FR3135640A1

FR3135640A1 - Procédé de comanipulation d’une pièce par un opérateur aidé par un partenaire robotique.

Info

Publication number: FR3135640A1
Application number: FR2204873A
Authority: FR
Inventors: Julie Dumora; Franck Geffard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2042-05-20
Also published as: FR3135640B1; WO2023222490A1

Abstract

L’invention concerne un procédé de comanipulation d’une pièce (1) par un opérateur (2) aidé par un partenaire robotique (3) comportant les étapes de munir le partenaire robotique d’un organe de préhension (4) monté libre en rotation selon au moins un axe vertical (Z) ou asservi pour simuler une telle liberté en rotation ; faire saisir une première extrémité de la pièce par l’organe de préhension ; puis, quand une deuxième extrémité de la pièce est saisie et déplacée par l’opérateur, asservir une position de l’organe de préhension le long d’une trajectoire prédéterminée en fonction d’une information angulaire de rotation de l’organe de préhension autour de l’axe vertical résultant d’une position angulaire imprimée à la pièce par l’opérateur. FIGURE DE L’ABREGE : [Fig. 1]

Description

Procédé de comanipulation d’une pièce par un opérateur aidé par un partenaire robotique.

L’invention concerne le domaine de la robotique et plus particulièrement celui de la cobotique.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Le transport de pièces longues ou encombrantes est problématique dans les ateliers ou chaînes de montage. On a proposé de faire transporter de telles pièces par un opérateur tenant la pièce à l’une de ses extrémités, un système mécanique robotisé (par exemple un bras robot à six axes conventionnel ou une structure prismatique) muni d’un organe de préhension tenant la pièce à l’autre de ses extrémités, faisant office de partenaire robotique. Toute la difficulté consiste à faire avancer la pièce vers sa destination sans lui imposer de sollicitations susceptibles de la déformer ou de l’endommager.

Une première méthode consiste à imposer des contraintes non-holonomes au partenaire robotique de sorte que ce dernier n’autorise que certains déplacements. Cette solution oblige l’opérateur à combiner une série de mouvements déterminés afin de suivre les seuls déplacements autorisés de la pièce.

Il a également été proposé de programmer le partenaire robotique en l’équipant d’une librairie d’assistances pour exécuter des mouvements collaboratifs prédéfinis. Les informations haptiques générées par l’opérateur lors de la manipulation de la pièce permettent une sélection en temps réel de l’assistance pertinente. Cependant, ce procédé n’est pas adapté au transport de grandes pièces fragiles, puisque des couples importants peuvent être appliqués soit par le partenaire robotique soit par l’opérateur sur la pièce, pouvant induire un dommage de la pièce.

Afin d’assurer de façon fluide le déplacement d’une pièce longue ou fragile, le partenaire robotique doit pouvoir participer activement à son mouvement pour éviter que l’opérateur et/ou le partenaire robotique n’applique des contraintes dommageables à la pièce. Dans le cas où la tâche de déplacement est connue et assez répétitive, une solution immédiate consiste à utiliser un partenaire robotique proactif qui anticipe les mouvements de l’opérateur et participe activement au partage des efforts. Le cadre le plus commun est alors une programmation par démonstration dont le but est d’apprendre la tâche de déplacement pour la reproduire. Cette solution permet une diminution des efforts générés par l’opérateur. Cependant, il est avéré que les opérateurs se sentent plus à l’aise avec un partenaire robotique au comportement sinon toujours identique, du moins très prévisible.

Dans le cas où la tâche de déplacement est seulement partiellement connue et peut subir divers évènements ou obstacles imprévus, une autre solution consiste dans la planification de mouvement à rétroaction. Cependant, cette solution requiert de connaître la dynamique inverse de la pièce pour calculer les forces et moments appliqués à la pièce conformément à la trajectoire planifiée. Ces informations sont difficiles à obtenir pour chaque pièce, dans un contexte industriel.

Il a été proposé de mettre en œuvre un mode de contrôle des efforts utilisant un capteur de force/couple placé au niveau du point de préhension de l’opérateur. Un inconvénient de cette méthode est le problème bien connu que l’instabilité due à la non–colocalisation des mesures est amplifiée, ce qui n’est pas favorable au transport de grandes pièces fragiles.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention vise à proposer un procédé de comanipulation de pièces permettant d’éviter l’application de couples sur la pièce par l’opérateur ou le partenaire robotique.

