FR3145085A1 - Method and system for controlling a robotic system - Google Patents

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Abstract

Procédé de contrôle d’un système robotique esclave Procédé de contrôle d’un système robotique esclave par un système de commande maître comportant au moins un vibreur, dans lequel : - on détermine au moins une grandeur F fonction d’au moins une force et/ou au moins un couple exercé ou subi par le système robotique esclave lors de son interaction avec un environnement dans lequel il évolue ; - on calcule à partir de cette grandeur et d’une loi de commande prédéfinie un signal de retour vibratoire pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur ; - on pilote le vibreur en fonction de ce signal de manière à générer au moins trois niveaux correspondants d’intensité de vibration ressentie par l’utilisateur. Figure pour l’abrégé : Fig. 1Method for controlling a slave robotic system Method for controlling a slave robotic system by a master control system comprising at least one vibrator, in which: - at least one quantity F is determined as a function of at least one force and/ or at least one torque exerted or experienced by the slave robotic system during its interaction with an environment in which it operates; - we calculate from this quantity and a predefined control law a vibration feedback signal which can take at least three levels depending on the value of said quantity; - the vibrator is controlled according to this signal so as to generate at least three corresponding levels of vibration intensity felt by the user. Figure for abstract: Fig. 1

Description

Procédé et système de contrôle d’un système robotiqueMethod and system for controlling a robotic system

La présente invention concerne la télé-opération robotique.The present invention relates to robotic teleoperation.

La télé-opération robotique consiste à confier le contrôle d’un robot, dit « esclave », à un opérateur humain, au moyen d’un système de commande, dit « maître », ce dernier pouvant être un bras de télécommande ou un outil de capture de mouvement (« motion capture » en anglais) telle qu’une manette, entre autres dispositifs.Robotic teleoperation consists of entrusting control of a robot, called a "slave", to a human operator, by means of a control system, called a "master", the latter being able to be a remote control arm or a motion capture tool such as a joystick, among other devices.

Pour un certain nombre d’opérations en zones dangereuses (par exemple nucléaires), inaccessibles, ou dans des environnements complexes où une automatisation n’est pas rentable ou bien est difficilement envisageable, la télé-opération est une solution efficace.For a number of operations in hazardous (e.g. nuclear) or inaccessible areas, or in complex environments where automation is not cost-effective or is difficult to envisage, teleoperation is an effective solution.

La télé-opération à retour d’effort permet à l’opérateur d’évaluer les forces appliquées par le robot, lui permettant ainsi de mieux gérer de potentielles collisions, ou bien des efforts d’interaction attendus (pour de l’assemblage ou du parachèvement par exemple).Force feedback teleoperation allows the operator to evaluate the forces applied by the robot, thus enabling them to better manage potential collisions, or expected interaction forces (for assembly or finishing, for example).

La demande de brevet US 2017/0108929 et l’article Park et al. “A Tele-operation Interface with a Motion Capture System and a Haptic Glove” divulguent des systèmes de capture de mouvement à gant haptique, pour des applications de réalité virtuelle, avec un retour haptique sous forme de vibrations lorsque le système détecte que l’utilisateur vient en contact avec un objet virtuel.US Patent Application 2017/0108929 and the Park et al. article “ A Tele-operation Interface with a Motion Capture System and a Haptic Glove ” disclose haptic glove motion capture systems for virtual reality applications with haptic feedback in the form of vibrations when the system detects that the user is coming into contact with a virtual object.

Dans l’article Ju et al. “Teleoperation of Humanoid Baxter Robot Using Haptic Feedback”, un système de télé-opération utilisant un robot Baxter est proposé, qui comprend un retour haptique permettant une manipulation dite bilatérale du système de télé-opération. Cet article présente une stratégie de contrôle position-position avec retour de force où le bras du robot esclave se déplace en fonction du mouvement du maître. Une méthode de cartographie des espaces de travail est proposée, facilitant la possibilité de faire correspondre les limites de l'espace de travail du maître et l'esclave. Un algorithme assure la précision et la transformation de position entre maître et esclave. Un algorithme de rendu haptique est conçu pour l'interaction de retour haptique.In the paper Ju et al. “ Teleoperation of Humanoid Baxter Robot Using Haptic Feedback ”, a teleoperation system using a Baxter robot is proposed, which includes haptic feedback enabling so-called bilateral manipulation of the teleoperation system. This paper presents a position-position control strategy with force feedback where the slave robot arm moves according to the master’s motion. A workspace mapping method is proposed, facilitating the possibility of matching the master and slave workspace boundaries. An algorithm ensures the accuracy and position transformation between master and slave. A haptic rendering algorithm is designed for haptic feedback interaction.

Un système de capture de mouvement réactif qui combine un système de capture de mouvement à retour haptique et un environnement virtuel à échelle humaine est proposé dans l’article Choi et al. “A Development and Evaluation of Reactive Motion Capture System with Haptic Feedback”.A reactive motion capture system that combines a haptic feedback motion capture system and a human-scale virtual environment is proposed in the paper Choi et al. “ A Development and Evaluation of Reactive Motion Capture System with Haptic Feedback ”.

