FR3060182A1

FR3060182A1 - Procede et dispositif de detection d’une intrusion dans l’environnement d’un robot

Info

Publication number: FR3060182A1
Application number: FR1670755A
Authority: FR
Inventors: David Marquez-Gamez; Philip Long
Original assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Current assignee: Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-15
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: WO2018109355A1; FR3060182B1; EP3551397A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la protection d'un membre mobile d'un robot ou d'un manipulateur, par la détection d'une intrusion dans l'environnement dudit robot ou manipulateur, caractérisé en ce qu'il comprend : a. une source laser (210) générant un faisceau laser incident (221, 222), écarté dudit membre mobile et s'étendant sensiblement parallèlement audit membre mobile ; b. un capteur sur le trajet dudit faisceau incident (221, 222) ou d'un faisceau réfléchi (223, 224) dudit faisceau incident, apte à délivrer une information en fonction de son éclairage par un faisceau laser. L'invention concerne également un procédé pour la mise en œuvre d'un tel dispositif et un robot, notamment polyarticulé, protégé par un tel dispositif.

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :

(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)

©) N° d’enregistrement national

060 182

70755

COURBEVOIE © Int Cl⁸ : G 08 B 13/183 (2017.01)

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION

A1

®) Date de dépôt : 12.12.16.	© Demandeur(s) : INSTITUT DE RECHERCHE TECH-
(© Priorité :	NOLOGIQUE JULES VERNE— FR.
	@ Inventeur(s) : MARQUEZ-GAMEZ DAVID et LONG
	PHILIP.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 15.06.18 Bulletin 18/24.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux	® Titulaire(s) : INSTITUT DE RECHERCHE TECHNO-
apparentés :	LOGIQUE JULES VERNE.
©) Demande(s) d’extension :	(© Mandataire(s) : IPSIDE.

104/ PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION D'UNE INTRUSION DANS L'ENVIRONNEMENT D'UN ROBOT.

FR 3 060 182 - A1

L'invention concerne un dispositif pour la protection d'un membre mobile d'un robot ou d'un manipulateur, par la détection d'une intrusion dans l'environnement dudit robot ou manipulateur, caractérisé en ce qu'il comprend:

a. une source laser (210) générant un faisceau laser incident (221,222), écarté dudit membre mobile et s'étendant sensiblement parallèlement audit membre mobile;

b. un capteur sur le trajet dudit faisceau incident (221, 222) ou d'un faisceau réfléchi (223, 224) dudit faisceau incident, apte à délivrer une information en fonction de son éclairage par un faisceau laser.

L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'un tel dispositif et un robot, notamment polyarticulé, protégé par un tel dispositif.

L’invention concerne procédé et un dispositif, adaptés à un robot pour la détection d’une intrusion dans l’environnement du robot. L’invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, destinée à un robot, ou « cobot », évoluant dans un milieu encombré dans lequel interviennent d’autres robots ou des opérateurs humains, notamment dans le domaine de d’assemblage structurel, de l’installation de systèmes ou de la manutention dans les industries automobiles, aéronautiques ou navales.

Un robot apte à coopérer avec un opérateur, machine ou humain, est couramment désigné sous le terme de « cobot >>. Dans le cadre d’un système de production automatisée, plusieurs cobots sont susceptibles d’intervenir conjointement avec des opérateurs humains, ou à proximité immédiate desdits opérateurs.

Selon l’art antérieur, l’intervention d’un opérateur, notamment un opérateur humain, au voisinage d’un robot est une situation complexe compte tenu du danger représenté par le robot en mouvement, lequel est programmé pour réaliser des tâches spécifiques, mais doit de plus, assurer la sécurité de l’opérateur qui entrerait dans son espace de travail, ainsi que sa propre sécurité. Le problème est similaire pour la coordination de plusieurs robots dont les espaces de travail comprennent des volumes communs, afin d’éviter les collisions.

Selon l’art antérieur, un robot apte à travailler en co-activité, notamment avec des opérateurs humains, comprend plusieurs dispositifs de sécurité, utilisés seuls ou en combinaison. Ainsi, selon des exemples de réalisation de l’art antérieur, un cobot est équipé de capteurs aptes à reconnaître son environnement et est pourvu d’une programmation lui permettant de décider des actions possibles en fonction de cet environnement. Selon l’art antérieur, cet environnement est reconnu, d’une part, à partir d’une cartographie du lieu d’intervention, enregistrée dans les moyens de programmation du robot, d’autre part, par des moyens de localisation, par exemple des balises, qui permettent au robot de connaître sa position dans ladite cartographie et finalement par des capteurs portés par le robot lui-même ou à proximité immédiate de celui-ci, lesquels capteurs lui procurent une image concentrique de son environnement. Le volume de travail perçu par le robot et dans lequel ce robot est apte à évoluer en sécurité, tant pour lui-même que vis-àvis d’autres opérateurs, humains ou robots, est appelé « volume de perception >>. Ledit volume de perception englobe entièrement ou partiellement le robot et permet de détecter une intrusion dans l’environnement du robot, c’est-à-dire la présence dans cet environnement d’un objet inhabituel ou plus généralement non prévu.

