WO2006059039A1 - Interface haptique a cables - Google Patents

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WO2006059039A1
WO2006059039A1 PCT/FR2005/051009 FR2005051009W WO2006059039A1 WO 2006059039 A1 WO2006059039 A1 WO 2006059039A1 FR 2005051009 W FR2005051009 W FR 2005051009W WO 2006059039 A1 WO2006059039 A1 WO 2006059039A1
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platform
actuator
interface according
push rod
cables
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PCT/FR2005/051009
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English (en)
Inventor
Alain Riwan
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Priority to JP2007543888A priority patent/JP2008521733A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G05G9/04737—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks with six degrees of freedom
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20012—Multiple controlled elements
    • Y10T74/20201—Control moves in two planes

Definitions

  • the invention relates to the control interfaces of a system, real or virtual, which provide a feedback, for example information representative of a resistance effort encountered by the system (force feedback) or a other information relating to this system.
  • a feedback for example information representative of a resistance effort encountered by the system (force feedback) or a other information relating to this system.
  • An interface of this type is called a haptic interface.
  • the invention relates to an interface for controlling a haptic system
  • a haptic system comprising a base, a platform spaced from the base, at least two cables each having a first end attached to the platform and a second end connected to a pulling actuator capable of exerting traction on the cable, pushing means mounted on the base via a hinge and comprising a push rod having a first end in contact with the platform and a second end connected to a pushing actuator which pushes the push rod towards the platform, the actuators exerting on the platform representative forces of information relating to the system.
  • Platforms are known arranged between two bases to which they are connected by cables.
  • a haptic interface comprising an active part constituting a handle intended to be handled by an operator and in which is mounted a motion sensor for controlling a system and one or more pieces of Feedback mounted on the active and mobile part in relation to it.
  • the operator receives feedback in part of his hand.
  • Such a system does not use the Stewart platform principle. Indeed, the actuators of the cables used to transmit the feedback to the platform are not used to control the system. On the contrary, a separate motion sensor is used. The travel of the platform is very small given the small dimensions of the handle. In addition, the actuators of the cables of the platform are not mounted on the fixed part, constituting a base, but on a remote support connected to the handle by sliding cables. in sheaths. This results in friction efforts that are inadmissible given the weakness of the forces involved.
  • US 4, 666, 362 is a manipulator comprising a base and a platform spaced from the base for attaching a tool or the like. Cables connect the base to the platform. A central mast takes up the traction force exerted on the cables by engines mounted on the base. Such a device does not constitute a haptic interface. Indeed it does not allow to control a system, nor to receive feedback of this system. The efforts to be transmitted in an application of this type are much more important than in a haptic interface. The cable transmission technique is therefore not suitable.
  • the subject of the invention is an active interface which overcomes the disadvantages of the prior art. It should increase the controllable working space of conventional cable platforms and the operator's entry of the platform without interference with the cables. In addition, it must be of a simple embodiment in order to be manufactured at a low cost. Finally, it must optimize the rotational movement.
  • the platform constitutes a control organ.
  • the interface of the invention retains the advantages of simplicity and low inertia and, consequently, wide bandwidth of the platforms from Stewart.
  • the actuators whether actuators pulling cables or actuator pushing the push rod, transmit both the control signal to the system and the feedback of this system.
  • the controllable working space is extended beyond the fixing points of the cables on the base.
  • each actuator comprises a sensor capable of delivering a signal representative of the length of the cable which is fixed thereto and the thrust means comprise a sensor capable of delivering a signal representative of the distance between the end of the rod of thrust in contact with the platform and their articulation on the base, all of these signals being used to control the system.
  • the pushing actuator is constituted by a pulling actuator which exerts traction on a cable and by a movement inversion mechanism which transforms the traction of the cable into a thrust force on the thrust rod.
  • the same technology can be used for all actuators, whether they are the cable actuators or the thrust rod actuator.
  • the cable actuators guarantee low cost and low inertia of the transmission system.
  • the motion reversal mechanism comprises a muffle. The muffle reduces the required torque of the thrust rod actuator.
  • the movement reversal mechanism is housed in a jack.
  • the thrust rod actuator can be mounted on this jack or it can be mounted on the base.
  • the actuator of the push rod is placed below the articulation of the thrust means.
  • This arrangement allows static balancing of the thrust means by a distribution of masses on either side of the joint.
  • the thrust means are articulated on the platform by means of a cardan.
  • the push rod has a longitudinal axis which is substantially concurrent in the center of the gimbal. More preferably, the end of the push rod is in contact with the platform and articulated on the latter by means of a ball joint.
  • the platform is advantageously made so that its center is coincident with the center of the patella so that the grip of the hand of an operator is in the center of the patella.
  • the interface of the invention can have six degrees of freedom.
  • it comprises six cables which are advantageously divided into three pairs of cables fixed two by two at the ends of a triangle on the platform.