L’article Pacchierotti et al. “Teleoperation of Steerable Flexible Needles by Combining Kinesthetic and Vibratory Feedback” présente un système de télé-opération pour diriger des aiguilles chirurgicales flexibles, dans lequel des vibrations sur un bras de télécommande maître servent à indiquer une direction d’orientation de l’aiguille dans le repère du système esclave. Le système de télé-opération proposé suit la position de l'aiguille à l'aide d'un système d'imagerie par ultrasons et calcule la position et l'orientation idéales de l'aiguille pour atteindre une cible donnée. Une interface haptique fournit ensuite au clinicien des repères de navigation mixtes kinesthésiques et vibratoires pour guider l'aiguille vers l’orientation et la position idéale calculées.The article Pacchierotti et al. “ Teleoperation of Steerable Flexible Needles by Combining Kinesthetic and Vibratory Feedback ” presents a teleoperation system for steering flexible surgical needles, in which vibrations on a master remote control arm are used to indicate a needle orientation direction in the slave system coordinate system. The proposed teleoperation system tracks the needle position using an ultrasound imaging system and calculates the ideal needle position and orientation to reach a given target. A haptic interface then provides the clinician with mixed kinesthetic and vibratory navigation cues to guide the needle to the calculated ideal orientation and position.

La revue Springer Girbés-Juan et al. “Combining haptics and inertial motion capture to enhance remote control of a dual-arm robot” divulgue un système de télé-opération bimanuel avec un bras de télécommande à retour d’effort.The Springer journal Girbés-Juan et al. “ Combining haptics and inertial motion capture to enhance remote control of a dual-arm robot ” discloses a bimanual teleoperation system with a force-feedback remote control arm.

La demande de brevet US 2006/0290662 divulgue un système de retour haptique avec différentes formes de vibrations. Une grande variété de types d'actionneurs peut être utilisée pour fournir des vibrations synchronisées, y compris des actionneurs linéaires, des actionneurs rotatifs, des actionneurs à masse excentrique rotative et des actionneurs à masse oscillante. Un contrôleur peut envoyer des signaux à un ou plusieurs circuits de pilotage pour diriger le fonctionnement des actionneurs. Le contrôleur peut fournir une commande de direction et d'amplitude, une commande de vibration et une commande de fréquence pour diriger l'expérience haptique. Des paramètres tels que la fréquence, la phase, l'amplitude, la durée et la direction peuvent être programmés ou entrés sous forme de différents modèles adaptés à une utilisation dans les jeux, la réalité virtuelle et les situations du monde réel.US Patent Application 2006/0290662 discloses a haptic feedback system with different vibration patterns. A wide variety of actuator types can be used to provide synchronized vibration, including linear actuators, rotary actuators, rotating eccentric mass actuators, and oscillating mass actuators. A controller can send signals to one or more driver circuits to direct the operation of the actuators. The controller can provide direction and amplitude control, vibration control, and frequency control to direct the haptic experience. Parameters such as frequency, phase, amplitude, duration, and direction can be programmed or input as different patterns suitable for use in gaming, virtual reality, and real-world situations.

Le brevet US 8 190 292 traite d’un retour de force haute fréquence dans un système télé-opération robotique où le dispositif de commande maître reçoit une information de force ou de vitesse. Le contrôleur du système télé-robotique est caractérisé par la combinaison d'informations à haute fréquence avec des informations de position ou de vitesse à basse fréquence. Le contrôleur est utile pour les télé-opérations avec ou sans retard entre les canaux de communication des dispositifs maître et esclave.US Patent 8,190,292 relates to high frequency force feedback in a robotic teleoperation system where the master controller receives force or velocity information. The controller of the telerobotic system is characterized by combining high frequency information with low frequency position or velocity information. The controller is useful for teleoperations with or without delay between the communication channels of the master and slave devices.

Les systèmes existants laissent l’opérateur inconscient de l’intensité des efforts qu’il applique avec le robot sur son environnement, ce qui crée une difficulté lors de la télé-opération de celui-ci.Existing systems leave the operator unaware of the intensity of the efforts he applies with the robot on its environment, which creates a difficulty during its teleoperation.

Il existe donc un besoin pour faciliter la télé-opération des systèmes robotiques et l’invention répond à cet objectif en proposant, selon l’un de ses aspects, un procédé de contrôle d’un système robotique esclave par un système de commande maître comportant au moins un vibreur, dans lequel :There is therefore a need to facilitate the remote operation of robotic systems and the invention meets this objective by proposing, according to one of its aspects, a method of controlling a slave robotic system by a master control system comprising at least one vibrator, in which:

- on détermine au moins une grandeur F fonction d’au moins une force Ftranset/ou d’au moins un couple Trotexercé ou subi par le système robotique esclave lors de son interaction avec un environnement dans lequel il évolue ;- at least one quantity F is determined as a function of at least one force F trans and/or at least one torque T rot exerted or undergone by the slave robotic system during its interaction with an environment in which it operates;

- on calcule à partir de cette grandeur F et d’une loi de commande prédéfinie un signal de retour vibratoire pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur F ;- from this quantity F and a predefined control law, a vibration feedback signal is calculated which can take at least three levels depending on the value of said quantity F;

- on pilote le vibreur en fonction de ce signal de retour vibratoire de manière à générer des vibrations avec un niveau correspondant d’intensité ressentie par l’utilisateur.- the vibrator is controlled based on this vibration feedback signal so as to generate vibrations with a corresponding level of intensity felt by the user.

L’invention permet de délivrer une information de force à l’utilisateur, à savoir l’intensité de vibration ressentie, en utilisant ladite grandeur F pour moduler l’intensité des vibrations générées, selon la loi de commande prédéfinie. Le ressenti vibratoire de l’utilisateur peut prendre selon l’amplitude de la grandeur F au moins trois niveaux perçus différemment par l’utilisateur, ce qui facilite la télé-opération du système esclave. Il ne s’agit donc pas d’un ressenti binaire, vibreur activé ou non, mais d’un ressenti pouvant varier en amplitude entre des valeurs minimale et maximale avec au moins un niveau intermédiaire.The invention makes it possible to deliver force information to the user, namely the intensity of vibration felt, by using said quantity F to modulate the intensity of the vibrations generated, according to the predefined control law. The vibratory feeling of the user can take, depending on the amplitude of the quantity F, at least three levels perceived differently by the user, which facilitates the remote operation of the slave system. It is therefore not a binary feeling, vibrator activated or not, but a feeling that can vary in amplitude between minimum and maximum values with at least one intermediate level.