Dans un système de production flexible, il est fréquemment nécessaire de modifier la configuration de l’environnement, pour reconfigurer l’usine, et d’autre part de déplacer les cobots dans cet environnement, voire de prévoir la collaboration de plusieurs cobots pour la réalisation d’une tâche donnée. Ainsi, les moyens de détection d’une intrusion dans l’espace de perception du robot, moyens basés selon l’art antérieur sur des capteurs fixes et des capteurs embarqués par le robot, et renseignant celui-ci sur son environnement de travail concentrique, ne permettent pas d’obtenir une vision globale d’un environnement changeant. Par conséquent, il subsiste des zones, dites zones d’ombre, dans lesquelles les capteurs fixes où les capteurs embarqués du robot ne permettent pas d’appréhender l’environnement et donc une intrusion dans cet environnement. Ces zones d’ombre réduisent le volume de perception du robot et par suite son volume de travail utile. La suppression de ces zones d’ombre, créées notamment suite au déplacement d’objets, nécessiterait de modifier la position des capteurs fixes et la mise en œuvre d’une intelligence centralisée, apte à obtenir une perception globale de l’environnement. Cette tâche est longue et incompatible avec les temps de changement de série dans un environnement de production flexible automatisée, et met en œuvre des moyens de calcul hors de proportion avec les besoins de l’exécution des tâches de production par le robot. Le problème est encore plus complexe s’il s’agit d’un robot à base mobile, qui, pour changer de configuration de production, doit se déplacer dans un environnement modifié.

À des fins de sécurité ultime, selon l’art antérieur, le cobot comprend des moyens de détection d’une collision, c’est-à-dire un contact direct, non prévu, avec l’un de ses membres. Ces moyens sont par exemple des capteurs d’effort sur ses différents axes. Une tel détection provoque un arrêt de sécurité du robot lorsque l’effort mesuré sur l’un de ces capteurs dépasse une valeur seuil. Une fois en arrêt de sécurité, le robot doit être réinitialisé pour reprendre son fonctionnement normal.

Selon un autre mode de réalisation utilisé en complément des précédents, le robot évolue selon une vitesse dite de sécurité. Cette vitesse de sécurité est suffisamment réduite pour, à la fois, permettre à un éventuel opérateur d’anticiper facilement les mouvements du robot et ainsi éviter la collision, et d’autre part, de ne pas blesser l’opérateur si jamais une telle collision se produisait malgré tout.

Ces limites de vitesse et de force sont notamment définies dans les normes ISO 10218 et ISO TS 15066 pour les cobots évoluant en co-activité avec des opérateurs humains.

Ces solutions de l’art antérieur ont pour inconvénient de fortement réduire la productivité du robot, que ce soit en cours de production ou lors des changements de configuration. De plus, la détection d’un effort relativement faible sur les moteurs d’axes et la mise en arrêt de sécurité du robot, nécessitent un algorithme et la définition de conditions dans lesquelles de tels efforts doivent être détectés et conduire aux actions données, afin de conserver la faculté du robot d’effectuer, sans arrêt intempestif, les tâches pour lesquels il est prévu, lesquelles tâches demandent généralement de développer des efforts nettement supérieurs.

Le document US 2014/0238153 décrit un capteur, assimilé à une peau artificielle, constitué sur la base d’un polymère hyperélastique insérant un liquide conducteur et couvrant un actionneur robotique, permettant ainsi audit robot de détecter des contacts de faible pression sur ladite peau. Ce dispositif permet de disposer d’un capteur de contact couvrant l’ensemble des membres du robot, et de découpler la détection d’une collision des efforts produits par les moteurs d’axes.

Les documents US4694231, JP2004034251 ou CN202572408 décrivent d’autres exemples de peau artificielle couvrant tout ou partie du robot et aptes à détecter des contacts sur ladite peau.

Ces solutions de l’art antérieur sont difficiles à appliquer sur des robots industriels. D’une part, la peau est susceptible d’être dégradée lors du contact, ce qui nécessite son inspection, voire sa réparation, avant la remise en fonction du robot, et d’autre part, la détection s’opère par un contact réel avec la peau du robot, c’est-à-dire une collision, ce qui en termes de sûreté de fonctionnement nécessite dans tous les cas un arrêt de sécurité. De plus, ledit arrêt n’empêche pas le contact détecté de se poursuivre, bien que ce contact soit limité à la peau du robot, il peut néanmoins s’avérer dangereux, par exemple si ledit contact conduit à un étranglement de l’opérateur en co-activité.