  • FIG. 1 is a perspective view of a haptic interface according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view, similar to Figure 1, the interface being shown in a different position.
  • FIG. 3 to 6 illustrate four different embodiments of the thrust means
  • - Figure 7 is a schematic sectional view of an embodiment of the thrust means comprising springs on the cables.
  • the haptic interface shown in Figures 1 and 2 comprises a base designated by the general reference 2.
  • the base consists of a rectangular frame having two long sides 4 and two short sides 6.
  • Horizontal arms referenced respectively 8, 10, 12, 14, 16 and 18 are attached to the rectangular frame.
  • Each of these arms is pierced with a through hole 22 constituting a cable guide.
  • an arm 20 attached to one of the long side 4, of shorter than the other six arms protrudes into the frame. It is pierced with a through hole 23 constituting a cable guide.
  • the interface comprises a platform 24.
  • the platform 24 has the shape of a sphere but it goes without saying that this embodiment is not imperative and that other shapes are also conceivable.
  • Rods 26 are attached to the sphere 24.
  • Two cables 32 are attached to the end 30 of each of the rods 26 (only two cables have been shown in Figures 1 and 2 for the sake of simplicity).
  • the cables 32 pass through the passage holes 22 at the ends of the arms 8 to 18 and wind on a pulley 34 of an actuator 36 driven by an electric motor.
  • Each actuator is provided with a sensor shown schematically by the rectangle 38 in FIGS. 1 and 2.
  • Each cable makes it possible to measure the position of the axis of the motor and thus to deduce the length of the cable.
  • the sphere 24 is articulated to the end of a push rod 40 by a ball joint 42.
  • the center of the ball 42 coincides with the center of the sphere 24.
  • a rotation of the platform 24 results in a minimal displacement of the end of the rods 26 and therefore of each of the six cables 32.
  • the decision of the The hand of an operator who actuates the platform 24 is thus in the center of the articulation of the platform on the ball 42.
  • the rigid push rod 40 is connected to a pushing actuator whose function is to balance the pulling force exerted by the six actuators pulling 36 on the platform. 24 through each of the six cables 32.
  • a Stewart platform with n degrees of freedom has n + 1 cables.
  • a platform with six degrees of freedom has seven cables. Since the cables can only transmit a pulling force, the controllable workspace, ie the volume in which an arbitrary effort torsor can be generated on the platform, is limited to polyhedral volume passing through the attachment points of the cables on the base.
  • the pushing actuator can be realized in many different ways. It can be a hydraulic or pneumatic cylinder or a ball screw. In the exemplary embodiment shown, it consists of a pulling actuator 44 and a movement reversal mechanism.
  • the movement reversal mechanism is constituted by a bracket 48 articulated on the base 2 by means of a cardan.
  • the lower end of the stem pivots about an axis XX with respect to a structure 50 in the shape of a large U itself pivotally mounted about an axis YY on one of the long sides 4 of the base 2.
  • the axes XX and YY which are perpendicular to each other, intersect at the center of the cable guide hole 23 of the arm 20.
  • Two parallel sliding rods 52 are slidably mounted to the upper end of the stem 48. At their lower ends, the two sliding rods 52 carry an axis 53 on which is mounted a pulley 54.
  • the two rods 52 are connected by a cross member 56.
  • a cable 58 is wound at its lower end on a pulley (not visible in Figures 1 and 2) of the actuator 44.
  • the cable 58 passes in the cable guide 23 of the arm 20, then on a first pulley 60 mounted at the top of the gallows, then on the second pulley 54 mounted on the axis 53 connecting the two lower ends of the sliding rods 52. Finally one end of the cable 58 is fixed to the upper part of the bracket 48.
  • FIG. 2 shows another position of the haptic interface of FIG. 1.
  • the platform 24 has been displaced with respect to the position it occupies in FIG. U-shaped 50 rotated around its axis YY articulation and that on the other hand, the bracket 48 has pivoted about its hinge axis XX on the support 50.
  • the platform 24 has rotated about its axis of rotation ZZ constituted by the rod thrust 40 (see Figure 3).
  • the two guide rods 52 have been moved upwards.
  • the lengths of the cables 32 connecting the ends 30 of the rods 26 to the orifices 22 of the arms 8, 10, 12, 14, 16 and 18 have varied.
  • the sensors 38 associated with each of the peripheral actuators 36 and the central actuator 44 record the different variations of the cables and transmit a magnitude representative of these variations to a calculator which calculates the new position of the platform 24. This new position allows to order a real or virtual system.
  • the actuators 36 and the central actuator 44 receive information. This information can be a feedback of effort encountered by the system or other information. This feedback is used by the actuators 36 in order to exert traction on the cables 32 and 58 so as to make the operator, whose hand is placed on the platform 24, a representative sensation of the effort encountered.