L’invention peut permettre de communiquer à l’opérateur un effort ou un contact concernant le système robotique esclave en quelques dizaines de millisecondes, alors qu’un retour d’effort bilatéral est en général contraint à des temps de réponse plus élevés.The invention can make it possible to communicate to the operator an effort or contact concerning the slave robotic system in a few tens of milliseconds, whereas bilateral effort feedback is generally constrained to higher response times.

De préférence, le signal de retour vibratoire est capable de prendre un grand nombre de valeurs, notamment plus de trois valeurs, par exemple 2nvaleurs, où n désigne le nombre de bits sur lesquels ce signal est codé. Le vibreur peut être commandé avec autant d’intensités différentes que de valeurs du signal de retour vibratoire, mais on peut aussi avoir des paliers de commande du vibreur pour des plages respectives de valeurs du signal de retour vibratoire ; le nombre de modes de fonctionnement différents du vibreur, correspondant à autant de paliers de commande, peut ainsi être compris entre 2n/50 et 2n, par exemple. Chaque mode de fonctionnement du vibreur correspond avantageusement à un niveau d’intensité ressentie différent de tout autre mode.Preferably, the vibration feedback signal is capable of taking a large number of values, in particular more than three values, for example 2 n values, where n denotes the number of bits on which this signal is coded. The vibrator can be controlled with as many different intensities as there are values of the vibration feedback signal, but it is also possible to have control levels of the vibrator for respective ranges of values of the vibration feedback signal; the number of different operating modes of the vibrator, corresponding to as many control levels, can thus be between 2 n /50 and 2 n , for example. Each operating mode of the vibrator advantageously corresponds to a level of intensity felt different from any other mode.

Pour faire varier le niveau d’intensité ressentie, on peut faire varier l’amplitude vibratoire du vibreur, à fréquence constante ou variable, et/ou la durée pendant laquelle le vibreur est en marche par unité de temps. Par exemple, au moins trois niveaux d’intensité ressentie différents peuvent correspondre à un niveau nul (sans vibration), un niveau maximal où le vibreur fonctionne à 100% du temps sur une période de 1s et au moins un niveau intermédiaire où le vibreur fonctionne par exemple entre 20% et 80% du temps sur une période de 1s, par exemple à 50%, en alternant des périodes de fonctionnement de 250 ms et des périodes de repos de 250 ms.To vary the level of intensity felt, the vibratory amplitude of the vibrator, at constant or variable frequency, and/or the duration during which the vibrator is operating per unit of time can be varied. For example, at least three different levels of intensity felt can correspond to a zero level (without vibration), a maximum level where the vibrator operates 100% of the time over a period of 1 s and at least one intermediate level where the vibrator operates for example between 20% and 80% of the time over a period of 1 s, for example at 50%, alternating operating periods of 250 ms and rest periods of 250 ms.

Ainsi, dans des exemples de réalisation, le pilotage du vibreur s’effectue en modulant sa durée de fonctionnement pendant une période de temps donnée, cette modulation provoquant une modulation de l’intensité vibratoire ressentie par l’utilisateur. On a par exemple un pilotage de type PWM (modulation du rapport cyclique).Thus, in exemplary embodiments, the vibrator is controlled by modulating its operating time over a given period of time, this modulation causing a modulation of the vibration intensity felt by the user. For example, there is PWM type control (duty cycle modulation).

De préférence, la loi de commande comporte une zone morte dans laquelle aucune vibration n’est déclenchée tant que ladite grandeur F n’excède pas un seuil de déclenchement prédéfini. Cela limite le risque d’un déclenchement intempestif du vibreur.Preferably, the control law includes a dead zone in which no vibration is triggered as long as said quantity F does not exceed a predefined triggering threshold. This limits the risk of an untimely triggering of the vibrator.

La loi de commande comporte préférentiellement une zone de saturation à partir de laquelle l’image par cette loi de la grandeur F ne croît plus ou croît de moins en moins avec la grandeur F de manière à atteindre un plafond prédéfini même lorsque ladite grandeur F continue d’augmenter. La zone de saturation peut être choisie en fonction d’un seuil de force ou de couple exercé ou subi par le robot au-delà duquel la connaissance par l’opérateur de l’amplitude de la force ou du couple n’est plus aussi utile pour la télé-opération que des valeurs plus faibles.The control law preferably includes a saturation zone from which the image by this law of the quantity F no longer increases or increases less and less with the quantity F so as to reach a predefined ceiling even when said quantity F continues to increase. The saturation zone can be chosen according to a threshold of force or torque exerted or undergone by the robot beyond which the operator's knowledge of the amplitude of the force or torque is no longer as useful for teleoperation as lower values.

La loi de commande peut être une fonction de type ReLu ou sigmoïde, entre autres fonctions possibles, présentant de préférence une pente relativement raide, qui peut être ajustée de manière à donner un maximum de variation d’amplitude de vibration ressentie par l’utilisateur pour une plage de force ou de couple donnée.The control law may be a ReLu or sigmoid type function, among other possible functions, preferably having a relatively steep slope, which can be adjusted to give a maximum variation in vibration amplitude felt by the user for a given force or torque range.

