FR3071312A1 - Procede et dispositif de detection et de mesure d'une force ou d'une pression appliquee a un robot, et robot muni d'un tel dispositif - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé (100) pour mesurer des forces et/ou des pressions appliquées sur un robot, comprenant des étapes : (i) de localisation (102), par au moins un capteur de position, d'au moins un contact correspondant à une position d'application d'au moins une force, (ii) de mesure (104), par un capteur de couple, d'au moins un couple suivant au moins un axe de mesure, de calcul (106) d'au moins une force, en fonction de l'au moins un couple mesuré, et de la localisation de l'au moins une position d'application relativement à l'au moins un axe de mesure. L'invention concerne également un dispositif et un robot mettant en œuvre le procédé.

Description

« Procédé et dispositif de détection et de mesure d'une force ou d'une pression appliquée à un robot, et robot muni d'un tel dispositif »
L'invention concerne un procédé et un dispositif de détection et de mesure d'une force ou d'une pression appliquée à un robot. Elle concerne également un robot muni d'un tel dispositif.
Le domaine de l'invention est le domaine des procédés et dispositifs de détection et de mesure de forces et/ou de pression, en particulier appliqués aux robots collaboratifs, robots industriels, robots médicaux, etc.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les systèmes robotiques, en particulier les robots collaboratifs, sont manipulés par des opérateurs humains ou coopèrent avec des opérateurs humains en vue de réaliser des tâches. Par exemple, l'opérateur peut manipuler le robot, pour le contrôler et/ou pour configurer le robot pour réaliser une tâche, par exemple par des techniques d'apprentissage. Il est nécessaire donc de connaître les forces appliquées au robot pour un contrôle et/ou une configuration précis et fiables.
Dans le même temps, en vue d'assurer la sécurité des opérateurs, le robot est équipé de capteurs permettant de détecter la présence d'objets environnants, et d'éviter d'entrer en collision avec ces objets.
Toutes ces fonctionnalités nécessitent d'équiper le robot par des capteurs dédiés, à savoir des capteurs de présence d'une part et des capteurs de force ou de pression d'autre part, et ce sur une majeure partie ou la totalité de robot, ce qui rend le robot complexe et coûteux. En particulier, les forces appliquées sur le robot ne peuvent être déterminées pour des points ou des zones spécifiques sur le robot, équipés de capteurs de force ou de pression.
Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de détection et de mesure de forces et/ou de pressions moins encombrant, moins complexe et moins coûteux à mettre en œuvre.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de détection et de mesure de forces et/ou de pressions plus précis.
-2Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de détection et de mesure de forces et/ou de pression facile à intégrer sur un robot existant.
EXPOSE DE L'INVENTION
Au moins un des objectifs précités est atteint par un procédé pour mesurer des forces et/ou des pressions appliquées sur un robot, mettant en œuvre :
- au moins un capteur, dit de position, agencé pour localiser au moins un contact sur au moins une partie de la surface du robot, et
- au moins un capteur, dit de couple, agencé pour mesurer au moins un couple exercé sur une partie du robot suivant au moins un axe, dit de mesure, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- localisation, par ledit au moins un capteur de position, d'au moins un contact correspondant à une position, dite d'application, d'au moins une force,
- mesure, par ledit au moins un capteur de couple, d'au moins un couple suivant au moins un axe de mesure,
- calcul de ladite au moins une force, en fonction de l'au moins un couple mesuré, et de la localisation de l'au moins une position d'application relativement à l'au moins un axe de mesure.
Le procédé selon l'invention permet ainsi de mesurer une force ou une pression appliquée sur un robot sans mettre en œuvre de capteurs de pression spécifiques. Cette mesure est obtenue en exploitant des capteurs de structure simple, et surtout qui sont présents de manière habituelle sur les robots pour remplir d'autres fonctions :
les capteurs de couple sont présents sur la plupart des robots, en particulier au niveau des articulations, pour gérer les efforts et les contraintes résultant des interactions avec l'environnement ; et les capteurs de position peuvent être réalisés par exemple avec des structures simples d'électrodes capacitives réparties sur des surfaces extérieures du robot. Ils sont en général utilisés pour éviter les
-3collisions entre le robot et des éléments de son environnement et sont sensibles soit au contact, soit à l'approche et au contact.
L'invention permet en particulier d'éviter de devoir recouvrir des surfaces extérieures du robot de capteurs directement sensibles à la pression, qui sont de structure beaucoup plus complexe et onéreuse.
Suivant des modes de mise en œuvre, le procédé selon l'invention comprend en outre une étape de calcul de pression, en prenant en compte une étendue de la, ou des, surface(s) sur laquelle s'exerce ladite au moins une force.