  • a haptic cable interface has thus been realized with a parallel structure, in which the platform 24 constitutes both the control member and the member through which the feedback is carried out.
  • This interface has a low inertia because of the simplicity of the cable transmission mechanism, which gives it a wide bandwidth.
  • cable transmission is well suited to an application of this type in which the efforts to be transmitted are low.
  • FIGS. 3 to 6 show various alternative embodiments of the movement reversal means and the attachment of the actuator 44 of the push rod 40.
  • the movement reversal means consist of simply by a return pulley 60 of the cable 58 whose end 65 is fixed to the lower portion 67 of the push rod 40.
  • the upper end 69 of the push rod 40 is integral with a ball joint 42 on which is articulated platform 24.
  • the platform 24 is constituted such that the center of the grip of an operator's hand coincides with the center of the ball 42 in this manner, the interface minimizes the movement of the cables when the platform is rotated relative to the ball 42.
  • the pulley 60 is mounted on the inner wall of a cylinder 70 which constitutes a cable jack.
  • the push rod 40 slides on a Reach 72 of the cylinder 70.
  • the actuator 44 of the push rod is mounted at the bottom of the cylinder.
  • the lower end of the jack is hinged to the base 2 via a universal joint 74 shown schematically.
  • the realization of this gimbal may be similar to that which has been described in Figures 1 and 2.
  • the motion reversal means do not comprise muffle. Consequently, the actuator 44 must be powerful enough to balance without a reduction factor the tension exerted on the cables 32 by each of the other six pulling actuators 36.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the motion reversal means. They comprise a first pulley 60 mounted on an inner wall of the cylinder 70 and a second pulley 54 mounted on an axis perpendicular to the lower end 67 of the push rod 40. The end 77 of the cable 58 is fixed on an upper wall The actuator 44 is housed entirely within the cylinder 70. In addition, the lower end of the jack 70 is hinged to the base 2 by a universal joint 74 shown schematically, in the same manner as for the embodiment of FIG.
  • the movement reversal means constitute a muffle which makes it possible to reduce the traction force required on the cable 68 by dividing by a factor 2. In this way, the power of the actuator 44 can be divided by two. On the other hand, for the same displacement in translation of the push rod 40, the actuator 44 must wind or unroll a length of double cables.
  • FIG. 5 shows a third variant embodiment of motion reversal means. They comprise a large diameter pulley 80 mounted in the jack 70. Two pulleys 60 are fixed on the inner wall of the cylinder 70. A fourth pulley 54 is mounted at the lower end 67 of the push rod 40. The cable 58 of the pulling actuator 44 is connected to the axis of rotation of the large diameter pulley 80.
  • the mechanism comprises a second closed cable 82 which passes respectively on the pulleys 80, 60 and 54.
  • the actuator 44 is mounted at the lower end of the cylinder 70 but is located below the gimbal 74 by which the cylinder 70 is articulated on the base 2. As a result, the actuator 44 performs a static balancing of the thrust means . In this embodiment the masses are better balanced on either side of the axis of the hinge constituted by the universal joint 74, the mass of the actuator 44 partially balancing the mass of the rest of the thrust means.
  • FIG. 6 a fourth embodiment of the thrust means.
  • the actuator 44 is mounted on the base 2 instead of being fixed to the lower part of the jack 70, as in the modes of previous realization.
  • the cable 58 of the actuator 44 passes over a pulley 60 secured to the inner wall of the cylinder 70 and on a pulley 54 mounted on an axis of rotation perpendicular to the lower end 67 of the push rod 40. muffle, comparable to that of the embodiments of Figures 4 and 5, which allows to divide by two the pulling force to exert on the cable 58.
  • FIG. 7 an alternative embodiment of the thrust means of Figure 3. This variant is identical to that of Figure 3 at any point, with the exception of the presence of compression springs 92 mounted around cables 32 of the pulling actuators 36. Each coil spring 92 is caught between a lower bearing surface 94 integral with the base 2 and an upper bearing surface 96 integral with the platform 24. The presence of the springs 92, in balancing the tensile force exerted on the cables 32, reduces the force imposed on the central actuator 44. It also helps to materialize a central rest position.

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Abstract

L'interface haptique comprend une base (2), une plate-forme (24) espacée de la base (2), au moins 5 deux câbles (32) ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant (36) apte à exercer une traction sur le câble (32). Des moyens de poussée sont montés sur la base (2) par l'intermédiaire d'une articulation 10 (50). Ils comprennent une tige de poussée (40) ayant une première extrémité en contact avec la plate-forme (24) et une seconde extrémité reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée (40) vers la plate-forme (24). Les actionneurs (36, 44) exercent sur 15 la plate-forme des forces représentatives d'une information relative à un système. La plate-forme (24) constitue un organe de commande.