De préférence, ladite grandeur F est donnée par la somme pondérée des normes des composantes de force Ftranset de couple Trot: |.Preferably, said quantity F is given by the weighted sum of the norms of the components of force F trans and torque T rot : |.

Le système robotique peut comporter un actionneur, tel qu’une pince, et , Lpinceétant une dimension caractéristique de la pince, notamment la longueur du bras de levier de la pince, qui peut correspondre sensiblement à la longueur des branches de la pince.The robotic system may include an actuator, such as a gripper, and , L clamp being a characteristic dimension of the clamp, in particular the length of the lever arm of the clamp, which can correspond substantially to the length of the branches of the clamp.

La dimension caractéristique de la pince peut être du même ordre de grandeur que les dimensions de l’objet manipulé.The characteristic dimension of the clamp can be of the same order of magnitude as the dimensions of the object manipulated.

Dans un mode de réalisation, , ce qui n’empêche pas de garder un ressenti cohérent avec les efforts rencontrés par le système esclave.In one embodiment, , which does not prevent maintaining a feeling consistent with the efforts encountered by the slave system.

L’intensité vibratoire ressentie maximale est préférentiellement ,cétant un coefficient de mise à l’échelle, la loi de commande étant de préférence calibrée de telle sorte que l’intensité maximale soit ressentie quand ladite grandeur F atteint une valeur Fmaxprédéfinie.The maximum vibration intensity felt is preferentially , c being a scaling coefficient, the control law being preferably calibrated such that the maximum intensity is felt when said quantity F reaches a predefined value F max .

Le système de commande maître peut comporter un système de capture de mouvement de l’utilisateur, le vibreur équipant alors par exemple un dispositif de télécommande sous la forme d’une manette appelée « contrôleur », indépendante, manipulée par l’utilisateur, les mouvements de cette manette étant détectés par exemple optiquement et/ou à l’aide d’une centrale inertielle ou d’un accéléromètre intégré à celle-ci.The master control system may include a user movement capture system, the vibrator then equipping, for example, a remote control device in the form of a joystick called a “controller”, independent, manipulated by the user, the movements of this joystick being detected, for example, optically and/or using an inertial unit or an accelerometer integrated therein.

Alternativement, le système de commande maître comporte un bras de télécommande maître ou un gant haptique.Alternatively, the master control system includes a master remote control arm or a haptic glove.

Dans un mode de réalisation, en cas de détection d’un signal de commande de couplage provenant d’une action de l’utilisateur sur une interface, par exemple un bouton présent sur la manette ou le bras précité, on réinitialise la position de consigne du système robotique esclave à sa position courante.In one embodiment, in the event of detection of a coupling control signal originating from a user action on an interface, for example a button present on the aforementioned joystick or arm, the set position of the slave robotic system is reset to its current position.

Système de contrôle et installation de télé-opérationControl system and teleoperation installation

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de contrôle à relier à un système de commande comportant un système de capture du mouvement de l’utilisateur équipé d’un vibreur, le système de contrôle étant destiné à commander un système robotique esclave, le système de contrôle étant configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention tel que défini plus haut, et étant agencé pour :
- déterminer au moins une grandeur F fonction d’au moins une force Ftranset/ou d’au moins un couple Trotexercé ou subi par le système robotique esclave lors de son interaction avec l’environnement dans lequel il évolue ;
- calculer, à partir de cette grandeur F et d’une loi de commande prédéfinie un signal de retour vibratoire, pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur;
- piloter le vibreur en fonction de ce signal, de manière à générer des vibrations avec un niveau correspondant d’intensité ressentie par l’utilisateur.
The invention also relates, according to another of its aspects, to a control system to be connected to a command system comprising a user movement capture system equipped with a vibrator, the control system being intended to control a slave robotic system, the control system being configured to implement the method according to the invention as defined above, and being arranged to:
- determine at least one quantity F as a function of at least one force F trans and/or at least one torque T rot exerted or undergone by the slave robotic system during its interaction with the environment in which it operates;
- calculate, from this quantity F and a predefined control law, a vibrational feedback signal, which can take at least three levels depending on the value of said quantity;
- control the vibrator according to this signal, so as to generate vibrations with a corresponding level of intensity felt by the user.

L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation de télé-opération comportant le système de contrôle selon l’invention le système de commande comportant le vibreur, et le système robotique esclave.The invention also relates, according to another of its aspects, to a teleoperation installation comprising the control system according to the invention, the control system comprising the vibrator, and the slave robotic system.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :The invention may be better understood by reading the detailed description which follows, non-limiting examples of its implementation, and by examining the attached drawing, in which:

La est une vue schématique d’un exemple d’installation de télé-opération selon l’invention ; et There is a schematic view of an example of a teleoperation installation according to the invention; and

la illustre graphiquement des exemples de lois de commande. there graphically illustrates examples of control laws.

Description détailléeDetailed description

On a illustré schématiquement à la un exemple d’installation de télé-opération 1 selon l’invention.We have illustrated schematically in the an example of a teleoperation installation 1 according to the invention.

Cette installation 1 comporte un système de commande 2 et un système robotique esclave 3 opéré à distance par le système de commande 2 via un système de contrôle 4.This installation 1 comprises a control system 2 and a slave robotic system 3 operated remotely by the control system 2 via a control system 4.

Système robotiqueRobotic system

Le système robotique esclave 3 peut être tout robot, par exemple un bras robotique à six axes, ou à tout autre nombre d’articulations.The slave robotic system 3 can be any robot, for example a six-axis robotic arm, or any other number of joints.