L’invention vise à résoudre les inconvénients de l’art antérieur et concerne à cette fin un dispositif pour la protection d’un membre mobile d’un robot ou d’un manipulateur, par la détection d’une intrusion dans l’environnement dudit robot ou manipulateur, comprenant :

a. une source laser générant un faisceau laser incident, écarté dudit membre mobile et s’étendant sensiblement parallèlement audit membre mobile ;

b. un capteur sur le trajet dudit faisceau incident ou d’un faisceau réfléchi dudit faisceau incident, apte à délivrer une information en fonction de son éclairage par un faisceau laser.

Ainsi, toute intrusion dans l’environnement du robot interférant avec le faisceau laser, incident ou réfléchi, est détectée par le capteur avant que l’objet intrusif ne soit en contact avec le membre mobile. Ledit faisceau laser suit le membre mobile dans ses évolutions et par conséquent ce dispositif de détection ne comprend pas de zone d’ombre.

L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

Avantageusement, le dispositif objet de l’invention comporte une pluralité de sources laser et une pluralité de capteurs, l’ensemble étant configuré pour entourer tout ou partie dudit membre mobile. Ainsi la série de dispositifs élémentaires crée une véritable peau virtuelle autour de la partie du membre, pour détecter toute intrusion sur ladite partie avant une collision.

Selon un mode de réalisation particulier, le robot ou le manipulateur comprend au moins deux membres mobiles l’un par rapport à l’autre, la source laser étant liée à un premier membre mobile, et comprend entre chaque membre mobile un conduit optique flexible, s’étendant entre les deux membres et apte à rediriger le faisceau laser d’un membre à l’autre au cours de leurs déplacements relatifs. Ainsi, un seul dispositif élémentaire, associé à des conduits optiques permet de protéger tous les membres d’un robot, notamment polyarticulé.

Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l’invention comprend :

c. une cible sur le trajet du faisceau laser incident.

La présence d’une cible, qu’elle soit matérialisée par un dispositif optique particulier ou par la surface d’un objet, permet, en coopération avec le capteur, de générer une information relative à la continuité de faisceau incident entre la source est la cible.

Ainsi, selon une variante de réalisation, le capteur mesure la distance entre la cible et la source laser. Ce mode de réalisation permet entre autres, de détecter une collision potentielle au-delà des membres du robot, il permet également de mettre en œuvre des comportements différents en fonction de la distance effectivement mesurée et par conséquent de la nature de la collision potentielle. Ce mode de réalisation permet également de détecter d’autres types de fonctionnements anormaux, sans que le faisceau laser ne soit interrompu par un objet intrusif, comme un niveau de vibration trop élevé ou une configuration anormale du composant portant la cible.

Selon un mode de réalisation de cette variante, la distance est mesurée par réflexion sur la cible.

Avantageusement, la cible est une surface située à distance définie de la source laser et éclairée par ladite source. Ainsi, selon cette variante, la cible n’est pas nécessairement matérialisée en permanence et, selon un exemple, est constituée par une surface de l’objet intrusif lui-même.

Selon une autre variante, qui peut être mise en œuvre seule ou de manière conjointe avec la précédente sur le même robot ou le même manipulateur, la cible est un détecteur photoélectrique. Ainsi, la cible et le capteur sont les mêmes éléments. Cette variante de réalisation est la plus simple de mise en œuvre et détecte en pratique toute coupure du faisceau laser incident.

Selon une autre variante permettant de combiner les avantages des deux précédentes, le dispositif comprend deux détecteurs photoélectriques, un diviseur en sortie de la source laser, et un générateur de fréquence pour moduler la puissance du faisceau laser, l’un des détecteurs photoélectriques étant éclairé par la partie du faisceau ainsi divisé. Ce mode de réalisation permet de détecter une simple coupure du faisceau laser, mais aussi par différence de phase entre les signaux reçus sur les deux détecteurs photoélectriques de mesurer la distance relative entre lesdits détecteurs photoélectriques, sans nécessiter de capter le faisceau réfléchi.

Avantageusement, le faisceau laser est un rideau laser sensiblement plan, dont la largeur couvre toute ou partie de la largeur du membre. Ce mode de réalisation permet de couvrir une surface importante autour du membre du robot ou du manipulateur avec un nombre réduit de sources laser.

Avantageusement, le conduit optique situé entre deux des membres d’un robot ou d’un manipulateur, comprend une fibre optique enroulée en hélicoïde dans ledit conduit. Ce mode de réalisation permet au conduit optique de suivre des débattements importants de liaison entre les membres sans risque de dégradation de la fibre optique.

L’invention concerne également un procédé pour la détection d’une intrusion dans l’environnement d’un robot ou d’un manipulateur mettant en œuvre un dispositif apte à mesurer la distance entre la cible et la source laser, lequel procédé comprend les étapes consistant à :

i. obtenir la distance nominale entre la cible et la source laser ;

ii. obtenir une tolérance sur cette distance nominale ;

iii. contrôler la distance entre la cible et la source laser ;

iv. si la distance mesurée à l’étape iii) est en dehors de la tolérance acquise à l’étape ii), placer le robot ou le manipulateur en fonctionnement de sécurité.

Selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention, la distance nominale obtenue à l’étape i) ou la tolérance obtenue à l’étape ii) comprennent une distance infinie. Ce mode de réalisation permet de détecter une intrusion dans une zone étendue de l’environnement du robot dans lequel aucun objet n’est sensé se trouver dans des conditions de fonctionnement nominales.

Avantageusement, les valeurs obtenues lors des étapes i) et ii) sont actualisées en fonction de l’opération réalisée par le robot ou le manipulateur. Avantageusement, le procédé objet de l’invention comprend une étape consistant à :

v. évaluer la vitesse de variation de la distance mesurée au cours de l’étape iii) ;

la tolérance obtenue à l’étape ii) étant fonction de la vitesse de variation de la distance mesurée à l’étape v). Ce mode de réalisation permet, d’une part, d’adapter les conditions de mise en sécurité du robot selon la vitesse de déplacement de l’objet intrusif, mais aussi de définir des conditions de mise en sécurité du robot en fonction de l’intensité vibratoire de l’objet portant la cible ou sur lequel le faisceau laser est réfléchi.

L’invention concerne également un robot ou un manipulateur comprenant plusieurs dispositifs de protection chaque dispositif étant réalisé selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Avantageusement, les faisceaux laser de la pluralité de dispositifs protégeant le robot sont disposés en couches selon une direction sensiblement perpendiculaires aux membres dudit robot ou manipulateur.

L’invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1à 4, dans lesquelles :

-la figure 1 est une vue de profil schématique d’un robot polyarticulé mettant en œuvre plusieurs modes de réalisation du dispositif objet de l’invention ;

-la figure 2 montre selon une vue de profil schématique un robot polyarticulé mettant en œuvre d’autres modes de réalisation du dispositif objet de l’invention ;

-la figure 3 représente une vue schématique en coupe d’un exemple de réalisation d’un conduit optique entre deux membres articulés d’un robot mettant en œuvre le dispositif objet de l’invention ;

-et la figure 4, montre un synoptique d’un exemple de réalisation du procédé objet de l’invention.

Figure 1, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l’invention est appliqué à un robot (100) polyarticulé, sous la forme d’un bras manipulateur anthropomorphique, comprenant une pluralité de membres (101,102,103) articulés entre eux selon une architecture en série, sans que cet exemple de configuration ne soit limitatif. Ledit robot est par exemple placé sur un socle (105) pivotant, ledit socle étant, selon des exemples de réalisation, lié à un encrage fixe ou comporte des moyens de déplacement du robot tels que des roues ou des chenilles. Le robot comporte à l’extrémité du bras articulé un effecteur (104), lequel effecteur est, par exemple, une pince de préhension, une pince à riveter, une torche de soudage, un dispositif d’usinage, un pistolet de collage, un moyen de marquage ou de mesure, ou encore une combinaison de ces moyens sans que ces exemples ne soient limitatifs. Selon cet exemple de réalisation, le dispositif objet de l’invention comprend une ou plusieurs sources laser (110) liées au socle (105) et émettant chacune un faisceau laser incident (121, 122) sensiblement parallèle au premier membre (101) lié au socle (105) du robot. À titre d’exemple non limitatif, lesdites sources sont constituées par des diodes laser d’une puissance comprise entre 0,5 mW et 5 mW. Alternativement les sources laser ne sont pas directement liées au robot, et un dispositif optique, par exemple une fibre optique, permet d’acheminer le faisceau incident jusqu’au robot.

Selon l’exemple de réalisation représenté figure 1, au passage de chaque liaisons (106, 107) entre deux membres, le faisceau laser incident (121, 122) est réorienté par des conduits optiques présentant une certaine flexibilité de sorte à suivre les débattements desdites liaisons. Ainsi les faisceaux laser incidents (121, 122) générés par les sources (110) s’étendent sensiblement parallèlement aux membres (101, 102, 103) sur toute ou partie de la longueur du robot. Selon cet exemple de réalisation, les faisceaux laser incidents aboutissent à leurs extrémités sur des cibles (140). Selon un mode de réalisation alternatif (non représenté) le dispositif objet de l’invention comprend une source laser unique, laquelle est divisée en plusieurs faisceaux par un dispositif optique approprié, de sorte à générer plusieurs faisceaux laser entourant le membre du robot.

Un dispositif informatique (190), comprenant un programme pour le traitement des intrusions, dialogue avec la baie de commande (191) du robot, pilote les conditions d’émission des sources laser (110) et récupère les informations issues des capteurs éclairés par les faisceau laser.