Description

INTERFACE HAPTIQtJE A CABLES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQtJE
L'invention se rapporte aux interfaces de commande d'un système, réel ou virtuel, qui fournissent un retour d'information, par exemple une information représentative d'un effort de la résistance rencontrée par le système (retour d'effort) ou une autre information relative à ce système. Une interface de ce type est appelée interface haptique.
Plus précisément, l'invention concerne une interface pour la commande d'un système haptique comprenant une base, une plate-forme espacée de la base, au moins deux câbles ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant apte à exercer une traction sur le câble, des moyens de poussée montés sur la base par l'intermédiaire d'une articulation et comprenant une tige de poussée ayant une première extrémité en contact avec la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée vers la plate-forme, les actionneurs exerçant sur la plate-forme des forces représentatives d'une information relative au système. On connaît des plates-formes disposées entre deux bases auxquelles elles sont reliées par des câbles. Ces plates-formes sont remarquables pour leur simplicité, qui permet de réduire leur coût, leur très faible inertie et la faiblesse des frottements sur les câbles qui leur confèrent une bande passante élevée . Toutefois, leur espace de travail contrôlable, c'est-à-dire le volume dans lequel on peut générer un torseur d'effort arbitraire sur la plate¬ forme, est confiné au volume polyédrique passant par les points d'accrochage des câbles sur les deux bases. C'est la conséquence directe de l'obligation d'avoir une force strictement positive dans les câbles. Par suite, afin d'optimiser le débattement, on répartit les points d'accrochage des câbles sur une sphère entourant la plate-forme, ce qui laisse peu de place pour la main de l'opérateur.
On connaît aussi (FR 93 13248) une interface haptique qui comprend une pièce active constituant une poignée destinée à être prise en main par un opérateur et dans laquelle est monté un capteur de mouvement pour la commande d'un système et une ou plusieurs pièces de retour d'information montée sur la pièce active et mobile par rapport à elle. Ainsi, l'opérateur reçoit un retour d'information dans une partie de sa main.
Un tel système n'utilise pas le principe de la plate-forme de Stewart . En effet, les actionneurs des câbles utilisés pour transmettre le retour d'information à la plate-forme ne servent pas à commander le système. Au contraire, un capteur de mouvement distinct est utilisé. Le débattement de la plate-forme est très faible étant donné les faibles dimensions de la poignée. En outre, les actionneurs des câbles de la plate-forme ne sont pas montés sur la pièce fixe, constituant une base, mais sur un support déporté relié à la poignée par des câbles coulissant dans des gaines. Il en résulte des efforts de frottement qui sont inadmissibles compte tenu de la faiblesse des forces mises en jeu.
On connaît également (US 4, 666, 362) un manipulateur comprenant une base et une plate-forme espacée de la base destinée à la fixation d'un outil ou analogue. Des câbles relient la base à la plate-forme. Un mât central reprend la force de traction exercée sur les câbles par des moteurs montés sur la base. Un tel dispositif ne constitue pas une interface haptique. En effet elle ne permet ni de commander un système, ni de recevoir en retour une information de ce système. Les efforts à transmettre dans une application de ce type sont beaucoup plus importants que dans une interface haptique. La technique de transmission par câbles n'est donc pas adaptée.
L'invention a pour objet une interface active qui remédie aux inconvénients de l'art antérieur. Elle doit permettre d'augmenter l'espace de travail contrôlable des plates-formes à câbles de type classique et la saisie de la plate-forme par l'opérateur sans interférence avec les câbles. En outre, elle doit être d'une réalisation simple afin de pouvoir être fabriquée à un faible coût. Enfin, elle doit permettre d'optimiser le débattement en rotation.
Ces objectifs sont atteints par le fait que la plate-forme constitue un organe de commande.
L'interface de l'invention conserve les avantages de simplicité et de faible inertie et, par conséquent, de large bande passante des plates-formes de Stewart . Les actionneurs, qu'il s'agisse des actionneurs tirant des câbles ou de l'actionneur poussant de la tige de poussée, transmettent à la fois le signal de commande au système et le retour d'information de ce système. En outre, grâce à la présence d'une tige de poussée, l'espace de travail contrôlable est étendu au-delà des points de fixation des câbles sur la base.
Dans une réalisation préférée, chaque actionneur comporte un capteur apte à délivrer un signal représentatif de la longueur du câble qui y est fixé et les moyens de poussée comportent un capteur apte à délivrer un signal représentatif de la distance entre l'extrémité de la tige de poussée en contact avec la plate-forme et leur articulation sur la base, l'ensemble de ces signaux étant utilisés pour commander le système.
Dans une réalisation particulière, l'actionneur poussant est constitué par un actionneur tirant qui exerce une traction sur un câble et par un mécanisme d'inversion de mouvement qui transforme la traction du câble en une force de poussée sur la tige de poussée.
