WO2007122242A1 - Organe de commande a cables tendus - Google Patents

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WO2007122242A1
WO2007122242A1 PCT/EP2007/054008 EP2007054008W WO2007122242A1 WO 2007122242 A1 WO2007122242 A1 WO 2007122242A1 EP 2007054008 W EP2007054008 W EP 2007054008W WO 2007122242 A1 WO2007122242 A1 WO 2007122242A1
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WO
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cables
moving
vertices
polyhedron
moving assembly
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/054008
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English (en)
Inventor
François LOUVEAU
Tony Chabiron
Original Assignee
Haption
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0258—Two-dimensional joints
    • B25J17/0266—Two-dimensional joints comprising more than two actuating or connecting rods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0078—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics actuated by cables
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0346—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of the device orientation or free movement in a 3D space, e.g. 3D mice, 6-DOF [six degrees of freedom] pointers using gyroscopes, accelerometers or tilt-sensors

Definitions

  • the field of the invention is that of haptic interfacing.
  • the related domain is that of automata devoted to the manipulation of objects in space. More specifically, the invention relates to a human-machine control member, also called master arm, for constraining the movement of an operator or stimulating his haptic sensors.
  • the invention thus has many haptic applications, such as, for example, teleoperation, rehabilitation support activity, games, computer-assisted design, the interconnection of a human being with a virtual reality environment.
  • the invention can also be integrated with a control device with programmable control.
  • haptic sensory feedback has long been taken into account in the implementation of teleoperation techniques in robotics, driving (the wheel / ground interaction forces transmitted to the driver's wheel), piloting planes (sleeves with force feedback).
  • driving the wheel / ground interaction forces transmitted to the driver's wheel
  • piloting planes sleeves with force feedback
  • a first technique relates to master arms composed of a plurality of contiguous sections (connecting rods, cylinders, ...) articulated successively between them. The movement by the operator of the end of the arm, provided with a gripping member, then causes a mechanical reaction or force feedback, in order to restore a tactile rendering thereof.
  • a second technique relates to a master arm consisting of a maneuvering element, also called mobile element, suspended by four cables, or cables, unrolled vertices of a regular tetrahedron.
  • An operator manipulates such an arm by introducing a phalanx into a housing of the sewing thimble-like operating element. Motors ensuring the tension of the cables can also be placed at the vertices of the tetrahedron to provide a force return action. By moving the operating element, the operator then modifies the uncoiled lengths of the cables. A measurement of the length variations of the cables via sensors makes it possible to restore a predetermined command.
  • the operating element comprises a second housing for introducing a second phalanx.
  • the movement of the second housing is guided by four other cables unrolled from the unoccupied vertices of the aforementioned cube.
  • This technique then makes it possible to influence the mobility of a maneuver element such as an object that can not be assimilated to a one-off assembly comprising two housings for inserting the end of the thumb and a phalanx, respectively.
  • the mobility of the object takes place in the volume formed by the intersection of the two tetrahedra connecting the non-consecutive vertices of the cube.
  • a first disadvantage of the first known solution is that the stroke of the arms is often limited, which reduces their effective mobility.
  • Another disadvantage of the first known solution is related to its complexity of implementation.
  • a first disadvantage of the second known solution is to allow precise control of the movement of the operating element only in the immediate vicinity of one or both housing (s) hosting a phalanx and therefore to provide a force feedback only on the end of the operator's finger.
  • Another disadvantage of the second known solution is that it does not allow to maintain a maneuvering element in a constant direction during its displacement, which can be very useful in many situations, and for example when the element to handle must be kept vertical in all circumstances.
  • the invention particularly aims to overcome these disadvantages of the state of the art.
  • one of the objectives of the present invention is to provide a technique for controlling with precision, and in a controlled manner (in particular by opposing a certain resistance to displacement), a mobile assembly, also called a mobile element, in translation. while ensuring that this element maintains one or more predetermined orientation (s) during his movements and / or changes in posture.
  • an object of the invention is to allow acting on the displacement in translation of the movable member and to block its rotation in certain directions, during its mobility.
  • Another object of the invention is to provide such a technique implementing a reduced number of actuating means (motors, ...) for controlling the movement of a mobile element composed of an object to be animated and / or to handle secured to a support.
  • another object of the invention is to provide such a technique for exercising active force feedback over the entire surface of an operator's hand, so as to to provide a feeling of control of the movable element more pleasant and more precise, by soliciting the haptic sensors of the hand.
