FR2549916A1 - An active joint has compliance - Google Patents

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FR2549916A1
FR2549916A1 FR8312263A FR8312263A FR2549916A1 FR 2549916 A1 FR2549916 A1 FR 2549916A1 FR 8312263 A FR8312263 A FR 8312263A FR 8312263 A FR8312263 A FR 8312263A FR 2549916 A1 FR2549916 A1 FR 2549916A1
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Alain Gaillet
Claude Reboulet
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Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales
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    • G05B2219/50162Stewart platform, hexapod construction

Abstract

<P>LE DISPOSITIF D'ARTICULATION COMPREND DEUX PLATEAUX 10, 12 RELIES PAR UNE STRUCTURE EN TREILLIS FERME COMPRENANT SIX BIELLETTES 13 DONT CHACUNE EST RELIEE AUX DEUX PLATEAUX PAR DES JOINTS UNIVERSELS. <P> THE JOINT DEVICE INCLUDES TWO PLATFORMS 10, 12 CONNECTED BY LATTICE STRUCTURE INCLUDING SIX FARM 13 RODS WHICH EACH IS CONNECTED TO TWO DECKS BY UNIVERSAL JOINTS. UN VERIN 13 COMMANDE INDEPENDAMMENT EST INTERPOSE SUR CHAQUE BIELLETTE 14, EN PARALLELE AVEC UN DETECTEUR 17 D'ELONGATION DU VERIN, POUR PERMETTRE UN REGLAGE FIN SUIVANT LES SIX DEGRES DE LIBERTE. A CYLINDER 13 ORDER SEPARATELY ON EACH LINK is interposed 14 IN PARALLEL WITH A DETECTOR 17 ELONGATION OF THE CYLINDER TO ALLOW SETTING END NEXT SIX DEGREES OF FREEDOM. LE DISPOSITIF EST UTILISABLE DANS UN BRAS DE ROBOT AYANT DEJA DES MOYENS DE DEPLACEMENT APPROCHE A CINQ OU SIX DEGRES DE LIBERTE, DE FACON A FORMER UN POIGNET DE REGLAGE FIN.</P> THE DEVICE IS USED IN A ROBOT ARM WITH ALREADY MEANS OF MOVEMENT APPROACH FIVE OR SIX DEGREES OF FREEDOM, SO AS TO FORM A WRIST OF FINE TUNING. </ P>

Description

Dispositif d'articulation actif à compliance L'invention concerne les An active joint compliance The invention relates to

dispositifs d'articulation du type comprenant deux plateaux reliés par une structure en treillis fermé comprenant six biellettes dont chacune est relive aux deux plateaux par des joints universels Elle trouve une application particulièrement importante dans les bras de robot ayant déjà des moyens de déplacement approché à cinq ou six degrés de liberté, de façon à former un poignet de réglage fin Toutefois elle est également applicable aux bâtis ou plate-formes réglables et orientables pour permettre de réaliser des opérations d'assemblage n'exigeant type hinge device comprising two plates connected by a closed mesh structure comprising six connecting rods each of which is relive the two plates by universal joints It has a particularly important application in the robot arm having already moving means approached five or six degrees of freedom, so as to form a fine adjustment wrist However it is also applicable to the adjustable stands or platforms and adjustable to allow to perform assembly operations requiring

pas un robot complet. not a complete robot.

Les tâches complexes confiées maintenant aux robots, notamment les tâches d'insertion et d'assemblage, exigent 15 que le dispositif d'articulation interposé entre l'organe terminal, généralement une pince, et le socle de manipulateur, présente une élasticité telle qu'une faible erreur de positionnement ne se traduise pas par des contraintes d'effort excessives, risquant de détériorer le matériel, que le positionnement final de l'organe terminal puisse être fait Complex tasks now robots, including insertion and assembly tasks, require that 15 the hinge device interposed between the terminal member, generally a clamp, and the manipulator base, has an elasticity such that low positioning error does not result in excessive constraints effort may contaminate the material, the final positioning of the end effector can be done

avec une grande précision et que les efforts soient contrôlés. with high accuracy and that efforts be controlled.

