <SEP> O <SEP> -Rh#3 <SEP> <SEP> -Rh##3 <SEP> <SEP> 23 <SEP> Rh/3 <SEP> O <SEP> F14
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> M <SEP> y <SEP> Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> Rh <SEP> F15
<tb> <SEP> p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> p
<tb> Mz <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> -R#3 <SEP> <SEP> F16
<tb> <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb>
Dans la première matrice de la partie de droite de cette équation, p désigne la longueur de chaque tige, h est la distance entre les jeux de points communs le long de l'axe z et R est le rayon du cercle suivant lequel sont répartis les points communs de fixation des tiges aux plateaux.<tb> Fx <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> R <SEP> F11
<tb><SEP> 2p <SEP> p <SEP> 2P <SEP> 2p <SEP> P <SEP> 2P <SEP>
<tb> F <SEP> y <SEP><SEP> R / 3 <SEP><SEP> 0 <SEP> - <SEP> R / 3 <SEP><SEP> R # 3 <SEP><SEP> 0 <SEP> - <SEP><SEP> R # 3 <SEP><SEP> F12
<tb><SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> Fz <SEP> h / p <SEP> h / p <SEP> h / p <SEP> h / p <SEP> h / p <SEP> h / p <SEP> F13
<tb> Mx <SEP> O <SEP> -Rh # 3 <SEP><SEP> -Rh ## 3 <SEP><SEP> 23 <SEP> Rh / 3 <SEP> O <SEP> F14
<tb><SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<tb> M <SEP> y <SEP> Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> -Rh <SEP> Rh <SEP> F15
<tb><SEP> p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> p
<tb> Mz <SEP><SEP> R # 3 <SEP><SEP> R # 3 <SEP><SEP> -R # 3 <SEP><SEP> -R # 3 <SEP><SEP> -R # 3 <SEP><SEP> -R # 3 <SEP><SEP> F16
<tb><SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p <SEP> 2p
<Tb>
In the first matrix of the right-hand side of this equation, p denotes the length of each rod, h is the distance between the sets of common points along the z-axis and R is the radius of the circle in which the common points of attachment of the stems to the trays.
On voit que la relation entre les forces qui s'exercent dans les brins et les forces et couples appliqués au poignet ne dépend que de la géométrie du système, ce qui évite l'étalonnage long et fastidieux requis dans d'autres cas. It can be seen that the relationship between the forces acting in the strands and the forces and torques applied to the wrist depends only on the geometry of the system, which avoids the long and tedious calibration required in other cases.
Au surplus, la matrice révèle la grande isotropie du système, due à sa symétrie, et son égale sensibilité quelle que soit la direction du couple ou de l'effort appliqué.In addition, the matrix reveals the great isotropy of the system, due to its symmetry, and its equal sensitivity regardless of the direction of the torque or effort applied.
L'idée qui vient immédiatement à l'esprit lorsqu'on veut réaliser un poignet de ce type consiste à réaliser des liaisons entre les plateaux 18, 19 et les tiges 11-16 à l'aide de rotules limitant les contraintes susceptibles de s'exercer sur les tiges à de simples tractions et compressions. Mais il est impossible de s'affranchir totalement de frottements solides au niveau de ces rotules et ces frottements donnent lieu à des phénomènes non linéaires. Il est apparu de façon surprenante que l'on pouvait, grace à l'utilisation de tiges ayant une très faible rigidité en flexion, rendre totalement négligeables les couples au niveau des encastrements, tout en supprimant les non linéarités dues aux frottements puisque les extrémités des tiges sont solidarisées totalement des plateaux. The idea that comes immediately to mind when you want to achieve a wrist of this type is to make connections between the plates 18, 19 and the rods 11-16 using ball joints limiting constraints likely to s' exercise on the stems with simple pulls and compressions. But it is impossible to completely get rid of solid friction at the level of these patellae and this friction gives rise to nonlinear phenomena. Surprisingly, it has been possible, thanks to the use of rods having a very low flexural stiffness, to make negligible the torques at the level of the recesses, while eliminating the non-linearities due to the friction since the ends of the rods are fully secured trays.