  • the invention also aims to provide such a mobile mobility setting of a mobile element that is simple to implement and a reduced cost of implementation.
  • Another object of the invention is to provide a mobility device for a mobile element whose evolution volume is the least crowded by the presence of connecting elements or suspension, so as to facilitate the access of the element to the operator and not to hinder his own movements by abutting on the connecting elements.
  • DISCLOSURE OF THE INVENTION are achieved by means of a device for moving at least one moving assembly, formed of at least one object to animate and / or manipulate and its support, in a plurality of predetermined directions.
  • a device comprising at least one structure defining a regular polyhedron whose interior volume, defined by at least four of its vertices, forms a three-dimensional space for the mobility of said at least one a movable assembly, so as to be able to modify the positions and orientations of the latter by means of actuating means able to collaborate with said polyhedron, said actuating means comprising at least four sets of cables extended respectively between one of said at least four distinct vertices of said polyhedron and an attachment point to said moving assembly to be animated and / or manipulated, and such that at least one of said cable assemblies comprises at least two non-contiguous cables, held parallel, forming a deformable parallelogram of maintaining said movable assembly in predetermined orientations relative to said structure.
  • the general principle of the invention therefore consists in suspending the movable element at the apices of a structure of polyhedral appearance by at least one pair of tensioned cables, kept parallel, so as to move the movable element following the deformations of the a parallelogram.
  • the invention is based on a completely new and inventive approach to the implementation of at least one master cable arm tensioned.
  • the invention makes it possible to control the movements of a moving object by allowing an operator to move this mobile element in translation while blocking one or more of its orientations.
  • said polyhedron is a regular tetrahedron, and said support of said object to be animated and / or manipulated comprises said attachment point to said moving assembly.
  • said polyhedron is a regular heptahedron
  • said support of said object to be animated and / or manipulated comprises said attachment point to said moving assembly
  • said actuating means comprise three second sets of cables stretched respectively between one of the three vertices not included among said at least four distinct vertices of said heptahedron and a point of attachment to said object to be animated and / or manipulated.
  • the invention makes it possible to animate and / or manipulate objects of complex shape or of large volume articulated on their support.
  • said actuating means comprise at least four force return motors collaborating in the vicinity of at least four of the vertices of said polyhedron with said at least four sets of cables respectively stretched by means of winding / winding means. unwinding.
  • a limited number of engines is implemented to move the mobile assembly.
  • said winding / unwinding means collaborate with at least one pair of deviating pulleys spaced by a predetermined distance in the vicinity of each of said at least four vertices.
  • said predetermined distance separating the pulleys from said pair of deviating pulleys is substantially identical to the distance separating the two attachment points of two of said cables, and one of the main directions of said pair of deviating pulleys is substantially parallel to the direction defined by said two attachment points, so that the assembly formed by said two cables stretched between said pair of deflecting pulleys and said attachment points located on the moving assembly forms a deformable parallelogram as a function of the unwinding / winding of said cables on said winding / unwinding means of said force feedback motor.
  • said at least one pair of deviating pulleys is centered on at least one of said four vertices.
  • said actuating means comprise return means acting on said winding and / or unwinding means so as to keep said at least one cable taut.
  • the cable assemblies can be kept taut when the motors are not energized.
  • said actuating means comprise means for energizing said cable assemblies belonging to the group comprising: pretensioner; pre-tension pulley.
  • the actuating means comprise control means by PLC cooperating with sensor means for measuring the unwound length of said two cables of said at least one of said sets of cables.
  • the invention in another embodiment, relates to a device for interactive animation of a virtual object comprising: means for capturing the movement of a moving assembly; means for assigning said captured movements to said virtual object, such that said capturing means comprise at least one structure defining a regular polyhedron whose interior volume, defined by at least four of its vertices, forms a three-dimensional space of mobility of said at least one moving assembly, so as to be able to modify the positions and orientations of the latter by means of actuating means able to collaborate with said polyhedron, said means of actuation comprising at least four sets of cables respectively stretched between one of said at least four distinct peaks of said polyhedron and a point of attachment to said moving assembly to be animated and / or manipulated, and such that at least one of said cable assemblies comprises at least minus two cables, non-contiguous, maintained parallel forming deformable parallelogram holding said movable assembly in predetermined directions relative to said structure.