PRESENTATION DE L'INVENTION

En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé de comanipulation d’une pièce par un opérateur aidé par un partenaire robotique, comportant selon l’invention les étapes de :

munir le partenaire robotique d’un organe de préhension d’une première extrémité de la pièce qui est monté sur le partenaire robotique pour être mobile en rotation au moins selon un axe vertical, en étant mécaniquement réversible ou asservi pour simuler une liberté en rotation ;
faire saisir une première extrémité de la pièce par l’organe de préhension ;
puis, quand une deuxième extrémité de la pièce est saisie et déplacée par l’opérateur, asservir une position de l’organe de préhension le long d’une trajectoire prédéterminée en fonction d’une information angulaire de rotation de l’organe de préhension autour de l’axe vertical résultant d’une position angulaire imprimée à la pièce par l’opérateur.

Ainsi, le procédé de l’invention permet de transporter des pièces de grandes dimensions à l’aide de deux partenaires (Homme-Robot) qui appliquent uniquement des forces (et non des couples) tel que le ferait un binôme Homme-Homme. Afin que l’opérateur garde la maîtrise de l’avancée de la pièce le long de la trajectoire, l’opérateur est meneur du binôme et donc l’invention consiste à créer un partenaire robotique actif mais suiveur, de sorte que l’opérateur a l’impression d’avoir affaire à un partenaire robotique passif. L’avancement de l’opérateur provoque un petit débattement angulaire de la pièce et donc une rotation de l’organe de préhension autour de l’axe vertical qui est captée du côté du partenaire robotique, sans qu’il soit besoin de capteurs au niveau de l’opérateur. Cette information angulaire est alors utilisée selon l’invention pour commander le partenaire robotique pour faire avancer l’organe de préhension le long de la trajectoire de concert avec l’opérateur. L’opérateur n’a aucun besoin d’imposer un couple sur la pièce pour induire un effort sur l’organe de préhension afin de faire avancer le partenaire robotique.

Les principaux avantages sont les suivants :

la pièce peut être amenée à suivre des trajectoires quelconques et pas seulement des lignes droites ;
les pièces fragiles de grandes dimensions peuvent être manipulées sans appliquer de torsion sur la pièce et donc en préservant l’intégrité de la pièce (en évitant la casse ou la déformation);
l’ergonomie est améliorée en supprimant le ressenti de l’inertie du partenaire robotique au point de saisie opérateur ;
Il n’est pas nécessaire de disposer de capteurs côté opérateur, l’information angulaire étant générée du côté du partenaire robotique.

Selon un aspect particulier de l’invention, l’information angulaire est estimée par une différence entre une position angulaire de l’organe de préhension et une consigne de position angulaire.

De préférence, la consigne de position angulaire est une position angulaire absolue constante.

Par exemple, la consigne de position angulaire est une position angulaire absolue prédéfinie.

Par exemple, la consigne de position angulaire est prise égale à une position angulaire initiale de la pièce au début de son déplacement.

L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d’un mode particulier de réalisation de l’invention, en référence aux figures des dessins annexés, parmi lesquelles :

la est une vue de côté d’un bras robot servant de partenaire robotique à un opérateur pour comanipuler une pièce selon le procédé de l’invention ;

la est une vue de dessus du bras robot de la selon diverses positions lors du déplacement de la pièce sous l’initiative de l’opérateur ;

la est un schéma-bloc illustrant la façon dont le partenaire robotique des figures 1 et 2 est commandé selon l’invention ;

la est un schéma-bloc plus détaillé illustrant un mode particulier de mise en œuvre d’un asservissement du partenaire robotique selon le procédé de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En référence à la , l’invention s’applique à la comanipulation d’une pièce 1 par un opérateur 2 aidé par un partenaire robotique, en l’occurrence ici un bras robot 3 muni d’un organe de préhension 4 (par exemple une pince à deux doigts) qui est ici monté sur le poignet du bras robot de sorte que l’organe de préhension 4 soit en permanence gardé libre en rotation selon au moins un axe vertical Z. Pour ce faire, on pourra avantageusement commander le bras robot 3 de sorte à imposer en permanence un couple nul autour de l’axe Z. Si le bras robot est mécaniquement réversible, on pourra par exemple compenser les frottements. Sinon, on pourra utiliser des procédés connus de contrôle d’impédance pour simuler la liberté en rotation de l’organe de préhension 4.