La pression peut en particulier être déterminée en mettant en œuvre des capteurs de position avec une résolution spatiale permettant d'obtenir une information sur la surface couverte par l'objet qui exerce la force.
Dans ce cas, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de détermination de la surface, ou de l'aire, d'application de la force, par exemple grâce à l'au moins un capteur de position.
Selon l'invention, une force est calculée à partir des moments qu'elle exerce respectivement sur les axes de mesure des capteurs de couple, et qui résultent en des couples mesurés par ces capteurs.
Les moments de la force dépendent notamment de la localisation de sa position d'application par rapport (ou relativement) aux axes de mesure des couples. Ces axes de mesure sont bien entendu considérés comme localisés dans l'espace, avec un point d'application (par exemple le capteur de couple) et une orientation. Plus précisément, ces moments dépendent de la longueur et de l'orientation dans l'espace des segments de droite qui joignent la position d'application de la force à l'axe de mesure correspondant, perpendiculairement à ce dernier.
La localisation de ladite au moins une position d'application relativement audit au moins un axe de mesure peut être déterminée en utilisant un modèle géométrique du robot.
Ce modèle géométrique peut comprendre notamment une description géométrique du robot avec les dimensions des différents éléments, segments ou parties. Il peut également comprendre la position (par exemple angulaire
-4ou en translation) des parties mobiles comme les articulations, mesurée par exemple avec codeurs angulaires ou des règles optiques.
Ainsi ce modèle géométrique apporte toutes les informations nécessaires pour pouvoir positionner dans un même système de référence le ou les points (ou positions) d'application de force et le ou les axes de mesure de couple, et ainsi déterminer leur localisation relative.
Les moments de la force dépendent également de son intensité et de son orientation dans l'espace, qui peut être décrite par des composantes spatiales (ou vectorielles).
Suivant le nombre et la disposition des capteurs de couple, le calcul de la force selon l'invention peut fournir une description complète du vecteur force dans l'espace (par exemple avec au moins trois couples mesurés selon des axes d'orientation différente définissant un système de référence en trois dimensions).
Par ailleurs, plusieurs forces ou pressions appliquées simultanément peuvent être mesurées par le procédé selon l'invention, pour autant que le nombre et la disposition des capteurs de couple le permette.
Même si le nombre et la disposition des capteurs de couple ne permet pas d'obtenir une description complète du vecteur force, il est toujours possible de calculer une force, dès lors que le vecteur force n'est pas en intersection avec tous les axes de mesure.
Dans ce cas, on peut calculer une représentation de la force correspondant à une projection du vecteur force selon des degrés de liberté disponibles, ou en d'autres termes une représentation de la force correspondant à au moins une composante spatiale de cette force.
A la limite, avec un seul capteur de couple, on peut déterminer une mesure de la force correspondant à une projection du vecteur force dans une direction perpendiculaire à la fois à l'axe de mesure et au segment joignant le point d'application et cet axe de mesure. Cette information est déjà très utile et exploitable, surtout en regard de la simplicité des moyens de mesure mis en œuvre.
Ainsi, suivant des modes d'implémentation du procédé selon l'invention mettant en œuvre une pluralité de capteurs de couple avec des axes de
-5mesure distincts, l'étape de calcul peut comprendre une détermination d'au moins une composante spatiale de la force selon un axe de référence ou dans un plan de référence.
De manière générale, les composantes spatiales de la force peuvent être déterminées par une technique de résolution de systèmes d'équations par approximation ou minimisation de fonction d'erreur, telle que par exemple par moindres carrés et/ou par factorisation de Cholesky.
Dans un mode d'implémentation du procédé selon l'invention, mettant en œuvre au moins deux capteurs de couple configurés pour mesurer au moins deux couples suivant respectivement au moins un premier axe de mesure et un deuxième axe de mesure distincts et parallèles entre eux, l'étape de calcul peut comprendre une détermination de deux composantes spatiales de la force dans un plan de référence perpendiculaire auxdits premiers et deuxièmes axes de mesure.
Dans un mode d'implémentation mettant en œuvre en outre au moins un troisième capteur de couple configuré pour mesurer un couple suivant un troisième axe de mesure, d'orientation différente des, ou perpendiculaire aux, premiers et deuxièmes axes de mesure, l'étape de calcul peut comprendre en outre une détermination d'une composante de la force suivant un axe de référence perpendiculaire au plan de référence.
Ces configurations peuvent être par exemple implémentées dans un robot de type bras manipulateur, avec une pluralité de segments reliés par des articulations dont au moins une partie ont des axes parallèles, l'ensemble étant mobile en rotation par rapport une base autour d'un axe de rotation perpendiculaire à au moins une partie des axes des articulations.