  • the invention relates to a device for controlling the movement of an object to be manipulated in the interior volume delimited by at least four vertices of a regular polyhedron inscribed in a structure, comprising means for transmitting movement to said object to be handled including at least four sets of cables respectively stretched between one of said at least four distinct vertices of the polyhedron and a point of attachment to said object to be handled, and such that at least one of said cable assemblies comprises at least two cables, not contiguous, held parallel during the movement of said object between a first and a second position and / or posture.
  • the invention also relates to the application of any device for moving at least one mobile assembly as described above to a technical field belonging to the group comprising: haptic interface with a virtual environment; haptic interface with augmented reality environment; therapeutic rehabilitation; - Computer Aided Design ; remote operation. 5.
  • any device for moving at least one mobile assembly as described above to a technical field belonging to the group comprising: haptic interface with a virtual environment; haptic interface with augmented reality environment; therapeutic rehabilitation; - Computer Aided Design ; remote operation. 5.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic perspective view of a mobility device according to a embodiment of the invention
  • - Figure 2A specifies the device of Figure 1 according to a detail view
  • FIG. 2B shows the tensioning means, or pre-tensioning pulleys, implemented in a particular embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a device for moving a mobile element, constituted by a support, and allowed to move only in translation without being able to change orientation in the interior volume of a frame of regular tetrahedral shape according to a particular embodiment of the invention
  • FIG. 4 schematically represents a particular embodiment of a device for moving a movable element into motion, comprising an object articulated freely with respect to its support.
  • the general principle of the invention is based on the implementation of actuating means comprising tensioned cable assemblies, in order to control a movable element in the interior space of a tetrahedral volume.
  • the first embodiment relates to a device according to the invention for moving a movable member 11 to be implemented during a reeducation session of the arm and / or wrist of a patient.
  • the movable element 11 is suspended by four sets of cables 12, 13, 14, 15 to be moved within the volume defined by the faces of a regular tetrahedron 16, shown in dotted lines, whose vertices 16 15 16 2 , 16 3 , 16 4 are inscribed in the internal space of a structure 17, also called frame.
  • the structure 17 consists of an assembly of bars constituting substantially the edges of a cube and the vertices 16 15 16 2 , 16 3 , 16 4 of the tetrahedron 16 are merged with four non-consecutive vertices of this cube.
  • FIG 2A illustrates the device of Figure 1 in a detail view.
  • the movable element 11 comprises an object to be animated and manipulated 21, also called terminal gripping member, having the appearance of an ergonomic handle, and pivotable relative to its support 22.
  • the gripping member 21 has a smooth cylindrical surface (it is also possible specific molded impressions to allow the patient to grip the gripper), and is extended at one end by a curved connecting arm 23. This arm 23 is pivotally mounted on bearings by relative to the support 22. The main direction of the gripping member 21 is thus off-center with respect to the axis of the support 22.
  • the set of cables 12 (respectively 13, 14, 15), formed of two cables 24 j and 24 2 (respectively 25 j and 25 2 , 2O 1 and 26 2 , 21 ⁇ and 27 2 ) allows to connect the element movable li to the drive shaft 22O 1 of a force feedback motor 220.
  • the movable element 11 is suspended by gravity effect at the end of the set of cables 15 by a single cable stretched from the top 16 4 , which allows to free the space volume mobility.
  • it is attached to detail the path of the cable assembly 12, the cable assemblies 13, 14 and 15 being composed of identical elements.
  • This cable assembly 12 is held taut by a pair of diverter pulleys identical l5 212 212 2 placed adjacent the top 1O 1. These diverter pulleys 212 l5 212 2 are mounted idle on the axis l5 214 214 2 integral with the frame 17, and are arranged symmetrically with respect to the top 1O 1. In a variant of this preferred embodiment, the spacing between the pulleys 212 l5 212 2 may be adjusted to take account of operating clearances, without departing from the scope of the invention.
  • the unwound length of the cables 24 j and 24 2 between their attachment point to the movable element 213 ] (respectively 213 2 ) and the top 1O 1 are substantially identical.
  • the distance between the pulleys 212 j and 212 2 being set to be strictly equal to the constant value of the spacing between the attachment points 213 ] and 213 2 of these cables to the gripping member 21, the 24 j and 24 2 cables are thus kept parallel to each other during the displacement of the movable element 11, these cables 24 j and 24 2 remaining stretched and identical lengths unwound between the attachment points 213 j and 213 2 and pulleys diverter 212 j and 212 2.