Dans la pratique, la liaison entre les plateaux et les tiges peut être réalisée comme indiqué schématiquement sur I-es figures 2 et 3. Chaque tige, la tige 11, par exemple, est en deux tronçons reliant chacun un des plateaux au capteur 20. Une des extrémités de chaque tronçon est enfilée dans une chape 21 bloquée contre un plat ménagé à la périphérie du plateau, par exemple à l'aide d'un goujon 22 et d'un écrou 23 (figure 2). L'autre extrémité du tronçon est enfilée dans un pion 24 muni d'un prolongement fileté de fixation au capteur 20. Des trous taraudés 25 percés dans la chape 21 et le pion 24 permettent de bloquer les extrémités du tronçon à l'aide de vis. In practice, the connection between the plates and the rods can be carried out as indicated schematically in FIGS. 2 and 3. Each rod, the rod 11, for example, is in two sections each connecting one of the plates to the sensor 20. One end of each section is threaded into a yoke 21 locked against a plate formed at the periphery of the plate, for example by means of a stud 22 and a nut 23 (Figure 2). The other end of the section is threaded into a pin 24 provided with a threaded attachment extension to the sensor 20. Tapped holes 25 formed in the yoke 21 and the pin 24 block the ends of the section with screws .
Lorsque le poignet est utilisé sur un robot, l'un des plateaux sera généralement fixé de façon rigide à un bras de commande tandis que l'autre sera relié à un organe de préhension, tel qu'une pince. La liaison avec l'organe de préhension s'effectue avantageusement par l'intermédiaire d'une structure élastique à faible débattement suivant six degrés de liberté, permettant d'assurer une compliance passive. Sur la figure 1, on a schématiquement montré une telle,structure élastique fixée au plateau 18. Cette structure comporte-trois tiges 26 parallèles à l'axe 17, régulièrement réparties autour de cet axe, encastrées a une extrémité dans le plateau 18 et, à l'autre, dans un disque 27 placé entre les plateaux. When the wrist is used on a robot, one of the trays will generally be rigidly attached to a control arm while the other will be connected to a gripping member, such as a clamp. The connection with the gripping member is advantageously effected by means of an elastic structure with low clearance in six degrees of freedom, to ensure passive compliance. FIG. 1 schematically shows such an elastic structure fixed to the plate 18. This structure comprises three rods 26 parallel to the axis 17, regularly distributed around this axis, embedded at one end in the plate 18 and, to the other, in a disc 27 placed between the trays.
Elle comporte de plus un jeu de trois tiges 29 réparties régulièrement autour de l'axe 17, convergent vers cet axe, encastré à une extrémité dans le disque 27 et, a l'autre, dans un disque 28 auquel est fixé l'axe porte-pince. Les tiges sont de très faible section, de façon a constituer une structure a six degrés de liberté.It further comprises a set of three rods 29 regularly distributed around the axis 17 converging towards this axis, embedded at one end in the disc 27 and at the other in a disc 28 to which the door axle is fixed. -pince. The stems are of very small section, so as to constitute a structure with six degrees of freedom.
La mise en oeuvre du poignet qui vient d'être décrit dans un robot commandé par calculateur peut s'effectuer sous la forme indiquée sur l'organigramme de la figure 4. The implementation of the wrist that has just been described in a robot controlled by computer can be performed in the form indicated on the flowchart of Figure 4.
Les signaux de mesure fournis par les capteurs dynamométriques 20, représentant les forces F11,... F16 qui s'exercent dans le sens longitudinal aux tiges 11 à 16, sont appliqués à un circuit de conditionnement (cadres 30 et 31). Le conditionnement des signaux peut notamment avoir pour but de compenser les dérives en températures et les erreurs de zéro. Les signaux analogiques ainsi élaborés sont soumis a une conversion analogique/numérique (cadre 32).The measurement signals supplied by the dynamometric sensors 20, representing the forces F11,... F16 which are exerted in the longitudinal direction to the rods 11 to 16, are applied to a conditioning circuit (frames 30 and 31). The conditioning of the signals may in particular be intended to compensate for drifts in temperature and zero errors. The analog signals thus produced are subjected to an analog / digital conversion (frame 32).
Les signaux numérisés sont envoyés a un calculateur qui détermine, à partir des signaux analogiques et-de données mémorisées, les forces Fx, Fy et Fz et les couples Mx, M y et M z (cadre 33). Le reste des opérations est de nature classique en robotique et n'est en rien concerné par l'invention. A partir de 1a stratégie de contournement d'obstacle mémorisée, représentée par le cadre 34, le calculateur commande les moteurs de déplacement du bras en translation et en rotation. D'oû une réaction sur les mesures effectuées en 30.The digitized signals are sent to a computer which determines, from the stored analog and data signals, the forces Fx, Fy and Fz and the pairs Mx, M y and M z (frame 33). The rest of the operations is of a conventional nature in robotics and is in no way concerned by the invention. From the memorized obstacle bypass strategy represented by the frame 34, the computer controls the motors for moving the arm in translation and in rotation. Hence a reaction on the measurements made in 30.
L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. The invention is obviously not limited to the particular embodiment which has been shown and described by way of example and it should be understood that the scope of this patent extends to variants remaining within the scope of equivalences.
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