Le système robotique esclave 3 peut être équipé de tout actionneur, effecteur ou mécanisme de préhension. Il comprend par exemple, comme illustré, une pince 5 pouvant servir d’organe de préhension.The slave robotic system 3 may be equipped with any actuator, effector or gripping mechanism. For example, as illustrated, it includes a gripper 5 that can serve as a gripping member.

Le système robotique 3 est équipé de capteurs de force et/ou de couple qui permettent de mesurer la force exercée ou subie par le système robotique sur son environnement. Le système robotique 3 comporte par exemple des capteurs qui permettent de mesurer la force de serrage de la pince 5. Il peut comporter également des capteurs de couple au niveau des articulations, qui permettent de connaître les forces exercées ou subies par les différents segments du bras.The robotic system 3 is equipped with force and/or torque sensors that make it possible to measure the force exerted or experienced by the robotic system on its environment. The robotic system 3 comprises, for example, sensors that make it possible to measure the clamping force of the gripper 5. It may also comprise torque sensors at the joints, which make it possible to know the forces exerted or experienced by the different segments of the arm.

Système de commandeControl system

Le système de commande 2 sert à contrôler le système robotique 3 à distance via le système de contrôle 4.The control system 2 is used to control the robotic system 3 remotely via the control system 4.

Il comporte un système 25 de capture de mouvement manipulé par l’utilisateur.It features a user-operated motion capture system 25.

Ce système de capture 25 peut comporter une manette, comme illustré.This capture system 25 may include a controller, as illustrated.

La manette peut intégrer une centrale inertielle et/ou un système de détection optique ou radiofréquence permettant de détecter sa position et ses mouvements lorsque manipulée par l’utilisateur. Des manettes adaptées, telles que celles commercialisées sous la marque HTC VIVE ou HP existent sur le marché, qui intègrent une ou plusieurs caméras permettant de détecter des mouvements de la manette au sein de leur environnement ; d’autres systèmes existent qui comportent une ou plusieurs caméras à poste fixe et des marqueurs lumineux sur la manette, qui sont détectés par cette ou ces caméras.The controller may integrate an inertial unit and/or an optical or radiofrequency detection system to detect its position and movements when manipulated by the user. Adapted controllers, such as those marketed under the HTC VIVE or HP brand, exist on the market, which integrate one or more cameras to detect movements of the controller within their environment; other systems exist which include one or more fixed cameras and light markers on the controller, which are detected by this or these cameras.

Le système de commande 2 peut encore comporter un bras de télécommande, par exemple du type joystick ou bras de télémanipulation.The control system 2 may also include a remote control arm, for example of the joystick or remote control arm type.

L’invention n’est pas limitée à un système de commande particulier et celui-ci peut se présenter par exemple sous une forme différente, par exemple de gant porté par l’utilisateur.The invention is not limited to a particular control system and it may be presented for example in a different form, for example a glove worn by the user.

Le système de capture de mouvement comporte un vibreur 20. Ce vibreur 20 comprend par exemple un moteur et une masselotte formant un balourd. Le vibreur peut encore être piézoélectrique ou tout autre dispositif électromécanique.The motion capture system comprises a vibrator 20. This vibrator 20 comprises, for example, a motor and a weight forming an unbalance. The vibrator may also be piezoelectric or any other electromechanical device.

Système de contrôleControl system

Le système de contrôle 4 comprend :

  • une chaîne aller qui permet d’envoyer au robot les informations de commande :
    • un module de mise en forme 200 qui reçoit des informations relatives au mouvement et/ou à la position du système de capture 25,
    • un module opérationnel 201 recevant du module de mise en forme 200 des données traitées relatives à la manipulation du système de capture, ainsi qu’une information de couplage Co,
    • un module de pilotage 202 recevant du module opérationnel 201 des informations relatives aux actions à effectuer par le robot, dont une consigne de position Xcons.
  • une chaîne retour qui permet d’assurer le pilotage du vibreur 20, et qui comprend :
    • un module de traitement 300, et
    • un module de conversion 301.
Control system 4 includes:
  • a go string that allows you to send the command information to the robot:
    • a shaping module 200 which receives information relating to the movement and/or position of the capture system 25,
    • an operational module 201 receiving from the formatting module 200 processed data relating to the manipulation of the capture system, as well as coupling information Co,
    • a control module 202 receiving from the operational module 201 information relating to the actions to be carried out by the robot, including a position instruction X cons .
  • a return chain which allows the control of the vibrator 20, and which includes:
    • a 300 processing module, and
    • a 301 conversion module.

Ces modules correspondent à des fonctionnalités du système de contrôle 4 qui peuvent être réalisées par tout système informatique adapté, comportant par exemple un ou plusieurs micro-ordinateurs et/ou microcontrôleurs et/ou circuits spécialisés, ainsi que toutes interfaces nécessaires.These modules correspond to functionalities of the control system 4 which can be carried out by any suitable computer system, comprising for example one or more microcomputers and/or microcontrollers and/or specialized circuits, as well as all necessary interfaces.

Plusieurs modules peuvent correspondre à des blocs d’un programme exécuté sur une même entité matérielle.Several modules can correspond to blocks of a program executed on the same hardware entity.

Le système de contrôle 4 est représenté sur la figure comme un bloc distinct du système de commande 2, mais tout ou partie du système de contrôle peut le cas échéant être intégré à la manette ou autre système de capture 25 utilisé.The control system 4 is shown in the figure as a separate block from the control system 2, but all or part of the control system may, if necessary, be integrated into the controller or other capture system 25 used.