Suivant des modes d'implémentation du procédé selon l'invention, au moins un couple suivant un axe de mesure peut être :
- mesuré par un capteur de couple configuré pour mesurer ledit couple suivant ledit axe de mesure ; ou
- calculé à partir d'au moins deux mesures de couples suivant des axes différents dudit axe de mesure, réalisées par au moins deux capteurs de couple, qui peuvent constituer dans ce cas un capteur de couple équivalent selon un axe de mesure.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre, pour au moins un capteur de couple, une étape de mesure d'une variation de couple lors d'une détection de contact par l'au moins un capteur de position, pour déterminer le couple exercé par l'application d'une force.
Cette mesure de variation permet de déterminer la partie ou la composante du couple effectivement due à l'application de la force. En effet, en l'absence de force, de manière générale, les capteurs de couple mesurent tout de même un couple dû à la masse du robot, son éventuelle charge et à la cinématique de ses déplacements. L'application d'une force se traduit donc par une variation de ce couple.
Suivant des modes d'implémentation, la mesure de variation du couple peut comprendre une opération de filtrage passe-haut, analogique et/ou numérique, d'une mesure de couple.
Suivant des modes d'implémentation, le procédé selon l'invention peut comprendre, pour au moins un capteur de couple :
- une étape de mémorisation d'au moins un couple de référence, mesuré en l'absence de détection de contact par l'au moins un capteur de position, et
- une utilisation dudit au moins un couple de référence pour déterminer un couple exercé par l'application d'une force.
De la même manière que précédemment, une mémorisation périodique des couples de référence permet, par différentiation lors de la détection de l'application d'une force, de déterminer les composantes du couple mesuré effectivement dues aux forces appliquées. On réalise ainsi également une mesure de variation du couple lors d'une détection de contact.
La mémorisation d'au moins un couple de référence peut être effectuée lors de la détection d'une approche par l'au moins un capteur de position.
Cette implémentation est possible avec un capteur de position sensible à l'approche d'un objet. Dans ce cas, on anticipe la survenance d'un contact en en mémorisant des couples de référence, lorsqu'un objet est détecté à proximité, pour déterminer le couple effectivement dû à la force lors du contact. On évite ainsi de devoir mémoriser des couples de référence pour tous les capteurs de couple en permanence.
-7Alternativement, la mémorisation d'au moins un couple de référence peut être effectuée en l'absence de détection (ou uniquement en l'absence de détection) d'une approche par l'au moins un capteur de position. Dans ce cas, lorsqu'une approche est détectée, la ou les valeurs de couple de référence mémorisées avant la détection de cette approche peuvent être conservées.
Cette configuration peut permettre de mémoriser des couples de référence plus précis ou représentatifs de la configuration du robot. En effet, suivant des modes de mise en œuvre du robot, lorsqu'on objet est détecté à proximité le robot ralentit pour limiter la force de collision avec l'objet, ou même change de trajectoire. Cela peut générer des accélérations importantes qui se traduisent par des valeurs transitoires de couple importantes, qui ne doivent pas être utilisées comme couples de référence.
Les couples dus à la masse du robot, son éventuelle charge et à la cinématique de ses déplacements peuvent être aussi estimés par calibration et/ou modélisation du robot. Dans ce cas, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape d'utilisation d'un couple de référence théorique ou calculé pour déterminer un couple exercé par l'application d'une force, par différence entre un couple mesuré et un couple de référence théorique.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de mesurer des forces et/ou des pressions appliquées à un robot comprenant des moyens agencés pour mettre en œuvre toute les étapes du procédé selon l'invention.
Selon encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour mesures des forces et/ou des pressions appliquées sur un robot, ledit dispositif comprenant :
- au moins un capteur, dit de position, agencé pour localiser au moins un contact, correspondant à une position, dite d'application, d'une force, sur au moins une partie de la surface du robot,
- au moins un capteur, dit de couple, agencé pour mesurer au moins un couple exercé sur une partie du robot suivant au moins un axe, dit de mesure, et
- un moyen de calcul agencé pour calculer ladite au moins une force, en fonction de l'au moins un couple mesuré, et de la localisation de l'au moins une position d'application relativement à l'au moins un axe de mesure.
Avantageusement, l'au moins un capteur de couple peut comprendre :
- un capteur de courant électrique et/ou de tension électrique prévu pour mesurer un courant électrique et/ou une tension électrique dans un actuateur ou un moteur au niveau d'une articulation du robot, ce qui permet d'obtenir une information sur le couple ou plus généralement l'effort exercé par l'actuateur, et/ou
- un capteur de couple prévu pour mesurer au moins un couple, suivant au moins un axe de mesure sensiblement confondu avec un axe de rotation d'une articulation du robot, et/ou
- un capteur de contrainte ou de couple statique prévu pour mesurer au moins une contrainte résultant en un couple suivant au moins un axe de mesure.