  • the assembly consisting of the contact points of the cables 24] 24 2 and leaving the groove of the deflecting pulleys 212 j and 212 2 and the attachment points 213 213j and 2 thus form a parallelogram deforms upon movement of the movable member 11.
  • the axes of the pairs of deviating pulleys centered on each of the vertices of the tetrahedron are oriented in this particular embodiment of the invention along the direction 218 (provided for remain fixed) of the support 22 of the object 21 of the movable element 11.
  • the cables 2A 1 and 24 2 are returned to the motor 220 at the output of the pulleys in a substantially orthogonal direction.
  • the cable 24 respectively 24 l5 2 is wound and unwound respectively around a drive pulley 2 22O, respectively 22O 3 , fixed on the axis 22O 1 of the motor shaft.
  • the value of the spacing between the pulleys 22O 2 and 22O 3 is substantially equal in this preferred embodiment to the distance between the deviating pulleys 2H 1 and 212 2 .
  • the winding length of the cables 24 1 and 24 2 on the drive pulleys 22O 2 and 22O 3 is further adjusted to enable the mobile element 11 to be moved until the attachment points 21S 1 and 213 2 come substantially in contact with the deflecting pulleys 2H 1 and 2H 2 , so as to be able to develop this element 11 in the entire interior volume of the tetrahedron 16.
  • An additional cable 221 from a motor placed in the vicinity of the top 222 of the frame 17 is stretched by a deflecting pulley and fixed to the ergonomic handle, so as to provide a force feedback on the articulation of the handle 21 relative to to support 22.
  • the cable 223 is wound on the motor shaft 22O 1 in opposite direction of the winding direction of the cables 24 1 and 24 2 on the drive pulleys 22O 2 , 22O 3 .
  • This cable 223 is held in tension at its free end by means of reminders 224, also called spring, integral with the structure 17.
  • reminders 224 also called spring
  • the cable 223 is wound on the motor shaft to an extreme position where the piece 225 comes into contact with the seat of a bore made in a bracket 226 secured to the structure 17 and through which the cable 223 slides freely, thereby limiting the unwinding of the cables 24 1 and 24 2 .
  • the tensioning of the cables 24 1 and 24 2 is obtained in a variant of the embodiment illustrated in FIG. 2A by tensioning means 227, or pre-tensioning pulleys, represented in FIG. 2B.
  • the residual voltage of the cables 24 1 and 24 2 contributes to bring the movable element back to the rest position at the center of gravity of the tetrahedron.
  • the control of the intensity of the torques exerted by the motors is parameterized by means of a programmable automaton, or else a programmable control unit, according to laws of proportionality as a function of the displacement of the movable element, and consequently of the length of winding / unwinding of the cables on the motor shaft.
  • the movement imposed by a set of two cables corresponding to the device of the invention reproduces the movement of a single cable, secured to the movable element at the midpoint of the attachment points and stretched from a single deflecting pulley, the center of which coincides with the vertex of the tetrahedron on which the pair of pulley deviating the set of two cables is centered.
  • Sensor means are preferably installed on each motor to allow to know precisely the unrolled length of the two cables around the drive pulleys. These means comprise a linear position sensor 229 measuring the displacement of the end of the cable 223 wound on the motor shaft in the opposite direction of the winding direction of the cables 24 j and 24 2 on the drive pulleys 22O 2 , 22O 3 .
  • These sensor forming means provide an angle encoder transmitting the angular position of the motor shaft to the programmable controller so as to correlate the number of revolutions made by the motor in a given direction to the unwound length of cable. corner provides an alert in the event of detection of malfunction and / or failure of the sensor means.
  • FIG. 3 shows a device according to the invention for moving a movable support element 31 able to move only in translation without being able to change its orientation in the interior volume of a structure 32 of regular tetrahedral shape. It is known that such a result can be obtained in particular by acting to freeze permanently two orthogonal angular orientations of the mobile support. For this purpose, two sets of two parallel cables are stretched respectively between the movable element 31 and each vertex 33 of the structure 32. For the sake of readability, only two sets of cables 33 j and 33 2 deflected from a vertex 33 are shown in FIG.
  • the cables 34 j and 34 2 (respectively 34 3 and 34 4 ) of the cable assembly 33 j (respectively 33 2 ) are secured to the movable element 31 at the attachment points 3S 1 and 2 (respectively 3). and 4 ). These attachment points are arranged so that the axis connecting the attachment points 35j and 35 2 of the cable assembly 33j is orthogonal to that connecting the attachment points 35 3 and 35 4 of the cable set 33 2 .