Selon un premier exemple de mise en œuvre, les cibles (140) sont des détecteurs photoélectriques et délivrent un signal électrique lorsqu’elles sont éclairées par un faisceau laser (121, 122). Ainsi, en cas d’interception d’un des faisceau laser par un objet quelconque, la cible (140) n’est plus éclairée, et ne délivre plus ce signal électrique, avant même que l’objet intrusif n’ait atteint un membre du robot. La détection de la perte du signal émis par une des cibles (140) déclenche une procédure visant à placer le robot dans une configuration de sécurité. Selon des exemples de réalisation, ladite configuration de sécurité correspond à un arrêt d’urgence avec nécessité de réinitialisation du robot, ou plus simplement consiste à arrêter le robot dans sa position en situation de compensation de gravité, ou encore le robot passe en vitesse réduite, sans que ces exemples ne soient limitatifs. En comparaison des solutions de l’art antérieur, l’intrusion est détectée avant que l’objet intrusif n’ait atteint la structure du robot, il ne s’agit donc pas d’une collision au sens stricte mais d’une collision potentielle, laquelle est traitée par des mesures appropriées. Ainsi, la pluralité de faisceaux laser s’étendant autour des membres du robot constitue une sorte de « peau virtuelle >>. Selon un exemple de réalisation où chaque faisceau laser abouti sur une cible spécifique, la position de l’intrusion est détectée par l’interruption d’un ou plusieurs faisceaux et la mise en configuration de sécurité comprend un ordre de mouvement, préférentiellement à vitesse réduite du robot, lequel mouvement tend à éloigner le robot du contact potentiel.

Selon un exemple de réalisation alternatif (non représenté) chaque membre (101, 102, 103) comprend une pluralité de sources laser et une pluralité de cibles liées audit membre. Selon ce mode de réalisation alternatif, les conduits optiques ne sont pas nécessaires.

Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif objet de l’invention comprend sur le trajet de l’un (122) des faisceaux laser incidents entourant les membres du robot, un diviseur (150) orientant une partie (123) dudit faisceau vers un détecteur (141) photoélectrique. Ainsi, le temps nécessaire à la lumière générée dans ledit faisceau pour atteindre les deux cibles (141, 140) qu’il éclaire est différent, fonction de la longueur du chemin optique menant à chacune de ces cibles. Selon un exemple de mise en œuvre, en modulant la puissance du laser généré par la source, par exemple selon une fonction sinusoïdale, cette différence de longueur de chemin optique se traduit par un déphasage des signaux récupérés sur chacun des détecteurs (140, 141) photoélectriques éclairés par ledit faisceau (122) modulé en puissance. À cette fin, la source laser (110) correspondante est équipée d’un générateur de fréquence apte à moduler sa puissance d’émission. Selon un exemple non limitatif, la fréquence de modulation est comprise entre 100 kHz et 10 MHz, adaptée à la longueur des chemins optiques en présence et au type de détection visé. La longueur du chemin optique jusqu’à la cible (141) éclairée par la partie divisée (123) du faisceau étant connue, de même que la vitesse de la lumière, la mesure de ce déphasage permet de déterminer la distance entre la source laser (110) et la cible (140) à l’extrémité du faisceau laser (122). Ainsi, comme précédemment, toute interruption du faisceau laser (122) par un objet intrusif est détectée par l’interruption de l’éclairement de la cible (140), mais de plus, la mesure de la distance de ladite cible par rapport à la source laser offre d’autres possibilités de contrôle. Par exemple, selon l’exemple de réalisation représenté figure 1, la distance entre la source laser (110) et la cible (140) éclairée par l’extrémité du faisceau laser (122) est fonction du type d’effecteur (104) utilisé, dans une tolérance définie. Cette valeur de distance est par exemple définie dans le programme de commande et de contrôle du robot, en fonction de l’effecteur utilisé pour la tâche à réaliser. Si la distance effectivement mesurée ne correspond pas à la valeur indiquée, c’est-à-dire que la valeur mesurée est hors tolérance, alors, il est possible que l’effecteur installé sur le robot ne corresponde pas à l’effecteur prévu dans le programme de commande, ou encore, que l’installation de l’effecteur sur le robot soit défectueuse, situations potentiellement génératrices de collisions, de sorte que le robot se place en configuration de sécurité en générant, par exemple, une alerte. Ce même dispositif permet également de mesurer l’amplitude, la vitesse ou l’accélération de vibration de l’effecteur (104) sur lequel est disposée la cible (140) éclairée par l’extrémité du faisceau (122) préalablement divisé. Ainsi, de la même manière, si l’intensité de vibration de l’effecteur dépasse une valeur autorisée, correspondant par exemple à un usinage mettant en œuvre un outil usé ou à un défaut de support de la pièce usinée par le robot, alors l’opération est arrêtée, le robot est mis en configuration de sécurité et une alarme est générée.

Comme précédemment, selon un mode de réalisation alternatif (non représenté), chaque membre du robot est équipé individuellement du dispositif décrit ci-dessus et comporte à cette fin une source laser, un diviseur, un détecteur photoélectrique éclairé par le faisceau divisé et un autre détecteur photoélectrique éclairé par le faisceau laser à l’extrémité du membre opposée à la source laser. Selon ce mode de réalisation alternatif, les conduits optiques ne sont pas nécessaires.