Suivant des modes de réalisation bien connus, le ou les capteurs de couple peuvent réaliser, par exemple, une mesure d'une force ou d'une contrainte (par exemple avec des jauges de contraintes) qui exerce un moment sur l'axe de mesure du capteur.
Le ou les capteurs de couple peuvent par ailleurs comprendre :
- un capteur de couple prévu pour mesurer un seul couple suivant un seul axe de mesure, et/ou
- un capteur de couple multiaxial pour mesurer au moins deux couples suivant deux axes de mesure différents.
L'au moins un capteur de position peut comprendre une ou une pluralité d'électrodes de détection capacitives prévues pour être disposées sur au moins une partie de la surface du robot et/ou sur une tête fonctionnelle dudit robot.
-9L'au moins un capteur de position peut comprendre en outre une électronique de détection apte à détecter un contact et/ou une approche d'un objet par mesure du couplage capacitif entre les électrodes de détection capacitives et ledit objet.
Ainsi, suivant les modes de mise en œuvre, l'invention peut comprendre un ou des capteurs de position aptes à détecter soit uniquement le contact, soit l'approche et le contact, d'un objet. Cela dépend de la sensibilité des capteurs, et surtout de leur électronique de détection. Suivant la capacité électrode-objet minimale mesurable par l'électronique, les capteurs de position ne pourront détecter que le contact, ou le contact et l'approche jusqu'à des distances de plusieurs centimètres ou dizaines de centimètres.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un robot comprenant :
- un dispositif selon l'invention, et/ou
- des moyens de mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Dans un mode de réalisation du robot selon l'invention, au moins un capteur de couple, en particulier chaque capteur de couple, peut être agencé au niveau d'une articulation.
Au moins un capteur de couple peut se trouver intégré au robot ailleurs qu'au niveau d'une articulation.
Suivant des modes de réalisation, le robot selon l'invention peut comprendre un bras articulé avec :
- au moins une articulation pourvue d'un capteur de couple, et
- au moins un capteur de position agencé sur une partie, en particulier la totalité, de la surface dudit robot.
Suivant des modes de réalisation, le robot selon l'invention peut comprendre en outre une tête fonctionnelle, ou une interface de fixation d'une tête fonctionnelle, équipée d'un capteur de couples avec plusieurs axes de mesure.
-10II peut également comprendre une tête fonctionnelle équipée d'au moins un capteur de position.
La tête fonctionnelle peut être équipée d'électrodes de détection capacitives, et/ou comprendre des parties utilisées comme électrodes de détection capacitive.
Suivant des modes de réalisation, le robot selon l'invention peut être de type humanoïde.
Bien entendu, le robot selon l'invention peut également être de tout autre type, tel qu'un robot médical, un véhicule autonome, ...
DESCRIPTION DES FIGURES ET MODES DE REALISATION
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'exemples de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la FIGURE 1 est une représentation schématique sous la forme d'un diagramme d'un exemple de réalisation non limitatif du procédé selon l'invention ;
- la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif selon l'invention équipant un robot ; et
- la FIGURE 3 est une représentation schématique de mise en œuvre du procédé de la FIGURE 1 dans le cadre d'une configuration d'un robot muni du dispositif de la FIGURE 2.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détail structurel, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer
-11un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple non limitatif du procédé selon l'invention.
Le procédé 100 est prévu pour être mis en œuvre dans un robot comprenant :
- au moins un capteur, dit de position, réalisant une détection de contact et/ou d'approche d'une force appliquée sur ledit robot, par exemple par un objet, et agencé sur au moins une partie de la surface dudit robot et/ou sur une tête fonctionnelle équipant ledit robot, et
- au moins un capteur, dit de couple, intégré au robot et agencé pour mesurer au moins un couple suivant au moins un axe, dit de mesure.
Le procédé 100 comprend une étape 102 de détermination d'une position (ou de plusieurs positions), dite d'application, d'une force (ou de plusieurs forces) par le ou les capteurs de positions. Cette, ou ces, force(s) peuvent être appliquée(s) par exemple par un ou des objet(s) externe(s) (ou un opérateur) qui touche(nt) la surface du robot.
Ensuite le procédé 100 comprend une étape 104 de mesure, par le ou les capteurs de couple, de couples selon un ou plusieurs axes de mesure. Ces couples sont, au moins en partie, généré par la force ou dus à l'application de la force.
Le procédé 100 comprend aussi une étape 106 de calcul de la ou des forces exercées sur le robot en fonction de la ou des positions d'application et des couples mesurés respectivement dans l'étape 102 et 104.
Le procédé 100 comprend également une étape optionnelle de mesure 108, par le ou les capteurs de couple, de couples de références en l'absence d'application de forces. Ces couples de référence sont mémorisés et par exemple soustraits aux couples mesurés en présence d'une force (étape 104).