Grâce à cette caractéristique, on peut utiliser la même technologie pour tous les actionneurs, qu'il s'agisse des actionneurs des câbles ou de l'actionneur de la tige de poussée. En outre, les actionneurs à câble garantissent un faible coût et une faible inertie du système de transmission. Avantageusement, le mécanisme d'inversion de mouvement comporte un moufle. Le moufle permet de réduire le couple requis de 1 ' actionneur de la tige de poussée.
Dans une réalisation le mécanisme d'inversion de mouvement est logé dans un vérin. L 'actionneur de la tige de poussée peut être monté sur ce vérin ou bien il peut être monté sur la base.
Dans une réalisation particulière, 1' actionneur de la tige de poussée est placé en-dessous de l'articulation des moyens de poussée.
Cette disposition permet un équilibrage statique des moyens de poussée par une répartition des masses de part et d'autre de l'articulation.
Avantageusement, les moyens de poussée sont articulés sur la plate-forme par l'intermédiaire d'un cardan.
De préférence, la tige de poussée possède un axe longitudinal qui est sensiblement concurrent au centre du cardan. De préférence encore, l'extrémité de la tige de poussée est en contact avec la plate-forme et articulée sur cette dernière par l'intermédiaire d'une rotule.
La plate-forme est avantageusement réalisée de telle façon que son centre soit confondu avec le centre de la rotule de manière que la prise de la main d'un opérateur soit au centre de la rotule.
Cette caractéristique permet un mouvement de rotation pure qui minimise le mouvement des câbles et permet d'augmenter l'espace de travail. L'interface de l'invention peut présenter six degrés de liberté. Dans ce cas, elle comporte six câbles qui sont avantageusement répartis en trois paires de câbles fixés deux à deux aux extrémités d'un triangle sur la plate-forme.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une interface haptique conforme à la présente invention;
- la figure 2 est une vue en perspective, similaire à la figure 1, l'interface étant représentée dans une position différente.
- les figures 3 à 6 illustrent quatre variantes de réalisation différentes des moyens de poussée ; - la figure 7 est une figure schématique en coupe d'une réalisation des moyens de poussée comportant des ressorts sur les câbles.
L'interface haptique représentée sur les figures 1 et 2 comprend une base désignée par la référence générale 2. La base est constituée d'un cadre de forme rectangulaire comportant deux grands côtés 4 et deux petits côtés 6. Des bras horizontaux référencés respectivement 8, 10, 12, 14, 16 et 18 sont fixés au cadre rectangulaire. Chacun de ces bras est percé d'un orifice de passage 22 constituant un guide câble. En outre, un bras 20 fixé à l'un des grands côté 4, de plus petite longueur que les six autres bras, fait saillie vers l'intérieur du cadre. Il est percé d'un orifice de passage 23 constituant un guide câble.
L'interface comporte une plate-forme 24. Dans l'exemple particulier représenté, la plate-forme 24 présente la forme d'une sphère mais il va de soi que cette réalisation n'est pas impérative et que d'autres formes sont également envisageables. Des tiges 26 sont fixées à la sphère 24. Deux câbles 32 sont fixés à l'extrémité 30 de chacune des tiges 26 (deux câbles seulement ont été représentés sur les figures 1 et 2 par souci de simplification) . A leur autre extrémité, les câbles 32 passent dans les orifices de passage 22 situés aux extrémités des bras 8 à 18 et s'enroulent sur une poulie 34 d'un actionneur 36 entraîné par un moteur électrique. Chaque actionneur est muni d'un capteur représenté schématiquement par le rectangle 38 sur les figures 1 et 2. Chaque câble permet de mesurer la position de l'axe du moteur et donc d'en déduire la longueur du câble.
Comme on peut le voir sur les figures 3 à 6, et également sur la figure 7, la sphère 24 est articulée à l'extrémité d'une tige de poussée 40 par une rotule 42. En outre, on constate que le centre de la rotule 42 coïncide avec le centre de la sphère 24. De cette manière, une rotation de la plate-forme 24 se traduit par un déplacement minimal de l'extrémité des tiges 26 et par conséquent de chacun des six câbles 32. La prise de la main d'un opérateur qui actionne la plate-forme 24 se trouve donc au centre de l'articulation de la plate-forme sur la rotule 42. A son extrémité inférieure, opposée à l'extrémité portant la rotule 42, la tige de poussée rigide 40 est reliée à un actionneur poussant dont la fonction est d'équilibrer la force de traction exercée par les six actionneurs tirant 36 sur la plate-forme 24 par l'intermédiaire de chacun des six câbles 32.