La pièce 1 est ici longue et fragile, et il importe que ni l’opérateur 2 ni le bras robot 3 n’imposent de couple sur celle-ci risquant de la déformer, voire de l’endommager.

A la est illustré le déplacement de la pièce 1 depuis une position 1A jusqu’à une position 1D selon le procédé de l’invention. Lors de ce déplacement, l’organe de préhension 4 est astreint à se déplacer selon une trajectoire T prédéterminée. On a choisi ici de faire en sorte que la pièce 1 reste parallèle à elle-même pendant tout son déplacement. Ainsi, le bras robot 3 est asservi de sorte que l’orientation de la pièce 1 garde le plus possible l’orientation initiale qui est la sienne à la position 1A, et qui sert d’orientation de référence. Le principe du procédé de l’invention est le suivant. Supposons que, partant de la position 1A, la pièce 1 soit arrivée à la position 1B. Durant ce déplacement, le bras robot 3 est asservi de sorte que l’organe de préhension 4 se déplace selon la trajectoire T entre ces deux positions. Si l’opérateur 2 veut continuer à déplacer la pièce 1 en direction de la position finale 1D, il imprime un effort F à l’extrémité de la pièce 1 qu’il porte, et ce faisant, il provoque une légère rotation de la pièce d’un angle α par rapport à son orientation initiale (l’angle α a été exagéré sur la figure pour plus de compréhension). Cet angle α peut être mesuré par un capteur dédié au niveau de l’organe de préhension 4 ou encore estimé par exploitation des informations des capteurs du bras robot 3. Le bras robot 3 est alors asservi pour, en réponse à l’apparition de cet angle α, déplacer l’organe de préhension 4 selon la trajectoire T pour ramener cet angle α à 0, de sorte que la pièce 1 soit ramenée à son orientation initiale. C’est ainsi que le bras robot 3 s’est déplacé pour amener la pièce à la position 1C dans laquelle la pièce 1 a été ramenée parallèle à son orientation d’origine. Et ainsi de suite jusqu’à la position finale 1D.

Ainsi, bien que le bras robot 3 soit activement commandé, l’opérateur 2 conduit le mouvement, en forçant le bras robot 3 à réagir uniquement par l’intermédiaire d’une rotation de l’organe de préhension 4 imposée par l’opérateur 2. L’opérateur 2 est alors maître du déplacement, le bras robot 3 ne faisant que suivre le mouvement en corrigeant l’angle α détecté par un déplacement de l’organe de préhension le long de la trajectoire T. On remarquera que l’opérateur 2 et le bras robot 3 n’appliquent aucun couple à la pièce 1, mais uniquement des efforts comme le feraient deux opérateurs portant ensemble la pièce. Ces efforts appliqués provoquent le déplacement de la pièce 1, et puisqu’aucun couple n’est appliqué à celle-ci, le déplacement se produit sans générer de contraintes dans la pièce.

Comme cela est illustré à la , la mise en œuvre du procédé de l’invention suppose un asservissement du bras robot 3 présentant deux composants essentiels :

un module 5 de suivi de l’opérateur par compensation de l’orientation de la pièce le long de la trajectoire T, au moyen du déplacement de l’organe de préhension 4 le long de ladite trajectoire. L’orientation de la pièce 1 est essentiellement caractérisée par la mesure d’un angle de la pièce, que l’on peut déduire par exemple à l’aide d’un capteur de position angulaire de l’organe de préhension 4. A partir de cette mesure, on peut alors reconstituer soit un angle par rapport à une référence absolue, soit un angle dans un repère lié au bras robot 3;
un module 6 de suivi de la trajectoire T, qui contient la paramétrisation de la trajectoire T et qui génère des contraintes dans l’espace cartésien du bras robot 3 pour obliger celui-ci à suivre la trajectoire T en mode collaboratif.

Un exemple particulier de mise en œuvre de l’asservissement selon le procédé de l’invention est maintenant détaillé en référence au schéma-bloc de la . Sur cette figure se retrouve le bras robot 3 qui reçoit une commande en effort F, ainsi que le module de suivi de l’opérateur 5 et le module de suivi de la trajectoire 6 dont la sortie est précisément cette commande en effort F. De façon habituelle sur ce type de schéma-bloc, les cases rondes sont des additionneurs (++) ou des soustracteurs (+-) des données représentées par des flèches et qui aboutissent à ces cases, tandis que les cases rectangulaires sont des opérations sur ces données. Ici ces opérations sont des multiplications des données par le contenu de la case rectangulaire concernée, sauf la case contenant 1/s qui correspond à une opération d’intégration. Les données surmontées d’un point sont des dérivées temporelles.