La mesure des couples de référence peut être conditionnée à d'autres évènement qui permettent d'en améliorer l'efficacité.
-12Elle peut être par exemple effectuée lors de la détection d'une approche d'un objet ou d'un opérateur par le ou les capteurs de position, en prévision du contact. Lors d'une détection d'approche, pour prévenir une collision ou limiter son impact, il est en général prévu que le robot ralentisse, ou s'arrête, et/ou change de trajectoire. Dans ce cas, la mesure des couples de référence peut être effectuée à des instants où les accélérations sont minimales, pour éviter les erreurs dues aux couples transitoires. Il peut également être prévu que le robot s'arrête en cas de détection d'approche, ce qui permet notamment de mesurer les couples de référence dans les meilleures conditions.
La mesure des couples de référence peut également être effectuée en l'absence de détection d'approche, les valeurs de couple de référence étant mémorisées et inchangées en cas de détection d'approche, pour ne pas être perturbées par les manœuvres anti-collision (ralentissement, arrêt, changement de trajectoire) du robot.
Alternativement, le calcul de la force (étape 106) peut utiliser des couples de références théoriques obtenus par calibrage ou modélisation du robot.
En pratique, les étapes 102, 104 et 106 ne sont exécutées que lorsqu'un contact est détecté.
Ainsi, le procédé selon l'invention peut se dérouler de la manière suivante :
mesure périodique de couples de référence (en l'absence de force), étape 108 ;
si un contact est détecté, o localisation du point de contact correspondant à la position d'application d'une force (étape 102) ;
o mesure de couples en présence de la force (étape 104), et o calcul de la force (étape 106) ;
lorsque le contact disparaît, retour à la mesure périodique des couples de référence (étape 108), ou attente d'une autre détection de contact.
-13La FIGURE 2 est une représentation schématique d'un exemple non limitatif du dispositif selon l'invention.
Le dispositif 200 est prévu pour un robot 202 sous la forme d'un bras manipulateur comprenant deux articulations 204i et 2042 et une tête fonctionnelle 206 agencée sur l'effecteur du robot 202. La tête fonctionnelle 206 peut être un outil équipant ledit robot 202.
Le dispositif 200 comprend un capteur 208, dit de position, agencé sur une majeure partie de la surface du robot 202.
Dans le mode de réalisation présenté, ce capteur de position 208 est un capteur capacitif réalisé sous la forme d'une ou de plusieurs surfaces sensibles recouvrant au moins une partie des surfaces du robot. De tels capteurs capacitifs sont bien connus de l'homme du métier, aussi seules ses caractéristiques principales sont résumées ici.
Le capteur de position 208 comprend une pluralité d'électrodes capacitives 209 distribuées sur la surface du robot 202. Les électrodes capacitives sont reliées à une électronique de détection qui permet de mesurer la capacité entre les électrodes 209 et un objet à proximité ou en contact. La mesure de la capacité fournit une information sur la distance entre l'objet et les électrodes 209, ou s'il est en contact avec la surface sensible. La connaissance de la localisation des électrodes 209 pour lesquelles une mesure peut être obtenue fournir l'information de localisation de l'objet. L'électronique de détection peut par exemple comprendre un amplificateur de courant ou de charge qui permet de mesurer une capacité de couplage entre une électrode 209 et un objet en excitant l'électrode à un potentiel d'excitation et en mesurant le courant qui en résulte. Le potentiel d'excitation peut être également utilisé comme potentiel de garde pour polariser des éléments conducteurs ou un plan de garde afin de protéger les électrodes des couplages capacitifs parasites, par exemple avec le corps du robot. De même, une partie de l'électronique de détection comme par exemple l'amplificateur de charges peut être référencée à ce potentiel de garde pour améliorer encore la réjection des capacités de couplage parasites.
Un tel capteur de position 208 est en général mis en œuvre sur un robot 202 pour comme système anticollisions, pour réaliser une détection d'approche et/ou de contact et prévenir les collisions entre le robot et des
-14opérateurs ou d'autres éléments dans son environnement. Sa structure est très simple dans la mesure où les surfaces sensibles peuvent être réalisées par exemple avec un simple circuit imprimé double face, avec une face supportant les électrodes 209 et une face supportant un plan de garde.
Le dispositif 200 peut également comprendre un capteur de position 208 avec des électrodes sur la tête fonctionnelle 206, ou utilisant des surfaces conductrices de la tête fonctionnelle comme électrode capacitive.