De manière générale, une plate-forme de Stewart à n degrés de liberté comporte n+1 câbles. Par exemple une plate-forme à six degrés de liberté comporte sept câbles. Etant donné que les câbles ne peuvent transmettre qu'une force de traction, l'espace de travail contrôlable, c'est-à-dire le volume dans lequel on peut générer un torseur d'effort arbitraire sur la plate-forme est limité au volume polyédrique passant par les points d'accrochage des câbles sur la base. En remplaçant l'un des sept câbles par une tige de poussée rigide 40, l'espace contrôlable se décale à l'extérieur du polyèdre du côté opposé à l' actionneur poussant . L'actionneur poussant peut être réalisé de nombreuses manières différentes. Il peut s'agir d'un vérin hydraulique ou pneumatique ou encore d'une vis à billes. Dans l'exemple de réalisation représenté, il est constitué d'un actionneur tirant 44 et d'un mécanisme d'inversion de mouvement. Sur les figures 1 et 2, le mécanisme d'inversion de mouvement est constitué par une potence 48 articulée sur la base 2 par l'intermédiaire d'un cardan. L'extrémité inférieure de la potence pivote autour d'un axe XX par rapport à une structure 50 en forme de grand U elle-même montée pivotante autour d'un axe YY sur l'un des grand côté 4 de la base 2. Les axes XX et YY, qui sont perpendiculaires l'un à l'autre, se coupent au centre de l'orifice 23 de guidage de câble du bras 20. Deux tiges coulissantes parallèles 52 sont montées coulissantes à l'extrémité supérieure de la potence 48. A leurs extrémités inférieures, les deux tiges coulissantes 52 portent un axe 53 sur lequel est montée une poulie 54. A leurs extrémités supérieures, les deux tiges 52 sont reliées par une traverse 56. Un câble 58 s'enroule à son extrémité inférieure sur une poulie (non visible sur les figures 1 et 2) de l'actionneur 44. Le câble 58 passe dans le guide câble 23 du bras 20, puis sur une première poulie 60 montée à la partie supérieure de la potence, ensuite sur la seconde poulie 54 montée sur l'axe 53 reliant les deux extrémités inférieures des tiges coulissantes 52. Enfin une extrémité du câble 58 est fixée à la partie supérieure de la potence 48. On constitue ainsi un moufle qui permet de diviser par deux l'effort de traction qui doit être exercé sur l'extrémité inférieure du câble 58 par l'actionneur 44 lorsque le câble s'enroule sur la poulie de l'actionneur, la tige de poussée 40, solidaire de la traverse 56 s 'éloignant de la base 2. Simultanément, les câbles 32 s'allongent, chacun des actionneurs 36 relâchant la longueur de câble nécessaire.
On a représenté sur la figure 2 une autre position de l'interface haptique de la figure 1. Sur la figure 2, la plate-forme 24 a été déplacée par rapport à la position quelle occupe sur la figure 1. On observe que le support en U 50 a pivoté autour de son axe d'articulation YY et que d'autre part, la potence 48 a pivoté autour de son axe d'articulation XX sur le support 50. En outre, la plate-forme 24 a tourné autour de son axe de rotation ZZ constitué par la tige de poussée 40 (voir figure 3) . Enfin, les deux tiges de guidage 52 ont été déplacées vers le haut. En conséquence, les longueurs des câbles 32 reliant les extrémités 30 des tiges 26 aux orifices 22 des bras 8, 10, 12, 14, 16 et 18 ont varié. Pour certains de ces câbles, par exemple les deux câbles 32 représentés sur les figures 1 et 2, cette variation s'est traduite par une augmentation de longueur. Pour d'autres câbles, au contraire, le changement de position de la plate-forme 24 a pu se traduire par une réduction de longueur. C'est le cas, notamment, du câble 58 entraîné par l'actionneur central 44 de la tige de poussée 40.
Les capteurs 38 associés à chacun des actionneurs périphériques 36 et à l'actionneur central 44 enregistrent les différentes variations des câbles et transmettent une grandeur représentative de ces variations à un calculateur qui calcul la nouvelle position de la plate-forme 24. Cette nouvelle position permet de commander un système réel ou virtuel. En retour, les actionneurs 36 et l'actionneur central 44 reçoivent une information. Cette information peut être un retour d'effort rencontré par le système ou une autre information. Cette information en retour est utilisée par les actionneurs 36 afin d'exercer une traction sur les câbles 32 et 58 de manière à faire ressentir à l'opérateur, dont la main est posée sur la plate-forme 24, une sensation représentative de l'effort rencontré.
On a ainsi réalisé une interface haptique à câbles, à structure parallèle, dans laquelle la plate- forme 24 constitue à la fois l'organe de commande et l'organe par lequel s'effectue le retour d'information. Cette interface possède une faible inertie en raison de la simplicité du mécanisme de transmission par câbles, ce qui lui confère une large bande passante. En outre, la transmission par câbles est bien adaptée à une application de ce type dans laquelle les efforts à transmettre sont faibles.