  • the midpoint 36 of points 35 X and 35 2 (respectively points 3 and 4 ) coincide in this embodiment with the center of gravity of the movable element 31.
  • connection, not shown, of the movable element 31 to the engine placed in the vicinity of the other vertices of the tetrahedron 32 is achieved by a single cable fixed to the center of gravity of the movable element 31 and deflected by a crazy deflector pulley centered on these highs.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a particular embodiment of a device 41 for moving a mobile element 42 comprising an object 43 articulated freely relative to its support 44.
  • a device comprises four motorized sets of pairs of parallel cables stretched 45 15 45 2 , 45 3 , 45 4 fixed to the support and deflected in the vicinity of four vertices of a rigid structure 46 of substantially heptaedric shape (these vertices also constituting the vertices of a regular tetrahedron 47), and three sets of cables (each formed of a single cable) 48, connected to the object 43 to allow to animate relative to the support 44 respectively arranged at the three unoccupied vertices of the heptaedric structure.
  • the device 41 can be used to capture a virtual object and control its movement within a virtual reality platform.
  • the possible and conceivable variations of the embodiments of the device according to the invention are numerous.
  • the substantially polyhedral regular structures - non-regular structures substantially polyhedral.
  • the control device according to the invention may be envisaged, without departing from the scope of the invention, to implement the control device according to the invention to provide a simple haptic interface intended for example for applications. teleoperation, games, virtual reality, or computer-aided design.
  • it may be provided to integrate a movement device according to the invention to a tool loader for which the object to be animated or manipulated is a hinged clamp.
  • an operating member such as a manipulator robot, advantageously incorporates a device according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile (11), formé d'au moins un objet à animer et/ou à manipuler (21) et de son support (22,31), suivant une pluralité de directions prédéterminées. Suivant l'invention un tel dispositif comprend au moins une structure (17) définissant un polyèdre régulier dont le volume intérieur, défini par au moins quatre de ses sommets (161; 162; 163; 164), forme un espace tridimensionnel de mise en mobilité dudit au moins un ensemble mobile (11), de façon à pouvoir modifier les positions et orientations de ce dernier par l'intermédiaire de moyens d'actionnement aptes à collaborer avec ledit polyèdre, lesdits moyens d'actionnement comprenant au moins quatre ensembles de câbles tendus(12;13;14;15;451;452;453;454) respectivement entre un desdits au moins quatre sommets (161; 162; 163; 164) distincts dudit polyèdre et un point d'accrochage (2131; 2132) audit ensemble mobile à animer et/ou à manipuler, et en ce qu'au moins un desdits ensembles de câbles (12; 13; 14; 15) comprend au moins deux câbles (241; 242; 251; 252; 261; 262; 271; 272), non jointifs, maintenus parallèles, formant parallélogramme (391; 310) déformable de maintien dudit ensemble mobile (11) selon des orientations prédéterminées relativement à ladite structure (17).

Description

ORGANE DE COMMANDE A CABLES TENDUS
1. DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui de l'interfaçage haptique. Le domaine connexe est celui des automates dévolus à la manipulation d'objets dans l'espace. Plus précisément, l'invention concerne un organe de commande homme- machine, encore appelé bras maître, permettant de contraindre le mouvement d'un opérateur ou de stimuler ses capteurs haptiques.
L'invention a ainsi de nombreuses applications haptiques, telles que par exemple la téléopération, l'activité de soutien à la rééducation, les jeux, la conception assistée par ordinateur, l'interconnexion d'un être humain avec un environnement de réalité virtuelle.
Plus généralement, elle peut s'appliquer dans tous les cas où on souhaite créer une interface matérielle active entre la main d'un opérateur et un environnement réel, de réalité augmentée, ou virtuelle, ou bien lorsqu'on souhaite déplacer un ensemble mobile librement en translation en immobilisant cet ensemble suivant un ou plusieurs degrés de liberté en rotation.
Dans un aspect complémentaire, l'invention peut également être intégré à un organe de manœuvre à commande programmable.
2. ART ANTÉRIEUR Traditionnellement, les retours sensoriels haptiques sont depuis longtemps pris en compte dans la mise en œuvre des techniques de téléopération en robotique, de conduite automobile (les forces d'interaction roues/sol transmises au volant du conducteur), de pilotage d'avions (manches à retour d'effort). L'émergence des technologies intégrant un contexte de réalité virtuelle a par ailleurs permis de voir la naissance d'interfaces haptiques de types nouveaux.