Dans le cadre de l'invention, le ou les capteurs de position 208 sont utilisés pour déterminer une position P, dite d'application, à laquelle une force f est exercée sur le robot 202 (ou sur la tête fonctionnelle 206). Comme expliqué précédemment, les capteurs de position 208 ne sont pas sensibles à l'intensité de cette force, ce qui nécessiterait une structure beaucoup plus complexe.
Le dispositif 200 comprend en outre des capteurs de couple, qui sont prévus de manière habituelle, par exemple dans les bras robotisés, pour mesurer des couples au niveau des parties mobiles du robot ou de la tête fonctionnelle. Ces capteurs de couple sont utilisés notamment pour piloter les déplacements du robot 202, et limiter les forces exercées, en particulier pour des raisons de sécurité.
Dans l'exemple illustré, le dispositif 200 comprend en particulier deux capteurs de couple 214i et 2142 agencés respectivement dans les articulations 204i et 2042 du robot 202. Ces capteurs de couple 214 sont agencés pour mesurer des couples suivant des axes de mesure parallèles ou confondus avec les axes de rotation respectifs des articulations 204. Ces capteurs de couple peuvent être réalisées de toutes manières connues de l'homme du métier, par exemple avec des jauges de contraintes sur des corps d'épreuve, ou simplement en mesurant la puissance électrique (via le courant et/ou la tension) consommée par les actuateurs ou moteurs des articulations.
Dans la mesure où le robot 202 est mobile en rotation par rapport à une base grâce à un élément de rotation 205, le dispositif 200 peut comprendre en outre un capteur de couple de base 215 agencé au niveau de cet élément de rotation pour mesurer le couple en rotation. Ce capteur de couple de base 215 peut mettre en œuvre les mêmes technologies de mesure que les capteurs de couple 214 des articulations 204.
-15Le dispositif 200 peut comprendre aussi un capteur d'effort ou de couple 218 agencé sur la tête fonctionnelle 206, ou à l'interface entre la tête fonctionnelle 206 et le corps du robot, et prévu pour mesurer des efforts, tels que des couples, au niveau de ladite tête fonctionnelle 206. En général, ce capteur de couple 218 est un capteur multiaxes statique, qui mesure des couples ou des contraintes sans déplacement. Il peut comprendre par exemple des jauges de contraintes.
Dans le cadre de l'invention, les capteurs de couple sont utilisés pour mesurer des couples générés par la force/. En particulier, les capteurs de couples 214i et 2142 mesurent, respectivement, les couples m/ et générés par cette force/.
Le dispositif 200 comprend en outre un moyen de calcul 220, en général externe au robot 202, pour calculer la force /en fonction de la position d'application P mesurée par le capteur de position 208, et des couples, dont les couples AÏ/ et ÂÂ), mesurés par les capteurs de couple 214, et les couples fournis par les autres capteurs de couple de la base 215 et de la tête fonctionnelle 218 le cas échéant. Le moyen de calcul 220 peut comprendre par exemple un ordinateur ou un microcontrôleur.
Le dispositif 200 permet ainsi de déterminer la position d'application P et la force /, quelle que soit sa position sur la surface du robot 202 et/ou sur la tête fonctionnelle 206.
La FIGURE 3 est une représentation schématique de mise en œuvre du procédé 100 de la FIGURE 1 dans le cadre d'une configuration du robot 202 équipé du dispositif 200 de la FIGURE 2.
Pour une meilleure illustration de la mise en œuvre du procédé 100, le dispositif 200 n'est pas représenté sur la FIGURE 3 et le robot 202 est représenté par un schéma simplifié.
Pour ne pas alourdir inutilement les développements, seuls les capteurs de couples 214i et 2142 sont considérés.
Le robot 202 est dans une configuration définie par les angles θι et θ2 des articulations 204i et 2042, respectivement. Les angles θι et θ2 peuvent
-16être déterminés par exemple par des codeurs angulaires dans les articulations
2041 et 2042.
L'étape 102 détermine la position d'application P de la force f. La distance d2 de la force f par rapport à l'articulation 2042 la plus proche de la force f est donc déterminée. La distance di entre les articulations 204i et
2042 est une caractéristique également connue du robot 202, par exemple en utilisant un modèle géométrique de ce dernier.
L'étape 104 mesure les couples et ΛήΓ générés au niveau des articulations 204i et 2042.
Les couples et ΛήΓ sont générés par la force f par les relations suivantes :
= Ο±Ρ Λ f Af2 = O2P Λ f
Les segments ou les vecteurs Ô^P etojp sont définis de sorte à couper les axes de mesure respectifs des mesures de couples Mj et aux points or et 02, en étant perpendiculaires à ces axes de mesure. Les couples et s'expriment donc comme un produit vectoriel de ces segments et de la force fLes couples Mj et s'expriment en fonction des composants Â) et % de la force f comme suit :
d1 cos θ! + d2 œs θ2\ (fx\ d-ι sin θ! + d2 sin 02 / \fy) 'z = (w2C°S?b(r \d2sin02/ \fy
En conséquence, les composantes Â) et % respectivement suivant les
axes x et y s'expriment par les relations suivantes :
Mi = fyÇd-L cos θ! + d2 cos 02) —fx(d1 sinS-i + d2 sin 02) M2 = fy d2 cos θ2 - fx d2 sin θ2
L'étape 106 calcule les composantes Â) et fy de la force f par résolution du système d'équation (1).