On a représenté sur les figures 3 à 6 différentes variantes de réalisation des moyens d'inversion de mouvement et de la fixation de l'actionneur 44 de la tige de poussée 40. Sur la figure 3, les moyens d'inversion de mouvement sont constitués simplement par une poulie de renvoi 60 du câble 58 dont l'extrémité 65 est fixée à la partie inférieure 67 de la tige de poussée 40. L'extrémité supérieure 69 de la tige de poussée 40 est solidaire d'une rotule 42 sur laquelle est articulée la plate-forme 24. Comme on l'a exposé précédemment, la plate-forme 24 est constituée de telle manière que le centre de la prise de la main d'un opérateur coïncide avec le centre de la rotule 42 de cette manière, l'interface minimise le déplacement des câbles en cas de rotation de la plate-forme par rapport à la rotule 42.
La poulie de renvoi 60 est montée sur la paroi intérieure d'un cylindre 70 qui constitue un vérin à câble. La tige de poussée 40 coulisse sur une portée 72 du vérin 70. L' actionneur 44 de la tige de poussée est monté à la partie inférieure du vérin. L'extrémité inférieure du vérin est articulée sur la base 2 par l'intermédiaire d'un cardan 74 représenté schématiquement . La réalisation de ce cardan peut être semblable à celle qui a été décrite sur les figures 1 et 2.
Dans ce mode de réalisation, les moyens d'inversion de mouvement ne comportent pas de moufle. En conséquence, l' actionneur 44 doit être suffisamment puissant pour équilibrer sans facteur de réduction la traction exercée sur les câbles 32 par chacun des six autres actionneurs tirant 36.
On a représenté sur la figure 4 une variante de réalisation des moyens d'inversion de mouvement. Ils comprennent une première poulie 60 montée sur une paroi intérieure du cylindre 70 et une seconde poulie 54 montée sur un axe perpendiculaire à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. L'extrémité 77 du câble 58 est fixée sur une paroi supérieure du vérin 70. L'actionneur 44 est logé entièrement à l'intérieur du cylindre 70. En outre, l'extrémité inférieure du vérin 70 est articulée sur la base 2 par un cardan 74 représenté schématiquement, de la même manière que pour le mode de réalisation de la figure 3.
Dans cette réalisation, qui est fonctionnellement identique à celle qui a été décrite en référence aux figures 1 et 2, les moyens d'inversion de mouvement constituent un moufle qui permet de réduire la force de traction requise sur le câble 68 en la divisant par un facteur 2. De la sorte, la puissance de l'actionneur 44 peut être divisée par deux. En revanche, pour un même déplacement en translation de la tige de poussée 40, l'actionneur 44 doit enrouler ou dérouler une longueur de câbles double.
On a représenté sur la figure 5 une troisième variante de réalisation de moyens d'inversion de mouvement. Ils comprennent une poulie de grand diamètre 80 montée dans le vérin 70. Deux poulies 60 sont fixées sur la paroi intérieure du cylindre 70. Une quatrième poulie 54 est montée à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. Le câble 58 de l'actionneur tirant 44 est relié à l'axe de rotation de la poulie de grand diamètre 80. En outre, le mécanisme comporte un second câble fermé 82 qui passe respectivement sur les poulies 80, 60 et 54. Dans cette réalisation, l'actionneur 44 est monté à l'extrémité inférieure du vérin 70 mais il est situé en-dessous du cardan 74 par le lequel le vérin 70 est articulé sur la base 2. En conséquence, l'actionneur 44 réalise un équilibrage statique des moyens de poussée. Dans ce mode de réalisation les masses sont mieux équilibrées de part et d'autre de l'axe de l'articulation constitué par le cardan 74, la masse de l'actionneur 44 équilibrant en partie la masse du reste des moyens de poussée.
On a représenté sur la figure 6 une quatrième variante de réalisation des moyens de poussée. Dans cette variante, l'actionneur 44 est monté sur la base 2 au lieu d'être fixé à la partie inférieure du vérin 70, comme dans les modes de réalisation précédent. Le câble 58 de l'actionneur 44 passe sur une poulie 60 solidaire de la paroi intérieure du cylindre 70 et sur une poulie 54 montée sur un axe de rotation perpendiculaire à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. On réalise ainsi un moufle, comparable à celui des modes de réalisation des figures 4 et 5, qui permet de diviser par deux la force de traction à exercer sur le câble 58. La partie inférieure du câble 58 est en outre guidée sur une poulie de guidage 86 fixée sur la paroi intérieure du vérin, et par deux poulies de renvoi 88 situées à l'extrémité inférieure du vérin, sensiblement au niveau du cardan 74. La paroi inférieure du vérin 70 est ouverte pour permettre le passage du câble. Enfin, on a représenté sur la figure 7 une variante de réalisation des moyens de poussée de la figure 3. Cette variante est identique à celle de la figure 3 en tout point, à l'exception de la présence de ressorts de compression 92 montés autour des câbles 32 des actionneurs tirants 36. Chaque ressort hélicoïdal 92 est pris entre une surface d'appui inférieure 94 solidaire de la base 2 et une surface d'appui supérieure 96 solidaire de la plate-forme 24. La présence des ressorts 92, en équilibrant l'effort de traction exercé sur les câbles 32, permet de diminuer l'effort imposé à l'actionneur central 44. Elle aide en outre à matérialiser une position de repos centrale.