Les symboles utilisés sur la sont les suivantes :

X : position cartésienne de l’organe de préhension 4 dans l’espace cartésien du bras robot 3, comprenant en particulier sa position angulaire;
X_d: consigne de position cartésienne, comprenant en particulier une consigne de position angulaire;
ε : erreur entre la consigne de position X_d et la position X de l’organe de préhension 4;
Kα : gain de correction en rigidité ;
Bα : gain de correction en amortissement ;
Fα : Effort de correction ;
Jα : Matrice de projection de l’effort de correction dans l’espace articulaire du mécanisme virtuel ;
τα : Couple de correction projeté ;
τ_c: Couple de couplage ;
τ_MV: Couple du mécanisme virtuel ;
L_MV: Modèle géométrique du mécanisme virtuel, dont les composantes de translation définissent le chemin contraint le long de la trajectoire T ;
J_MV: Jacobienne du mécanisme virtuel ;
q_MV : position dans l’espace articulaire du mécanisme virtuel, où la composante q_MV(0) est un paramètre curvilinéaire le long de la trajectoire T et les composantes qvm(1) à qvm(4) sont les composantes du quaternion définissant la position du mécanisme virtuel dans l’articulation sphérique ;
X_MV: position cartésienne du mécanisme virtuel : X_MV=L_MV(q_MV) ;
K : gain en rigidité de couplage avec le mécanisme virtuel ;
B : gain en amortissement de couplage avec le mécanisme virtuel ;
F : commande d’effort fourni au bras robot 3 ;

L’indice T appliqué à une matrice désigne la transposée de celle-ci et l’indice -1 désigne l’inverse de la matrice. Ainsi, la matrice (J^T _MV.B.J_MV)^-1est l’inverse de la matrice obtenue en faisant le produit de la transposée de la matrice J_MV, de la matrice B, et de la matrice J_MV.

Le module de suivi de l’opérateur 5 reçoit en entrée une erreur angulaire ε entre une position angulaire X de l’organe de préhension 4, et une consigne de position angulaire Xd (dans l’exemple de la , l’erreur angulaire ε correspond à l’angle α, tandis que la consigne Xd est constante et égale à la position angulaire initiale de la pièce 1). Les gains de correction Kα et Bα sont réglés en fonction de la rapidité avec laquelle le bras robot 3 doit suivre l’opérateur. L’effort de correction Fα est projeté pour obtenir le couple de correction projeté τα qui forme la sortie du module de suivi de l’opérateur 5 et qui est additionné au couple de couplage τ_cpour obtenir le couple τ_MVà fournir au mécanisme virtuel (MV) maintenant décrit.

Le module de suivi de trajectoire 6 comporte un module de mécanisme virtuel 7 et un module de couplage 8. Le module de mécanisme virtuel 7 assure le suivi de la trajectoire T au moyen d’un guide de déplacement virtuel. Ce guide est de préférence implémenté selon le concept du mécanisme virtuel, notamment développé dans la référence suivante : L. Joly and C. Andriot, “Imposing motion constraints to a force reflecting telerobot through real-time simulation of a virtual mechanism” dans IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 1,1995, pp. 357–362. La trajectoire T est de préférence implémentée dans le module de suivi de trajectoire 6 sous forme de splines, par exemple de type Akima. Ces splines définissent les composantes en translation du modèle géométrique L_MVdu mécanisme virtuel MV dont est déduite la jacobienne J_MV.

Le module de couplage 8 assure le couplage de l’organe de préhension 4 avec le mécanisme virtuel MV au moyen d’un système ressort/amortisseur de raideur K et de constante d’amortissement B grâce auquel l’organe de préhension 4 peut être facilement déplacé selon les degrés de liberté du mécanisme virtuel MV. Les constantes K,B sont réglées de sorte à éviter que l’organe de préhension 4 ne sorte de la trajectoire T. La sortie du module de couplage 8 est la commande d’effort F à fournir au bras robot 3.

Sur le bras robot 3, on mesure la position X de l’organe de préhension 4, permettant de connaître notamment la position de l’organe de préhension sur la trajectoire T et la position angulaire de la pièce 1. On remarquera qu’il n’est nul besoin de mesurer une position ou un angle au niveau de l’opérateur 2.