Dans l'exemple présenté, qui est représentatif de bras robotisés existants, les axes de mesure des couples Mj et bT2 sont parallèles. Ils permettent de calculer deux composantes Â) et % de la force f suivant les
-17axes x et y d'un système de référence inclus dans un plan perpendiculaire à ces axes de mesure. En d'autres termes, on peut ainsi calculer une projection du vecteur force f dans ce plan.
Ce raisonnement peut être étendu à 3 dimensions. Ainsi, si l'on dispose d'au moins 3 capteurs de couple avec des axes de rotation disposés de telle sorte que la force f appliquée au point P ait une composante non-nulle dans le plan perpendiculaire à chacun de ces axes et sans intersection avec ces axes, on peut mesurer son amplitude et son orientation dans l'espace.
Ainsi, dans le cas du bras robotisé illustré à la FIGURE 2, en utilisant également le capteur de couple de base 215 dont l'axe de mesure est perpendiculaire aux axes de mesure des couples AÏ/ et ΛήΓ, on peut déterminer également la composante de la force suivant un axe z perpendiculaire aux axes x et y.
La meilleure sensibilité et uniformité de détection dans l'espace est bien entendu atteinte avec au moins trois axes de mesure du couple perpendiculaires entre eux.
Si le robot dispose de plus de capteurs de couple, la force peut bien entendu être déterminée avec plus de précision par des techniques de minimisation de fonctions d'erreur (moindres carrés, ...).
Cela est d'autant plus vrai lorsque l'opérateur manipule par exemple un outil en bout d'un bras robotisé 202, tel que la tête fonctionnelle 206. En outre, dans ce cas on peut aisément insérer un capteur de couple multi-axes 218 au niveau de la fixation de la tête fonctionnelle 206, tel qu'illustre à la FIGURE 2.
Une redondance en termes de mesures de couples peut être également utilisée pour détecter des défaillances, en cas par exemple de mesures incohérentes.
Il est à noter que dans la mesure où l'invention permet de mesurer le vecteur force, elle permet de déterminer la direction d'application d'une force f même si elle n'est pas perpendiculaire à la surface du robot au point d'application, ce qui est très difficile avec des capteurs de pression locaux.
-18L'invention permet ainsi de détecter et décrite tout type de force exercée sur le robot, y compris des forces tangentielles à la surface ou même de traction. Elle permet ainsi d'obtenir plus d'information qu'avec des capteurs de pression locaux.
Cette information peut être utilisée par exemple pour permettre des interactions riches entre un opérateur et un robot, par des commandes gestuelles, et/ou un guidage précis y compris en traction.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé (100) pour mesurer des forces et/ou des pressions appliquées sur un robot (202), mettant en œuvre :
    - au moins un capteur (208), dit de position, agencé pour localiser au moins un contact sur au moins une partie de la surface du robot (202), et
    - au moins un capteur (214i, 2142, 215, 218), dit de couple, agencé pour mesurer au moins un couple exercé sur une partie du robot suivant au moins un axe, dit de mesure, ledit procédé (100,400) étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - localisation (102), par ledit au moins un capteur de position, d'au moins un contact correspondant à une position, dite d'application, d'au moins une force,
    - mesure (104), par ledit au moins un capteur de couple (214i, 2142, 215, 218), d'au moins un couple suivant au moins un axe de mesure,
    - calcul (106) de ladite au moins une force, en fonction de l'au moins un couple mesuré, et de la localisation de l'au moins une position d'application relativement à l'au moins un axe de mesure.
  2. 2. Procédé (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de calcul de pression, en prenant en compte une étendue de la, ou des, surface(s) sur laquelle s'exerce ladite au moins une force.
  3. 3. Procédé (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la localisation de ladite au moins une position d'application relativement audit au moins un axe de mesure est déterminée en utilisant un modèle géométrique du robot.
  4. 4. Procédé (100) selon l'une des revendications précédentes, mettant en œuvre une pluralité de capteurs (214i, 2142, 215, 218) de couple avec des axes de mesure distincts, caractérisé en ce que l'étape de calcul (106) comprend une détermination d'au moins une composante spatiale de la force selon un axe de référence ou dans un plan de référence.