On connaît déjà des dispositifs du type ci-dessus défini ("A compliant device for inserting a peg in a hole", par H McCallion et autres, The Industrial Robot, juin 1979) 25 à compliance passive, dans lesquels chaque biellette est télescopique, les deux pièces qui la constituent étant reliées par un coupleur élastique et connectées aux plateaux par des rotules Si on obtient ainsi une élasticité permettant de There are already known devices of the type defined above ( "A compliant device for inserting a peg in a hole" H McCallion and others, The Industrial Robot, June 1979) 25 to passive compliance, in which each rod is telescopic, the two parts which constitute it being connected by an elastic coupler and connected to the plates by ball joints If an elasticity is thus obtained for

tolérer des erreurs d'alignement, le caractère passif de la 30 structure ne permet ni d'atteindre la précision de positionnement requise pour de nombreuses applications, ni de contr 6ler les efforts. tolerate misalignment, the passive nature of the 30 structure does not allow to achieve the positioning accuracy required for many applications, or control 6ler efforts.

On connaît également de nombreux dispositifs articulés Also known many articulated devices

actifs destinés à constituer des poignets de robots Mais 35 aucun ne permet à lui seul d'assurer toutes les fonctions requises au degré désiré. Assets to be the wrists of 35 robots But none allows itself to provide all the functions required to the desired degree.

En particulier, l'obtention d'une grande précision de positionnement n'a généralement été atteinte qu'au détriment de la charge utile transportable et elle implique une grande précision des actionneurs et des détecteurs, qui grève le prix du manipulateur en lui conférant, dans l'ensemble du domaine desservi, une précision élevée qui n'est nécessaire que dans la phase finale de mise en oeuvre. In particular, obtaining a high positioning accuracy has generally been achieved only at the expense of the transportable payload and involves high precision actuators and sensors, which adds to the price of the manipulator giving it, throughout the area served, a high precision is required only in the final stage of implementation. De plus, parmi les dispositifs articulés connus, la plupart, par exemple celui décrit dans le brevet FR 2 462 Furthermore, among the known articulated devices, most, for example that described in patent FR 2 462

607, n'ont pas un nombre suffisant de degrés de liberté. 607, do not have a sufficient number of degrees of freedom.

Ils ne peuvent être utilisés sur des robots que si le bras 10 de ce robot possède déjà plusieurs degrés de liberté permettant de fixer la position de la pince terminale et d'effectuer un assemblage: le dispositif peut alors ne They can not be used on crawler 10 that if the arm of this robot already has several degrees of freedom for fixing the position of the terminal clamp and to perform an assembly: then the device can not

présenter que les degrés de liberté nécessaires à l'orientation de la pince. show that the degrees of freedom necessary for the orientation of the clamp.

Par ailleurs, on utilise généralement, dans les dispositifs actuels à compliance active, des vérins hydrauliques ou électriques Or, il est difficile de contrôler les efforts et d'appliquer un effort constant avec de tels vérins Sur un vérin hydraulique, on commande en effet Moreover, it is generally used in current devices to active compliance, hydraulic or electric actuators However, it is difficult to control efforts and apply a constant force with such cylinders on a hydraulic cylinder, is controlled in fact

essentiellement la vitesse en utilisant une servo-valve. essentially speed using a servovalve.

Les vérins électriques utilisent généralement une transmission par vis sans fin, donc non réversible et ne permettant pas un contrôle d'effort ("Assembly automation", février The electric actuators typically use a transmission screw, so non-reversible and not allowing a draft control ( "Assembly Automation", February

1983, p 21). 1983, p 21).

Par ailleurs, le contrôle d'effort est très délicat àobtenir lorsque le dispositif ne présente pas tous les degrés de liberté requis pour une opération d'insertion et d'assemblage et que, par exemple, les déplacements en translation sont transmis depuis le bras, notamment du fait 30 de l'inertie des pièces et de l'importance des rapports Moreover, the draft control is very delicate ofobtaining when the device does not have all the degrees of freedom required for insertion and assembly operation and, for example, translational movements are transmitted from the arm especially because 30 of the inertia of the parts and the importance of reporting

de réduction de déplacement nécessaires. necessary travel reduction.