Le module 200 reçoit du système de capture 25 des informations de position ou de vitesse de celui-ci, en l’espèce sa position courante Xtracker. Ces données subissent une calibration, de façon connue en soi, afin de faire correspondre à des déplacements donnés du système de capture 25 des déplacements correspondants voulus du robot 3.The module 200 receives from the capture system 25 information on the latter's position or speed, in this case its current X tracker position. This data undergoes calibration, in a manner known per se, in order to match given movements of the capture system 25 with the desired corresponding movements of the robot 3.

Le module 201 reçoit du système de capture 25 une information de couplage Co ; cette information peut être une information binaire, générée par exemple par un appui sur un bouton de couplage. Par exemple, si l’information Co est vraie, ce qui correspond à l’absence d’appui sur le bouton de couplage par exemple, l’information de position Xtrackercalibrée est traitée par le module 201 qui émet la consigne Xcons. Cette consigne Xconsest transmise au module de contrôle robotique 202 qui fait en sorte que le robot 3 suive ces instructions.The module 201 receives from the capture system 25 a coupling information Co; this information can be a binary information, generated for example by pressing a coupling button. For example, if the information Co is true, which corresponds to the absence of pressing the coupling button for example, the calibrated tracker X position information is processed by the module 201 which emits the instruction X cons . This instruction X cons is transmitted to the robotic control module 202 which ensures that the robot 3 follows these instructions.

Si Co est faux, ce qui correspond par exemple à l’appui sur le bouton de couplage, la position de consigne du robot 3 est repositionnée sur la position courante du système de capture 25, ce qui peut permettre de relâcher les efforts de contact de façon rapide et intuitive. En effet, au contact, des efforts sont générés lorsque la position de consigne se voit déplacée au-delà de la surface de contact, la rigidité du contrôle (la composante ‘ressort’) induisant alors une force d’interaction. En réinitialisant cette position, les efforts sont alors annulés (du moins, dans le cas des matériaux rigides). Cette fonctionnalité offre une possibilité rapide de réinitialiser un contact lorsque l’opérateur n’est plus en mesure d’évaluer la direction des efforts d’interaction (qui ne sont pas représentés par le retour vibratoire).If Co is false, which corresponds for example to pressing the coupling button, the setpoint position of the robot 3 is repositioned to the current position of the capture system 25, which can allow the contact forces to be released quickly and intuitively. Indeed, upon contact, forces are generated when the setpoint position is moved beyond the contact surface, the rigidity of the control (the ‘spring’ component) then inducing an interaction force. By resetting this position, the forces are then cancelled (at least in the case of rigid materials). This functionality offers a quick possibility of resetting a contact when the operator is no longer able to evaluate the direction of the interaction forces (which are not represented by the vibration feedback).

Les informations de force transmises par les capteurs du système robotique 3 au module 300 sont relatives à au moins une force Ftranset/ou couple de torseur Trotexercé ou subi par le système robotique 3, notamment un torseur d’effort sur la pince 5, lors de son interaction avec l’environnement.The force information transmitted by the sensors of the robotic system 3 to the module 300 relates to at least one force F trans and/or torque T rot exerted or undergone by the robotic system 3, in particular a force torque on the gripper 5, during its interaction with the environment.

Ces données sont traitées par le module 300, notamment pour les filtrer, car les capteurs de force et/ou couple articulaires du robot peuvent émettre des données bruitées.These data are processed by the module 300, in particular to filter them, because the robot's joint force and/or torque sensors can emit noisy data.

Le signal filtré est ensuite converti en une valeur scalaire par le module de conversion 301.The filtered signal is then converted into a scalar value by the conversion module 301.

Ce module 301 calcule à l’étape 31 une grandeur F fonction d’au moins la force Ftranset/ou d’au moins le couple de torseur Trot, puis calcule à l’étape 32 à partir de cette grandeur F et d’une loi de commande prédéfinie un signal de retour vibratoire.This module 301 calculates in step 31 a quantity F which is a function of at least the force F trans and/or at least the torque T rot , then calculates in step 32 from this quantity F and a predefined control law a vibration feedback signal.

Ce signal de retour vibratoire est traité à l’étape 33 pour être transformé en un signal de commande pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur F, de manière à générer au moins trois niveaux correspondants d’intensité de vibration ressentie par l’utilisateur, F étant exprimée par :This vibration feedback signal is processed in step 33 to be transformed into a control signal capable of taking at least three levels depending on the value of said quantity F, so as to generate at least three corresponding levels of vibration intensity felt by the user, F being expressed by:

. .

Il est préférable de fixer α=1 et d’adapter β en fonction des dimensions de la pince 5 (qui conditionne les couples ressentis lors des contacts). On a par exemple , Lpinceétant la longueur de bras de levier de la pince.It is preferable to set α=1 and to adapt β according to the dimensions of the clamp 5 (which conditions the torques felt during contacts). For example, we have , L clamp being the lever arm length of the clamp.

Ensuite, la valeur scalaire F est mise à l’échelle par un coefficient c égal à avec l’intensité vibratoire ressentie maximale, et la norme de force maximale estimée comme étant pertinente à distinguer (au-delà de , la saturation bloque la vibration à son intensité maximale). Ce coefficient c reflète notamment la sensibilité du retour haptique et l’ordre de grandeur des efforts que l’on cherche à exprimer.Then the scalar value F is scaled by a coefficient c equal to with the maximum felt vibrational intensity, and the maximum force standard considered to be relevant to distinguish (beyond , saturation blocks the vibration at its maximum intensity). This coefficient c reflects in particular the sensitivity of the haptic feedback and the order of magnitude of the efforts that we seek to express.