  5. 5. Procédé (100) selon l'une des revendications précédentes, mettant en œuvre au moins deux capteurs (214i, 2142) de couple configurés pour mesurer au moins deux couples suivant respectivement au moins un premier axe de mesure et un deuxième axe de mesure distincts et parallèles entre eux, caractérisé en ce que l'étape de calcul (106) comprend une détermination de deux composantes spatiales de la force dans un plan de référence perpendiculaire auxdits premiers et deuxièmes axes de mesure.
  6. 6. Procédé (100) selon la revendication précédente, mettant en œuvre en outre au moins un troisième capteur de couple (215) configuré pour mesurer un couple suivant un troisième axe de mesure, d'orientation différente des, ou perpendiculaire aux, premiers et deuxièmes axes de mesure, l'étape de calcul (106) comprend en outre une détermination d'une composante de la force suivant un axe de référence perpendiculaire au plan de référence.
  7. 7. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins un capteur de couple (214i, 2142, 215, 218), une étape de mesure d'une variation de couple lors d'une détection de contact par l'au moins un capteur de position (208), pour déterminer le couple exercé par l'application d'une force.
  8. 8. Procédé (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, pour au moins un capteur de couple (214i, 2142, 215, 218) :
    - une étape (108) de mémorisation d'au moins un couple de référence, mesuré en l'absence de détection de contact par l'au moins un capteur de position (208), et
    - une utilisation dudit au moins un couple de référence pour déterminer un couple exercé par l'application d'une force.
  9. 9. Procédé (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la mémorisation d'au moins un couple de référence est effectuée :
    - lors de la détection d'une approche par l'au moins un capteur de position (208) ; ou
    - en l'absence de détection d'une approche par l'au moins un capteur de position (208).
  10. 10. Dispositif (200) pour mesurer des forces et/ou des pressions appliquées sur un robot (202), caractérisé en ce qu'il comprend :
    - au moins un capteur (208), dit de position, agencé pour localiser au moins un contact, correspondant à une position, dite d'application, d'une force, sur au moins une partie de la surface du robot (202),
    - au moins un capteur (214i, 2142, 215, 218), dit de couple, agencé pour mesurer au moins un couple exercé sur une partie du robot (202) suivant au moins un axe, dit de mesure, et
    - un moyen de calcul (220) agencé pour calculer ladite au moins une force, en fonction de l'au moins un couple mesuré, et de la localisation de l'au moins une position d'application relativement à l'au moins un axe de mesure.
  11. 11. Dispositif (200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un capteur de couple comprend :
    - un capteur de courant électrique (214i, 2142, 215) et/ou de tension électrique prévu pour mesurer un courant électrique et/ou une tension électrique dans un actuateur ou un moteur au niveau d'une articulation (204, 205) du robot, et/ou
    - un capteur de couple (214i, 2142, 215) prévu pour mesurer au moins un couple, suivant au moins un axe de mesure sensiblement confondu avec un axe de rotation d'une articulation (204, 205) du robot, et/ou
    - un capteur de contrainte ou de couple statique (218) prévu pour mesurer au moins une contrainte résultant en un couple suivant au moins un axe de mesure.
  12. 12. Dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'au moins un capteur de position (208) comprend une ou une pluralité d'électrodes de détection capacitives (209) prévues pour être disposées sur au moins une partie de la surface du robot (202) et/ou sur une tête fonctionnelle (206) dudit robot (202).
  13. 13. Dispositif (200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un capteur de position (208) comprend en outre une électronique de détection apte à détecter un contact et/ou une approche d'un objet par mesure du couplage capacitif entre les électrodes de détection capacitives (209) et ledit objet.
  14. 14. Robot comprenant :
    - un dispositif (200) selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, et/ou
    - des moyens de mise en œuvre du procédé (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
  15. 15. Robot (202) selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un bras articulé avec :
    - au moins une articulation (204i, 2042, 205) pourvue d'un capteur de couple (214i, 2142, 215), et
    - au moins un capteur de position (208) agencé sur une partie, en particulier la totalité, de la surface dudit robot (202).
  16. 16. Robot (202) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une tête fonctionnelle (206), ou une interface de fixation d'une tête fonctionnelle (206), équipée d'un capteur de couple avec plusieurs axes de mesure (218).
  17. 17. Robot (202) selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une tête fonctionnelle (206) équipée d'au moins un capteur de position.
  18. 18. Robot selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce qu'il est de type humanoïde.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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MAGRINI EMANUELE ET AL: "Estimation of contact forces using a virtual force sensor", 2014 IEEE/RSJ INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTELLIGENT ROBOTS AND SYSTEMS, IEEE, 14 September 2014 (2014-09-14), pages 2126 - 2133, XP032676820, DOI: 10.1109/IROS.2014.6942848 *

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