La Drésente invention vise à fournir undispositif d'artiticulationrépondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet de commander des déplacements suivant six degrés de liberté au niveau même du dispositif, donc en réduisant au minimum l'inertie des éléments déplacés,et facilite la détection, et donc le contrôle, des efforts par mesure The invention aims to provide Drésente undispositif of artiticulationrépondant better than those previously known practical requirements, especially in that it can control the movements along six degrees of freedom at the same level of the device, thus minimizing the inertia of the moved parts, and facilitates the detection, and therefore control, efforts by measuring

directe des déplacements. direct travel.

Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du type cidessus défini, caractérisé en ce qu'un vérin commandé indépendamment est interposé sur chaque biel Iette, en parallèle avec un détecteur d'élongation du vérin, pour permettre un réglage fin suivant les six degrés de liberté. For this purpose, the invention proposes in particular a device of the type defined above, characterized in that an independently controllable actuator is interposed on each biel thrown into the, in parallel with an elongation of the actuator detector, to allow a subsequent fine tuning the six degrees of freedom. Les vérins sont avantageusement des vérins pneumatiques, qui ont l'avantage d'être réversibles, d'apporter une souplesse naturelle due a la compressibilité du gaz, de permettre 10 de commander directement l'effort exercé Ce dernier résultat peut être atteint en les alimentant à l'aide d'une vanne commandée en tout ou rien par des impulsions de courant de rapport cyclique variable La souplesse naturelle des vérins pneumatiques assure une compliance passive en cas de contact 15 accidentel, cette compliance pouvant d'ailleurs être ajustée The cylinders are advantageously pneumatic cylinders, which have the advantage of being reversible to provide natural flexibility due to the compressibility of the gas, allowing 10 to directly control the force exerted This can be achieved by feeding the using a valve controlled in all or nothing by current pulses of variable cyclic ratio the natural flexibility of the pneumatic cylinders ensures passive compliance on contact 15 accidental, this compliance may also be adjusted

par modification de la raideur des asservissements. by changing the stiffness of the servo.

Les vérins sont avantageusement des vérins à vis à commande électrique, lorsqu'il s'agit de réaliser un dispositif capable de procéder à des positionnements ou assemblages de 20 pièces de petites dimensions avec une très grande précision, The actuators are preferably actuators electrically operated screw, if it is to produce a device able to carry out positioning or assemblies 20 pieces of small dimensions with a very high precision,

par exemple quelques microns, ce qui est le cas dans le domaine de la micro-mécanique. for example a few microns, which is the case in the field of micromechanics.

Les biellettbs sont avantageusement disposées de façon à constituer deux à deux, trois triangles équilatéraux-réguliè25 rement répartis autour de l'axe du dispositif, ce qui simplifie la matrice de correspondance entre efforts exercés par les vérins et faibles déplacements et rotations dans un trièdre de référence Les détecteurs associés à chaque vérin seront avantageusement constitués par des potentiomètres ou codeurs 30 fournissant un signal électrique directement utilisable par le calculateur de commande dont est généralement équipé un robot. The biellettbs are advantageously arranged so as to form two by two, three equilateral triangles-réguliè25 surely distributed around the axis of the device, which simplifies the correspondence matrix between the forces exerted by the cylinders and lower displacements and rotations in a trihedron reference sensors associated with each cylinder are advantageously constituted by potentiometers or encoders 30 providing an electric signal usable by the control computer which is generally equipped with a crawler.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution de The invention will be better understood from reading the following description of a particular embodiment of

l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: the invention given by way of example The description refers to the accompanying drawings, wherein:

la Figure 1 est un schéma de principe en perspective montrant les plateaux d'un dispositif suivant l'invention et la disposition relative de trois des six vérins qui l'équipent,: la Figure 2 est une vue de dessous du dispositif, deux vérins seulement étant représentés la Figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Figure 2; Figure 1 is a block diagram view showing the plates of a device according to the invention and the provision of three of the six cylinders which equip ,: Figure 2 is a bottom view of the device, only two cylinders being represented Figure 3 is a sectional view along line III-III of Figure 2; la Figure 4 est une vue de détail à grande échelle montrant la jonction d'un couple de vérins avec l'un des plateaux du dispositif; Figure 4 is an enlarged detail view showing the junction of a pair of jacks with one of the plates of the device; la Figure 5 est une vue de détail montrant le montage d'un détecteur sur un des vérins; Figure 5 is a detail view showing the mounting of a sensor on one of the cylinders; la Figure 6 est un schéma de principe montrant la 6 is a block diagram showing the

constitution de la chaîne de commande et de la boucle d'asservissement du dispositif. constitution of the command string and the control loop of the device.

Le dispositif d'articulation qui sera maintenant décrit est notamment utilisable pour adapter un manipulateur à des opérations d'assemblage Il permet de munir le bras du manipulateur d'un outil terminal tel qu'une pince Ce dispositif permet d'assurer les fonctions de positionnement fin et de 20 contrôle des efforts exercés par l'intermédiaire de l'outil The hinge device which will now be described is particularly useful for adapting a manipulator assembly operations It allows to provide the manipulator arm of a tool such as a clamp terminal This device ensures the positioning functions end and 20 control the forces exerted by means of the tool

en laissant au manipulateur lui-même les fonctions de déplacement au cours de l'approche La manipulation d'assemblage pourra en conséquence être réalisée en deux étapes, d'abord un positionnement relatif grossier des deux pièces à assem25 bler, puis un déplacement précis et de faible amplitude réalisé à l'aide du dispositif d'articulation actif. leaving the manipulator itself travel functions during the approach The assembly operation may therefore be performed in two steps, first a coarse relative positioning of the two parts to assem25 bler and precise movement and low amplitude achieved with the active articulation device.

Le dispositif (Figures 1 à 3) comporte dans ce but un plateau haut 10, qu'on supposera destiné à être fixé au bras du manipulateur, un plateau bas 12, qu'on supposera destiné à recevoir l'outil, et une structure en treillis fermé 14 reliant les plateaux De façon à donner au dispositif les six degrés de liberté nécessaires à la tâche d'assemblage fin, le treillis comprend six biellettes de longueur ajustable On voit que le treillis présente une symétrie de révolution d'ordre 3 autour de l'axe du dispositif Lorsque toutes les biellettes ont leur longueur nominale, elles constituent deux à deux avantageusement trois triangles équilatéraux, de façon à simplifier la matrice de correspondance entre longueur des biellettes et déplacements en translation et 'en rotation, The device (Figures 1 to 3) comprises for this purpose a top plate 10, which will be assumed to be fixed to the arm of the manipulator, a bottom plate 12, which will be assumed for receiving the tool, and a structure mesh closed 14 connecting the trays so as to provide the freedom of six degrees device necessary at the end assembly task, the mesh comprises six rods of adjustable length is seen that the mesh has a rotational symmetry of order 3 around the axis of the device When all links have their nominal length, they constitute in pairs advantageously three equilateral triangles, so as to simplify the correspondence matrix between length of the rods and translational movements and 'in rotation,

comme on le verra plus loin. as discussed further.

Pour permettre une variation de longueur des biellettes, chacune d'elles est constituée par un vérin 13 relié au pla5 teau haut 10 et au plateau bas 12 Le corps de chaque vérin est relié au plateau 12 par un joint universel constitué par un cardan 15 La tige du vérin est; To allow a variation in length of the rods, each of which is constituted by a cylinder 13 connected to pla5 cake top 10 and bottom plate 12 The body of each jack is connected to plate 12 by a universal joint consisting of a gimbal 15 rod of the actuator is; de son coté, reliée au plateau bas par un second cardan 16 et un roulement à billes for its part, connected to the bottom plate by a second universal joint 16 and a ball bearing

(Figure 4) La fixation sur les plateaux s'effectue par des 10 moyens classiques quelconques, tels que vis et écrous. (Figure 4) The fixation on the plates is carried out by any conventional means 10 such as bolts and nuts.