On connaît ainsi, dans l'état de la technique, différents types de bras maîtres. Ainsi une première technique concerne des bras maîtres composés d'une pluralité de tronçons jointifs (bielles, vérins,...) articulés successivement entre eux. Le déplacement par l'opérateur de l'extrémité du bras, munie d'un organe de préhension, entraîne alors une réaction mécanique ou retour d'effort, afin de restituer un rendu tactile à celui-ci. Une deuxième technique concerne un bras maître constitué d'un élément de manœuvre, encore appelé élément mobile, suspendu par quatre câbles, ou filins, déroulés des sommets d'un tétraèdre régulier.
Un opérateur manipule un tel bras en introduisant une phalange dans un logement de l'élément de manoeuvre semblable à un dé à coudre. Des moteurs assurant la tension des câbles peuvent en outre être placés aux sommets du tétraèdre pour procurer une action de retour d'effort. En déplaçant l'élément de manœuvre, l'opérateur modifie alors les longueurs déroulées des câbles. Une mesure des variations de longueur des câbles par l'intermédiaire de capteurs permet de restituer une commande prédéterminée.
Cette deuxième technique est décrite notamment dans le document intitulé « un appareil d'interface pour déplacements tridimensionnels utilisant des câbles tendus » (en anglais « A 3D Spacial Interface device Using Tensed Strings ») d'Ishii et Sato paru dans la revue « Présence » (volume 3, numéro 1, hiver 1994, pages 81 à 86). Une variante de cette deuxième technique consiste à dérouler les câbles à partir de positions correspondant à quatre sommets non consécutifs d'un cube.
Dans une autre variante de cette technique, l'élément de manœuvre comporte un deuxième logement pour venir introduire une deuxième phalange. Le mouvement du second logement est guidé par quatre autres câbles déroulés à partir des sommets inoccupés du cube précité. Cette technique permet alors d'influer sur la mobilité d'un élément de manœuvre tel qu'un objet non assimilable à un ensemble ponctuel comprenant deux logements pour venir introduire respectivement l'extrémité du pouce et une phalange. La mise en mobilité de l'objet prend place dans le volume formé par l'intersection des deux tétraèdres reliant les sommets non consécutifs du cube. Un premier inconvénient de la première solution connue est que la course des bras est souvent limitée, ce qui réduit leur mobilité effective.
Un autre inconvénient de la première solution connue est liée à sa complexité de mise en oeuvre.
Encore un autre inconvénient de cette première solution connue concerne l'inertie importante de tels bras maîtres, laquelle pénalise la vitesse de déplacement possible pouvant être mise en œuvre pour mouvoir l'extrémité du bras. Un premier inconvénient de la deuxième solution connue est de permettre un contrôle précis du mouvement de l'élément de manœuvre seulement dans le voisinage immédiat du ou des deux logement(s) accueillant une phalange et donc de fournir un retour d'effort uniquement sur l'extrémité du doigt de l'opérateur. Un autre inconvénient de la deuxième solution connue est qu'elle ne permet pas de maintenir un élément de manoeuvre selon une direction constante lors de son déplacement, ce qui peut se révéler fort utile dans de nombreuses situations, et par exemple lorsque l'élément à manipuler doit être maintenu vertical en toute circonstance.
Encore un autre inconvénient de la deuxième solution connue est de mettre en œuvre un nombre important de câbles tendus, ce qui limite la zone d'accès à l'élément de manœuvre (un nombre de huit câbles est employé dans cette technique pour manipuler un objet volumique). Par ailleurs la mise en œuvre de cette deuxième technique nécessite d'utiliser un moteur par câble, ce qui augmente la complexité et l'encombrement d'un tel bras maître. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique.
Plus précisément, l'un des objectifs de la présente invention, est de fournir une technique permettant de piloter avec précision, et de façon contrôlée (notamment en opposant une certaine résistance au déplacement), un ensemble mobile, encore appelé élément mobile, en translation tout en garantissant que cet élément conserve une ou des orientation(s) prédéterminée(s) lors de ses déplacements et/ou changements de posture.
En d'autres termes, un objectif de l'invention est de permettre d'agir sur le déplacement en translation de l'élément mobile et de bloquer ses rotations suivant certaines directions, lors de sa mise en mobilité.