Figure 2, selon un autre mode de réalisation, combinable sur un même robot avec les modes de réalisation présentés ci-avant, la source laser (210) comporte un capteur de type détecteur photoélectrique. Ledit détecteur photoélectrique est susceptible d’être éclairé par un faisceau réfléchi (223, 224) du faisceau incident. Selon un exemple de réalisation, ce dispositif utilise une cible (240) laquelle ne comporte pas de capteur et est constituée par une pastille réfléchissante, ou simplement par la surface de l’extrémité du membre (104) si cette dernière est suffisamment réfléchissante. Selon cet exemple de réalisation, la source laser (210) émet des impulsions laser d’une durée définie, lesquelles se propagent selon un faisceau incident (221) jusqu’à la cible (240) en passant par les conduits optiques (230) selon le mode de réalisation. Le faisceau incident (221) est réfléchi sur la cible (240) en un faisceau réfléchi (223) qui se propage, le cas échéant en empruntant les conduits optiques (230,) jusqu’au capteur de la source laser. Ainsi, le temps séparant l’émission du faisceau incident (221) de la réception du faisceau réfléchi, la vitesse de la lumière étant connue, permet de mesurer la distance du chemin optique parcouru, proportionnelle à la distance séparant la source (210) de la cible (240). L’introduction d’un objet intrusif coupant le faisceau incident (221) ou le faisceau réfléchi (223) produit une anomalie dans la mesure de cette distance et permet ainsi de détecter un risque de collision puis d’agir en conséquence. Ce mode de réalisation présente les mêmes avantages que celui intégrant un diviseur, en permettant la mesurer de la distance de la cible (240), ou ses conditions de vibration, et de comparer ces mesures avec des données nominales assorties d’une tolérance correspondant aux conditions de fonctionnement visées.

Selon une variante de réalisation de ce dernier mode de réalisation, le robot ne comprend pas de cible spécifique et le faisceau incident (222) pointe dans le vide. La cible est alors constituée par la surface d’un objet (200) extérieur au robot. À titre d’exemple non limitatif tel que représenté figure 2, le faisceau incident (222) pointe devant l’effecteur (104) du robot et ledit faisceau incident est réfléchi sur la surface d’un objet (200) se trouvant dans la direction de pointage dudit faisceau incident. Comme précédemment, la mesure du temps de vol de l’impulsion laser entre le faisceau incident (222) et le faisceau réfléchi (224) par la surface de l’objet (200) permet de déterminer la distance dudit objet par rapport au robot. Ce type de mesure permet de détecter la présence d’un objet et de mesurer la distance le séparant du robot, ledit objet (200) étant situé à quelques dixièmes de millimètres jusqu’à plusieurs centaines de mètres du robot. Selon une mise en œuvre particulière, la tolérance relative à la distance mesurée par ce dispositif comprend une distance infinie, l’infini étant ici défini comme la distance maximale mesurable par réflexion sur un objet (200) extérieur au robot. Ainsi, selon cette variante, le faisceau laser incident (222) pointe dans le vide en conditions nominales de fonctionnement et le dispositif objet de l’invention détecte toute intrusion intersectant ledit faisceau laser (222) et produisant un faisceau réfléchi (224) dans les limites de mesure du dispositif. Ainsi, une mesure de distance infinie indique l’absence d’objet dans l’espace couvert par le faisceau incident et la mesure d’une distance particulière indique la présence d’un objet susceptible d’entrer en collision avec le robot. Avantageusement le comportement du robot en présence d’une telle détection est fonction de la distance mesurée.

Comme précédemment, selon un mode de réalisation alternatif (non représenté), chaque membre du robot est équipé individuellement du dispositif décrit ci-dessus et comporte à cette fin une source laser comprenant un capteur photoélectrique et une cible réfléchissante, ou un pointage du laser vers une zone extérieure au robot dans laquelle est susceptible de se trouver un objet comportant une surface apte à réfléchir le faisceau incident. Selon ce mode de réalisation alternatif, les conduits optiques ne sont pas nécessaires.

Tout ou partie des modes et variantes de réalisation exposés ci-avant sont avantageusement combinés sur un même robot afin de procurer une protection maximale. L’épaisseur quasi nulle des faisceaux laser et le faible encombrement des sources permettent de superposer les différents modes de réalisation, ou des modes de réalisation identiques du dispositif, répartis tout autour du robot, de sorte à constituer une peau virtuelle comprenant plusieurs couches et mettant en œuvre des algorithmes de préservation et de sécurité, fonction du nombre de couches perturbées et de la nature des informations reçues : coupure d’un faisceau, distance hors tolérance, présence d’un obstacle à distance, vibrations excessives, non-conformité de la configuration du robot etc... Ainsi, le robot équipé du dispositif objet de l’invention porte lui-même son système de protection, et de protection de son environnement. Selon une variante de réalisation, les faisceaux laser dans chaque couche de protection ne s’étendent pas exactement parallèlement aux membres mais sont organisés de sorte à réaliser un maillage. Selon une autre variante, les faisceau laser dans toutes ou partie des couches de protection sont des faisceaux de type rideau, s’étendant dans un plan ou selon une forme définie, cet effet étant obtenu, par exemple, au moyen d’un dispositif optique approprié.