Chaque vérin 13 est muni d'un détecteur de déplacement 17 constitué par un potentiomètre linéaire Le boîtier de ce potentiomètre est fixé au corps du vérin 13 par une bague 18 et un écrou 20 (Figure 5) Le curseur du potentiomètre Each cylinder 13 is provided with a displacement detector 17 constituted by a linear potentiometer The housing of the potentiometer is secured to the cylinder body 13 by a ring 18 and a nut 20 (Figure 5) The potentiometer wiper

est solidaire de la tige du vérin 13 par une plaque vissée 19. is integral with the cylinder rod 13 by a threaded plate 19.

Par mise en oeuvre des six vérins 13, on obtient six degrés de liberté en translation et en rotation, l'amplitude de déplacement n'étant limitée que par l'élongation des vérins Ces derniers étant placés très près de l'outil, l'iner20 tie des éléments en mouvement lors du réglage fin est réduite au minimum Enfin, grâce à l'emploi de vérins pneumatiques, on peut commander l'outil soit en déplacement fin, soit en force et couple, L'effort de chaque tige de vérin peut en effet être commandé en hachant l'alimentation électrique By implementation of six jacks 13, one obtains six degrees of freedom in translation and in rotation, the magnitude of displacement being limited only by the elongation of the jacks latter being positioned very close to the tool, the iner20 tie moving elements during the fine-tuning is minimized Finally, thanks to the use of pneumatic cylinders, can be controlled the tool is in fine movement, or the force and torque, the force of each actuator rod can indeed be controlled by chopping the electrical supply

d'électrovannes 26 reliées aux compartiments de chaque vérin. solenoid 26 connected to the compartments of each cylinder.

L'expérience montre en effet que, du moins au voisinage de l'équilibre, la variation de pression dans une chambre du vérin est sensiblement proportionnelle à la durée de l'impulsion électrique de commande de l'électrovanne correspondante. Experience shows that, at least at near equilibrium, the change in pressure in a cylinder chamber is substantially proportional to the duration of the electrical pulse of the corresponding solenoid valve. 30 Enfin, par ajustage de la raideur des asservissements, on 30 Finally, by adjusting the stiffness of the servo, it

peut modifier la fonction de compliance. can modify the compliance function.

Le dispositif qui vient d'être décrit est associé à une source de gaz sous pression régulée par un système de commande qui sera généralement à calculateur numérique. The device just described is associated with a pressurized gas source regulated by a control system which will generally digital computer. 35 L'organigramme du système est celui représenté en Figure 6 sur laquelle on a figuré les signaux d'entrée x et ô représentant les position et orientation à atteindre dans un trièdre de référence lié au bras Ces signaux attaquent un calculateur programmé pour correspondre au modèle géométrique inverse 23 du dispositif Les signaux de sortie de 23, représentant les élongations à donner aux vérins 13, attaquent, par 35 The flowchart of the system is that shown in Figure 6 on which has featured the input signals x and O representing the position and orientation to be achieved in an arm-related reference trihedron These signals attack a computer programmed to match the pattern inverse kinematics device 23 of the 23 output signals representing the elongations up to the jacks 13, attack by

l'intermédiaire d'un soustracteur 24 qui reçoit les signaux 5 de contreréaction des détecteurs 17, les électrovannes 25. via a subtractor 24 which receives the 5 negative feedback signals from the detectors 17, the solenoid 25.

Les signaux fournis par les détecteurs de mesure de déplacement des vérins sont retournés au soustracteur 24 Un convertisseur A/N est évidemment prévu si les détecteurs sont de The signals provided by the cylinders of the displacement measuring sensors are returned to the subtractor 24 An A / D converter is obviously expected if the detectors are

type analogique. analog type.