Claims

REVENDICATIONS
1. Interface haptique pour la commande d'un système, comprenant une base (2), une plate-forme (24) espacée de la base (2), au moins deux câbles (32) ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme
(24) et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant (36) apte à exercer une traction sur le câble
(32), des moyens de poussée montés sur la base (2) par l'intermédiaire d'une articulation (50, 74) et comprenant une tige de poussée (40) ayant une première extrémité (42) en contact avec la plate-forme (24) et une seconde extrémité (67) reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée (40) vers la plate-forme (24), les actionneurs (36, 44) exerçant sur la plate-forme (24) des forces représentatives d'une information relative au système, caractérisée en ce que la plate-forme (24) constitue un organe de commande.
2. Interface selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque actionneur (36, 44) comporte un capteur (38) apte à délivrer un signal représentatif de la longueur du câble (32, 58) qui y est fixé et en ce que les moyens de poussée comportent un capteur (38) apte à délivrer un signal représentatif de la distance entre l'extrémité de la tige poussée (40) en contact avec la plate-forme (24) et leur articulation (50, 74) sur la base (2), l'ensemble de ces signaux étant utilisés pour commander le système.
3. Interface selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l' actionneur poussant est constitué par un actionneur tirant (44) qui exerce une traction sur un câble (58) et par un mécanisme d'inversion de mouvement (54, 60) qui transforme la traction sur le câble (58) en une force de poussée sur la tige de poussée (40) .
4. Interface selon la revendication 3, caractérisée en ce que le mécanisme d'inversion de mouvement comporte un moufle (54, 60) .
5. Interface selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le mécanisme d'inversion de mouvement est logé dans un vérin (70) .
6. Interface selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est monté sur le vérin (70) .
7. Interface selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est monté sur la base (2) .
8. Interface selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est placé en-dessous de l'articulation (74) des moyens de poussée sur la base (2) .
9. Interface selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les moyens de poussée soit articulés sur la plate-forme par l'intermédiaire d'un cardan.
10. Interface selon la revendication 9, caractérisée en ce que la tige de poussée (40) possède un axe longitudinal (ZZ) qui est sensiblement concourant au centre (23) du cardan.
11. Interface selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'extrémité de la tige de poussée (40) en contact avec la plate-forme est articulée sur cette dernière par l'intermédiaire d'une rotule (42) .
12. Interface selon la revendication 11, caractérisée en ce que la plate-forme (24) est réalisée de telle manière que son centre soit confondu avec le centre de la rotule de manière que la prise de la main d'un opérateur soit au centre de la rotule (42) .
13. Interface selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte six câbles qui sont avantageusement répartis en trois paires de câbles (32) fixées deux à deux aux extrémités (30) d'un triangle sur la plate-forme (24) .
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4830580B2 (ja) * 2006-03-29 2011-12-07 株式会社デンソー 操作装置
US9050527B2 (en) 2012-08-23 2015-06-09 Wms Gaming Inc. Interactive tether using tension and feedback
US9625935B2 (en) * 2013-08-02 2017-04-18 Joseph J. Olson Powered wheelchair joystick handles
KR101435189B1 (ko) 2014-01-23 2014-09-01 엘아이지넥스원 주식회사 원격 동적 제어 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4666362A (en) 1985-05-07 1987-05-19 Massachusetts Institute Of Technology Parallel link manipulators
FR2712406A1 (fr) 1993-11-08 1995-05-19 Commissariat Energie Atomique Organe de commande manuelle à retour d'information tactile et/ou kinesthésique.
US5850759A (en) * 1995-12-29 1998-12-22 Daewoo Electronics Co., Ltd. Force feed back manipulator with six degrees of freedom
WO2003050639A1 (fr) * 2001-12-10 2003-06-19 Commissariat A L'energie Atomique Organe de commande a cables tendus

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4666362A (en) 1985-05-07 1987-05-19 Massachusetts Institute Of Technology Parallel link manipulators
FR2712406A1 (fr) 1993-11-08 1995-05-19 Commissariat Energie Atomique Organe de commande manuelle à retour d'information tactile et/ou kinesthésique.
US5850759A (en) * 1995-12-29 1998-12-22 Daewoo Electronics Co., Ltd. Force feed back manipulator with six degrees of freedom
WO2003050639A1 (fr) * 2001-12-10 2003-06-19 Commissariat A L'energie Atomique Organe de commande a cables tendus

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