Figure 3, selon un exemple de réalisation, le conduit optique (130) comprend un manchon de protection (331) souple, par exemple cylindrique, supportant à chacune de ses extrémités un dispositif optique (333, 334), et comprend à l’intérieur dudit manchon (331) et entre lesdits dispositifs optiques, une ou plusieurs fibres optiques (335) assurant la continuité du chemin lumineux dans ledit conduit. Des paliers (341, 342) permettent de fixer chacune des extrémités dudit manchon (341) à chacun des membres du robot ou du manipulateur entre lesquels il s’étend. Avantageusement, la ou lesdites fibres optiques sont enroulées dans le manchon en hélicoïde de sorte à faciliter leur suivi de la déformation dudit manchon sans excéder le rayon de courbure minimum autorisé pour lesdites fibres. Les dispositifs optiques (333, 334), ici représentés de manière très schématique, permettent de focaliser les faisceaux laser incidents et sortant, pour les diriger dans la ou dans les fibres optiques, ou vers le conduit ou la cible suivante. Lorsque le robot est protégé par plusieurs faisceaux laser disposés en couches, le conduit optique comprend plusieurs dispositifs optiques correspondant à chacune des couches et/ou à chacune des fibres optiques véhiculant un faisceau laser. Selon une variante de réalisation, les dispositifs optiques permettant de recueillir le faisceau incident à l’entrée dudit conduit sont de type semi réfléchissant et produisent une réflexion dirigée, par exemple, vers le capteur intégré à la source laser. Ainsi lesdits dispositifs optiques constituent des cibles au passage de chaque membre et permettent la mesure de la distance parcourue par les faisceau laser selon le trajet optique séparant les membres ou, plus simplement, de détecter une intrusion le long d’un des membres par l’absence de faisceau éclairant le capteur du fait de la coupure du faisceau incident ou du faisceau réfléchi sur ledit dispositif optique, ceci bien que le faisceau incident pointe dans le vide à l’extrémité du robot.

Figure 4, selon un exemple de réalisation du procédé objet de l’invention, adapté à un mode de réalisation du robot comprenant un dispositif apte à mesurer la distance entre la source laser et une cible sur le trajet du faisceau laser, au cours d’une première étape d’acquisition (410), une consigne (415) relative à la distance potentielle de la cible est définie. Au cours d’une seconde étape d’acquisition (420) une tolérance (425) relative à ladite consigne est obtenue. Ces informations se trouvent par exemple dans les moyens de mémoire du dispositif informatique pilotant le dispositif objet de l’invention ou sont générées pas par un programme mis en œuvre par ce dispositif informatique au cours d’une étape (430) de définition. Selon des variantes de mise en œuvre, tant la consigne que la tolérance sont actualisées selon la nature des tâches réalisées par le robot, notamment en fonction de l’environnement correspondant ou de la vitesse de déplacement du robot au cours des tâches qu’il réalise. Au cours d’une étape de mesure (440) la distance (445) entre la cible potentielle et la source laser du dispositif objet de l’invention est mesurée par ledit dispositif. Au cours d’une étape de comparaison (450) la valeur mesurée au cours de l’étape de mesure (440) est comparée aux valeurs nominales de distance (415) et de tolérance (425). Si (451) la valeur mesurée (445) entre dans la tolérance le robot continue normalement l’exécution (490) de sa tâche. Si en revanche (452) la valeur mesurée (445) se trouve en dehors des valeurs admissible un processus (460) de mise en condition de sécurité du robot est alors déclenché. Avantageusement l’information (445) issue de l’étape de mesure (440) comprend des données relatives non seulement au paramètre de distance mesurée, mais aussi d’autres informations telles que le faisceau laser sur lequel est mesurée cette information lorsque le robot est protégé par une pluralité de faisceaux laser. Avantageusement l’ensemble des informations (445) issues des mesures réalisées sont stockées dans un fichier (475) lequel est analysé (470) par un système expert, cette analyse étant utilisée pour définir le comportement du robot lors du processus (460) de mise en fonctionnement de sécurité. Le procédé est présenté ci-avant dans le cas de la mesure d’une distance, le même fonctionnement est mis en œuvre de manière parallèle ou indépendante dans le cas où la consigne et la tolérance concernent une intensité de vibration de la cible. Selon un mode de réalisation particulier, la consigne (415) ou la tolérance (425) sur cette consigne comprennent une valeur infinie. C’est-à-dire une distance de mesure se trouvant au-delà de la capacité de mesure du dispositif objet de l’invention. Selon ce mode de réalisation du procédé objet de l’invention, la tâche programmée du robot est poursuivie tant qu’aucune réflexion du faisceau laser sur une cible ou un objet n’est détectée. En d’autres termes, en conditions de fonctionnement nominales, le faisceau laser considéré pointe dans le vide. La présence d’une réflexion indique l’intrusion d’un objet dans l’espace ainsi surveillé et déclenche la mise en fonctionnement de sécurité.