La loi de commande peut être une fonction d’activation, de type Rectified Linear Unit (ReLu) ou sigmoïde, en fonction du ressenti recherché.The control law can be an activation function, of the Rectified Linear Unit (ReLu) or sigmoid type, depending on the desired feeling.

Plusieurs exemples de fonctions ReLu et sigmoïde sont donnés à la .Several examples of ReLu and sigmoid functions are given in .

Les graphes représentent en ordonnées la durée de pulsation haptique, qui peut correspondre à la durée d’activation du vibreur, par exemple en µs en fonction de la grandeur F, par exemple exprimée en N, les valeurs numériques indiquées étant purement indicatives et pouvant être autres selon les applications.The graphs represent on the ordinate the duration of the haptic pulsation, which can correspond to the duration of activation of the vibrator, for example in µs depending on the quantity F, for example expressed in N, the numerical values indicated being purely indicative and may be different depending on the applications.

La première ligne de graphes illustre une fonction ReLu, la deuxième ligne une sigmoïde, la troisième ligne une sigmoïde raide, et la quatrième ligne une sigmoïde plate.The first line of graphs illustrates a ReLu function, the second line a sigmoid, the third line a steep sigmoid, and the fourth line a flat sigmoid.

La première colonne représente chacune de ces fonctions avec une zone morte 50 et une zone de saturation 60.The first column represents each of these functions with a dead zone of 50 and a saturation zone of 60.

La deuxième colonne représente la fonction ReLu sans la zone de saturation.The second column represents the ReLu function without the saturation region.

La troisième colonne représente la fonction ReLu sans zone morte ni de saturation et les autres fonctions sigmoïde sans la zone morte.The third column represents the ReLu function without dead zone or saturation and the other sigmoid functions without the dead zone.

La zone morte 50 correspond à une plage de valeurs de la grandeur F dans laquelle aucune vibration n’est déclenchée tant que ladite grandeur F n’excède pas un seuil de déclenchement prédéfini Fmin.The dead zone 50 corresponds to a range of values of the quantity F in which no vibration is triggered as long as said quantity F does not exceed a predefined trigger threshold F min .

La zone de saturation 60 correspond à une plage de valeurs de la grandeur F à partir de laquelle la durée de pulsation haptique ne croît plus ou croît de moins en moins de manière à rester inférieure à un plafond prédéfini même lorsque ladite grandeur F continue d’augmenter.The saturation zone 60 corresponds to a range of values of the quantity F from which the haptic pulsation duration no longer increases or increases less and less so as to remain below a predefined ceiling even when said quantity F continues to increase.

On peut adapter un gain global du système de contrôle (en gardant la saturation) pour ressentir des efforts faibles et des variations d’efforts plus subtiles. On peut augmenter le gain et introduire un décalage par rapport à zéro dans la fonction d’activation pour obtenir un ressenti de variations faibles pour des valeurs de forces plus élevées.One can adapt an overall gain of the control system (keeping the saturation) to feel low efforts and more subtle variations of efforts. One can increase the gain and introduce an offset from zero in the activation function to obtain a feeling of low variations for higher force values.

Au-delà de la modification du gain, l’opérateur peut aussi apprendre à jauger des équivalences entre intensité vibratoire et effort réel. En pratique, cela est assez intuitif, il suffit par exemple de manipuler un objet flexible connu pendant un court instant en observant visuellement ses déformations.Beyond the gain modification, the operator can also learn to gauge equivalences between vibration intensity and real effort. In practice, this is quite intuitive; for example, it is enough to manipulate a known flexible object for a short time while visually observing its deformations.

Le signal ainsi obtenu en sortie du module de conversion 301 est transmis au vibreur 20, donnant à l’opérateur un retour des efforts appliqués sur la pince 5.The signal thus obtained at the output of the conversion module 301 is transmitted to the vibrator 20, giving the operator feedback on the forces applied to the clamp 5.

Le vibreur 20 procure un niveau d’intensité ressentie non binaire telle que 0 ≤ .Vibrator 20 provides a non-binary level of felt intensity such that 0 ≤ .

Par exemple, quand la pince 5 ne sert aucun objet, le vibreur 20 reste inactif. Quand la pince 5 applique le maximum de serrage, la vibration ressentie est maximale. Quand le couple de serrage est intermédiaire, le niveau de vibration ressentie par l’utilisateur est intermédiaire.For example, when the clamp 5 is not serving any object, the vibrator 20 remains inactive. When the clamp 5 applies the maximum tightening, the vibration felt is maximum. When the tightening torque is intermediate, the level of vibration felt by the user is intermediate.

L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, et peut être appliquée à la détection de collisions de n’importe quelle partie du système robotique esclave en équipant le système robotique de capteurs de couples articulaires, à l’opposé de robots esclaves équipés de capteurs de force sur l’effecteur où seules les forces appliquées par l’effecteur sont détectées.
The invention is not limited to the exemplary embodiments described above, and can be applied to the detection of collisions of any part of the slave robotic system by equipping the robotic system with joint torque sensors, unlike slave robots equipped with force sensors on the effector where only the forces applied by the effector are detected.