Pour l'utilisation dans le domaine de la micro-mécanique, le dispositif conforme à l'invention comporte avantageusement un vérin 13 à vis à commande électrique En outre, le corps et la tige du vérin sont respectivement reliés aux plateaux et 12, par une tige de faible diamètre, présentent une 15 très grande rigidité longitudinale et une possibilité de flexion autour de son axe (Figure 7) Par rapport aux cardans et roulements, les tiges ci-dessus limitent la possibilité du mouvement relatif des plateaux, ce qui n'est pas gênant pour For use in the field of micro-mechanics, the device according to the invention advantageously comprises a jack 13 electrically operated screw Furthermore, the body and the piston rod are respectively connected to the plates 12 and by a small diameter rod, have a 15 high longitudinal stiffness and a possibility of bending around its axis (Figure 7) compared to the gimbals and bearings, the above rods limit the possibility of relative movement of the plates, which n ' not bother to

les mouvements de faible amplitude nécessaires et présente 20 l'avantage de supprimer tous" les jeux. low amplitude movements necessary and 20 present the advantage of eliminating all "games.

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Claims (9)

    REVENDICATIONS
  1. 1 Dispositif d'articulation actif à compliance, comportant deux plateaux reliés par une structure en treillis fermé comprenant six biellettes dont chacune est reliée aux deux plateaux ( 10, 12) par des joints universels, caractérisé en ce qu'un vérin ( 13) commandé indépendamment est interposé sur chaque biellette ( 14), en parallèle avec un détecteur ( 17) d'élongation du vérin, pour permettre un réglage 1 An active joint compliance, comprising two plates connected by a closed mesh structure comprising six connecting rods each of which is connected to the two plates (10, 12) by universal joints, characterized in that a cylinder (13) controlled independently is interposed on each link (14) in parallel with a detector (17) elongation of the jack, to permit adjustment
    fin suivant les six degrés de liberté. end following the six degrees of freedom.
  2. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les vérins ( 13) sont pneumatiques et à double effet. 2 Device according to Claim 1, characterized in that the jacks (13) are pneumatic, double-acting.
  3. 3 Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les vérins sont alimentés par des électrovannes permettant de régler la pression dans les deux compartiments 3 Apparatus according to Claim 2, characterized in that the jacks are supplied by solenoid valves for adjusting the pressure in the two compartments
    de chaque vérin. each cylinder.
  4. 4 Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les électrovannes sont commandées en impulsions 4 Apparatus according to Claim 3, characterized in that the solenoid valves are controlled in pulse
    de rapport cyclique variable. variable duty cycle.
  5. 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en 5 Device according to Claim 1, characterized in
    ce que les vérins ( 13) sont à vis et à commande électrique. that the cylinders (13) are screw and electric control.
  6. 6 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que les biellettes sont 6 Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the links are
    disposées de façon à former des triangles équilatéraux. arranged to form equilateral triangles.
  7. 7 Dispositif d'articulation suivant l'une quelconque 7 An articulated assembly according to any one
    des revendications précédentes, caractérisé en ce que les of the preceding claims, characterized in that the
    détecteurs sont des potentiomètres ou codeurs. sensors are potentiometers or encoders.
  8. 8 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des éléments 30 de chaque vérin est relié à l'un des plateaux ( 10) par 8 Apparatus according to any preceding claim, characterized in that one of the elements 30 of each cylinder is connected to one of the plates (10)
    l'intermédiaire d'un cardan ( 15) et l'autre est relié à l'autre plateau ( 12) par l'intermédiaire d'un cardan ( 16) the intermediate of a cardan (15) and the other is connected to the other plate (12) via a gimbal (16)
    et d'un roulement. and a bearing.
  9. 9 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 35 précédentes, caractérisé en ce que les éléments de chaque vérin ( 13) sont reliés à chacun des plateaux ( 10, 12) par 9 Apparatus according to any preceding claim 35, characterized in that the elements of each jack (13) are connected to each of the plates (10, 12)
    l'intermédiaire d'une tige de faible diamètre présentant une très grande rigidité longitudinale et une possibilité de via a small-diameter rod having a very high longitudinal stiffness and a possibility of
    -_ 2549916 -_ 2549916
    flexion autour de son axe. bending about its axis.
    Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la liaison entre un bras de robot et un outil. Application of the device according to any preceding claim to the connection between a robot arm and a tool.
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