Bien entendu, ce qui vient d’être décrit concerne principalement un déplacement horizontal de la pièce 1 pendant lequel la pièce 1 est maintenue dans un plan sensiblement horizontal. Cependant, l’opérateur 2 ou le bras robot 3 peuvent être amenés à soulever ou baisser l’extrémité de la pièce qu’ils portent. Il importe alors que l’organe de préhension 4 soit également libre en rotation selon un axe horizontal, pour éviter l’imposition de tout couple à la pièce. En outre, la trajectoire T pourra comporter des composantes verticales et n’est donc pas nécessairement incluse dans un plan horizontal.

Le fait que la trajectoire T soit prédéterminée et que le bras robot 3 adopte toujours le même comportement lors des déplacements de pièces est psychologiquement important pour l’opérateur, qui peut alors anticiper les déplacements du bras robot 3 sans être surpris.

L’invention n’est pas limitée à ce qui vient d’être décrit, mais englobe au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.

En particulier, à la place du bras robot 3, on pourra utiliser comme partenaire robotique tout système mécanique robotisé possédant au moins trois degrés de liberté actionnés permettant de réaliser des translations (par exemple un porteur de robot à six axes conventionnel, ou trois axes prismatiques) à l’extrémité duquel se trouve au moins un degré de liberté en rotation (soit non actionné et équipé d’un capteur permettant de mesurer la position, soit un axe pivot actionné réversible ou piloté en effort nul) recevant l’organe de préhension.

Bien que dans l’exemple illustré, la consigne de position angulaire X_d(en l’occurrence ici l’orientation initiale de la pièce 1) soit ici gardée constamment égale à une orientation de référence absolue, on pourra dans le cadre de l’invention utiliser d’autres types de consignes de position angulaire. Par exemple, on peut utiliser comme consigne non pas une orientation constante dans l’espace comme dans l’exemple illustré, mais une orientation variable le long de la trajectoire T, par exemple une perpendiculaire à la trajectoire T déterminée à la position de l’organe de préhension sur la trajectoire T. On peut également, par exemple dans le cas où le déplacement de la pièce nécessite l’évitement d’un obstacle, modifier localement l’orientation de référence de la pièce pour lui faire éviter l’obstacle.

Claims

Procédé de comanipulation d’une pièce (1) par un opérateur (2) aidé par un partenaire robotique (3), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes de :
munir le partenaire robotique d’un organe de préhension (4) d’une première extrémité de la pièce qui est monté sur le partenaire robotique pour être mobile en rotation au moins selon un axe vertical (Z), en étant mécaniquement réversible ou asservi pour simuler une liberté en rotation ;

faire saisir une première extrémité de la pièce par l’organe de préhension ;

puis, quand une deuxième extrémité de la pièce est saisie et déplacée par l’opérateur, asservir une position de l’organe de préhension le long d’une trajectoire (T) prédéterminée en fonction d’une information angulaire de rotation (α;X) de l’organe de préhension autour de l’axe vertical résultant d’une position angulaire imprimée à la pièce par l’opérateur.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’information angulaire est estimée par une différence entre une position angulaire (X) de l’organe de préhension (4) et une consigne de position angulaire (X_d).
Procédé selon la revendication 2, dans lequel la consigne de position angulaire (X_d) est une position angulaire absolue constante.
Procédé selon la revendication 3, dans lequel la consigne de position angulaire (X_d) est une position angulaire absolue prédéfinie.
Procédé selon la revendication 4, dans lequel la consigne de position angulaire (X_d) est prise égale à une position angulaire initiale de la pièce (1) au début de son déplacement.
Procédé selon la revendication 2, dans lequel la consigne de position angulaire est variable le long de la trajectoire.
Procédé selon la revendication 6, dans lequel la consigne de position angulaire (X_d) est une perpendiculaire à la trajectoire (T) déterminée à la position de l’organe de préhension (4) sur la trajectoire (T).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’asservissement comporte un module de suivi de l’opérateur (5) et un module de suivi de la trajectoire (6).
Procédé selon la revendication 8 dans lequel le module de suivi de la trajectoire (6) comporte un module de mécanisme virtuel (7) mettant en œuvre un mécanisme virtuel (MV) définissant la trajectoire (T) sous forme de splines.
Procédé selon la revendication 9, dans lequel le module de suivi de trajectoire (6) comporte un module de couplage (8) qui assure le couplage de l’organe de préhension (4) avec le mécanisme virtuel (MV) au moyen d’un système ressort/amortisseur (B;K).