Claims (12)

Procédé de contrôle d’un système robotique esclave (3) par un système de commande maître (2) comportant au moins un vibreur (20), dans lequel :
- on détermine (31) au moins une grandeur F fonction d’au moins une force Ftranset/ou d’au moins un couple Trotexercé ou subi par le système robotique esclave (3) lors de son interaction avec un environnement dans lequel il évolue ;
- on calcule (32) à partir de cette grandeur F et d’une loi de commande prédéfinie un signal de retour vibratoire pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur F ;
- on pilote (33) le vibreur (20) en fonction de ce signal de retour vibratoire, de manière à générer des vibrations avec un niveau correspondant d’intensité ressentie par l’utilisateur.
Method for controlling a slave robotic system (3) by a master control system (2) comprising at least one vibrator (20), in which:
- at least one quantity F is determined (31) as a function of at least one force F trans and/or at least one torque T rot exerted or undergone by the slave robotic system (3) during its interaction with an environment in which it operates;
- we calculate (32) from this quantity F and a predefined control law a vibrational feedback signal which can take at least three levels depending on the value of said quantity F;
- the vibrator (20) is controlled (33) as a function of this vibration feedback signal, so as to generate vibrations with a corresponding level of intensity felt by the user.
Procédé selon la revendication précédente, la loi de commande comportant une zone morte dans laquelle aucune vibration n’est déclenchée tant que ladite grandeur F n’excède pas un seuil de déclenchement prédéfini (Fmin).Method according to the preceding claim, the control law comprising a dead zone in which no vibration is triggered as long as said quantity F does not exceed a predefined triggering threshold (F min ). Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, la loi de commande comportant une zone de saturation à partir de laquelle l’image par cette loi de la grandeur F ne croît plus ou croît de moins en moins avec la grandeur F de manière à atteindre un plafond prédéfini même lorsque ladite grandeur F continue d’augmenter.Method according to one of the two preceding claims, the control law comprising a saturation zone from which the image by this law of the quantity F no longer increases or increases less and less with the quantity F so as to reach a predefined ceiling even when said quantity F continues to increase. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la loi de commande étant une fonction de type ReLu ou sigmoïde.Method according to any one of the preceding claims, the control law being a ReLu or sigmoid type function. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le pilotage du vibreur (2) s’effectuant en modulant sa durée de fonctionnement pendant une période de temps donnée, cette modulation provoquant une modulation de l’intensité vibratoire ressentie par l’utilisateur.Method according to any one of the preceding claims, the control of the vibrator (2) being carried out by modulating its operating time during a given period of time, this modulation causing a modulation of the vibratory intensity felt by the user. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, ladite grandeur F étant donnée par la somme pondérée des normes des composantes de force Ftranset de couple Trot: |.Method according to any one of the preceding claims, said quantity F being given by the weighted sum of the norms of the components of force F trans and of torque T rot : |. Procédé selon la revendication précédente, le système robotique esclave (3) comportant un actionneur, tel qu’une pince (5), et , Lpinceétant une dimension caractéristique de la pince.Method according to the preceding claim, the slave robotic system (3) comprising an actuator, such as a gripper (5), and , L clamp being a characteristic dimension of the clamp. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’intensité vibratoire ressentie maximale étant ,cétant un coefficient de mise à l’échelle, la loi de commande étant de préférence calibrée de telle sorte que l’intensité maximale soit ressentie quand ladite grandeur F atteint une valeur Fmaxprédéfinie.A method according to any preceding claim, the maximum felt vibration intensity being , c being a scaling coefficient, the control law being preferably calibrated such that the maximum intensity is felt when said quantity F reaches a predefined value F max . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système de commande maître (2) comportant un système (25) de capture de mouvement de l’utilisateur.Method according to any one of the preceding claims, the master control system (2) comprising a system (25) for capturing user movement. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel en cas de détection d’un signal de commande de couplage provenant d’une action de l’utilisateur sur une interface, on réinitialise la position de consigne du système robotique esclave (3) à sa position courante.Method according to any one of the preceding claims, in which in the event of detection of a coupling control signal originating from a user action on an interface, the set position of the slave robotic system (3) is reset to its current position. Système de contrôle (4) à relier à un système de commande (2) comportant un système (25) de capture du mouvement de l’utilisateur équipé d’un vibreur (20), le système de contrôle (4) étant destiné à commander un système robotique esclave (3), le système de contrôle (4) étant configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et étant agencé pour :
- déterminer (31) au moins une grandeur F fonction d’au moins une force Ftranset/ou d’au moins un couple Trotexercé ou subi par le système robotique esclave (3) lors de son interaction avec l’environnement dans lequel il évolue ;
- calculer (32), à partir de cette grandeur F et d’une loi de commande prédéfinie, un signal de retour vibratoire pouvant prendre au moins trois niveaux en fonction de la valeur de ladite grandeur ;
- piloter (33) le vibreur (20) en fonction de ce signal de manière à générer des vibrations avec un niveau correspondant d’intensité ressentie par l’utilisateur.
Control system (4) to be connected to a control system (2) comprising a system (25) for capturing the movement of the user equipped with a vibrator (20), the control system (4) being intended to control a slave robotic system (3), the control system (4) being configured to implement the method according to any one of the preceding claims and being arranged to:
- determine (31) at least one quantity F as a function of at least one force F trans and/or at least one torque T rot exerted or undergone by the slave robotic system (3) during its interaction with the environment in which it operates;
- calculate (32), from this quantity F and a predefined control law, a vibrational feedback signal which can take at least three levels depending on the value of said quantity;
- control (33) the vibrator (20) according to this signal so as to generate vibrations with a corresponding level of intensity felt by the user.
Installation (1) de télé-opération comportant le système de contrôle (4) selon la revendication précédente, le système de commande (2) comportant le vibreur (20) et le système robotique esclave (3).Teleoperation installation (1) comprising the control system (4) according to the preceding claim, the control system (2) comprising the vibrator (20) and the slave robotic system (3).
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