Avantageusement les différents modes de réalisation du procédé objet de l’invention sont mis en œuvre simultanément sur différents faisceaux laser protégeant un même robot.

La description ci-avant et les exemples de réalisation, montrent que l’invention atteint le but visé. Plus particulièrement le dispositif et le procédé objets de l’invention mis en œuvre selon leurs différents modes de réalisation permettent de définir une peau virtuelle, constituée par des faisceaux laser, permettant de détecter toute intrusion dans l’espace d’un robot, sans zone d’ombre, et ceci avant que ne se produise une collision physique entre ledit robot et ladite intrusion.

1.

2.

3.

4.

5.

Claims

REVENDICATIONS

Dispositif pour la protection d’un membre mobile d’un robot ou d’un manipulateur, par la détection d’une intrusion dans l’environnement dudit robot ou manipulateur, caractérisé en ce qu’il comprend :

a. une source laser (110, 210) générant un faisceau laser incident (121, 122, 221, 222), écarté dudit membre mobile et s’étendant sensiblement parallèlement audit membre mobile ;

b. un capteur sur le trajet dudit faisceau incident (121, 122, 221, 222) ou d’un faisceau réfléchi (223, 224) dudit faisceau incident, apte à délivrer une information en fonction de son éclairage par un faisceau laser.

Dispositif selon la revendication 1, comportant une pluralité de sources laser et une pluralité de capteurs, l’ensemble étant configuré pour entourer tout ou partie dudit membre mobile.

Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication
2, dans lequel le robot (100) ou le manipulateur comprend au moins deux membres (101, 102, 105) mobiles l’un par rapport à l’autre, la source laser étant liée à un premier membre mobile (105), et comprend entre chaque membre mobile un conduit optique flexible (130, 230), s’étendant entre les deux membres et apte à rediriger le faisceau incident (121, 122, 221, 222) ou le faisceau réfléchi (223, 224) d’un membre à l’autre au cours de leurs déplacements relatifs.

Dispositif selon les revendications 1 à
3 comprenant :

c. une cible (140, 240, 200), sur le trajet faisceau laser incident.

Dispositif selon la revendication
4, dans lequel la cible est un détecteur photoélectrique.

6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le capteur mesure la distance entre la cible et la source laser.

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la distance est mesurée par la réflexion du faisceau laser sur la cible.
5 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la cible est une surface (200) distante de la source laser.
9. Dispositif selon les revendications 4 à 8, comprenant deux détecteurs photoélectriques (140, 141), un diviseur (150), en sortie de la source laser (110), et un générateur de fréquence pour moduler la
10 puissance du faisceau laser (122), l’un des détecteurs photoélectriques (141) étant éclairé par la partie (123) du faisceau ainsi divisé.

10. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le faisceau laser incident est un rideau laser sensiblement plan, dont la largeur couvre toute ou

15 partie de la largeur du membre.
11. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le conduit optique (130, 230) comprend une fibre optique (335) enroulée en hélicoïde dans ledit conduit
12. Procédé pour la détection d’une intrusion dans l’environnement d’un robot 20 ou d’un manipulateur mettant en œuvre un dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu’il comprend les étapes consistant à :

i. obtenir (410) la distance nominale (415) entre la cible et la source laser ;

25 ii. obtenir (420) une tolérance (425) sur cette distance nominale ;

iii. mesurer (440) la distance entre la cible et la source laser ;

iv. si la distance (445) mesurée à l’étape iii) est en dehors de la tolérance acquise à l’étape ii), placer le robot ou le manipulateur en fonctionnement de sécurité (460).
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la distance nominale (415) obtenue à l’étape i) ou la tolérance (425) obtenue à l’étape ii) 5 comprennent une distance infinie.
14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans lequel les valeurs (415, 425) obtenues lors des étapes i) et ou ii) sont actualisées (430) en fonction de l’opération réalisée par le robot ou le manipulateur.

10
15. Procédé selon l’une des revendications 12 à 14, comprenant une étape consistant à :

v. évaluer la vitesse de variation de la distance mesurée au cours de l’étape iii) et dans lequel la tolérance obtenue à l’étape ii) est fonction de la 15 vitesse de variation de la distance mesurée à l’étape v).
16. Robot ou manipulateur, caractérisé en ce qu’il comprend plusieurs dispositifs, chacun selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
17. Robot ou manipulateur selon la revendication 16, dans lequel les faisceaux
20 laser de la pluralité de dispositifs selon les revendications 1 à 11 sont disposés en couches selon une direction sensiblement perpendiculaires aux membres dudit robot ou manipulateur.

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