Un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique mettant en œuvre un nombre réduit de moyens d'actionnement (moteurs,...) pour piloter le mouvement d'un élément mobile composé d'un objet à animer et/ou à manipuler solidaire d'un support. Dans au moins un mode de réalisation particulier, un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique permettant d'exercer un retour actif d'effort sur l'ensemble de la surface de la main d'un opérateur, de façon à procurer une sensation de commande de l'élément mobile plus agréable et plus précise, en sollicitant les capteurs haptiques de la main.
L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique de mise en mobilité d'un élément mobile qui soit simple à mettre en œuvre et d'un coût de réalisation réduit.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de mise en mobilité d'un élément mobile dont le volume d'évolution est le moins encombré par la présence d'éléments de liaison ou de suspension, de façon à pouvoir faciliter l'accès de l'élément à l'opérateur et à ne pas entraver ses propres mouvements en venant buter sur les éléments de liaison. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile, formé d'au moins un objet à animer et/ou à manipuler et de son support, suivant une pluralité de directions prédéterminées.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un dispositif comprenant au moins une structure définissant un polyèdre régulier dont le volume intérieur, défini par au moins quatre de ses sommets, forme un espace tridimensionnel de mise en mobilité dudit au moins un ensemble mobile, de façon à pouvoir modifier les positions et orientations de ce dernier par l'intermédiaire de moyens d'actionnement aptes à collaborer avec ledit polyèdre, lesdits moyens d'actionnement comprenant au moins quatre ensembles de câbles tendus respectivement entre un desdits au moins quatre sommets distincts dudit polyèdre et un point d'accrochage audit ensemble mobile à animer et/ou à manipuler, et tel qu'au moins un desdits ensembles de câbles comprend au moins deux câbles, non jointifs, maintenus parallèles, formant parallélogramme déformable de maintien dudit ensemble mobile selon des orientations prédéterminées relativement à ladite structure. Le principe général de l'invention consiste donc à suspendre l'élément mobile aux sommets d'une structure d'aspect polyédrique par au moins une paire de câbles tendus, maintenus parallèles, de façon à déplacer l'élément mobile en suivant les déformations d'un parallélogramme. Ainsi, dans ce mode de réalisation particulier, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de la mise en oeuvre d'au moins un bras maîtres à câbles tendus. En effet, l'invention permet de contrôler les déplacements d'un objet mobile en permettant à un opérateur de déplacer cet élément mobile en translation tout en le bloquant un ou plusieurs de ses orientations. De façon avantageuse, ledit polyèdre est un tétraèdre régulier, et ledit support dudit objet à animer et/ou à manipuler comprend ledit point d'accrochage audit ensemble mobile.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit polyèdre est un heptaèdre régulier, ledit support dudit objet à animer et/ou à manipuler comprend ledit point d'accrochage audit ensemble mobile, et lesdits moyens d'actionnement comprennent trois second ensembles de câbles tendus respectivement entre un des trois sommets non compris parmi lesdits au moins quatre sommets distincts dudit heptaèdre et un point d'accrochage audit objet à animer et/ou à manipuler.
Ainsi l'invention permet d'animer et/ou manipuler des objets de forme complexe ou de volume important articulés sur leur support.
Avantageusement, lesdits moyens d'actionnement comprennent au moins quatre moteurs de retour d'effort collaborant au voisinage d'au moins quatre des sommets dudit polyèdre avec lesdits aux moins quatre ensembles de câbles tendus respectivement par l'intermédiaire de moyens d'enroulement/ de déroulement. Ainsi, un nombre restreint de moteurs est mis en œuvre pour mettre en mobilité l'ensemble mobile.
Selon une caractéristique avantageuse, lesdits moyens d'enroulement/ de déroulement collaborent avec au moins une paire de poulies déviatrices espacées d'une distance prédéterminée au voisinage de chacun desdits au moins quatre sommets. Préférentiellement, ladite distance prédéterminée séparant les poulies de ladite paire de poulies déviatrices est sensiblement identique à la distance séparant les deux points d'accrochage de deux desdits câbles, et l'une des directions principales de ladite paire de poulies déviatrices est sensiblement parallèle à la direction définie par lesdits deux points d'accrochage, de façon que l'ensemble formé par lesdits deux câbles tendus entre ladite paire de poulies déviatrices et lesdits points d'accrochage situés sur l'ensemble mobile forme un parallélogramme déformable en fonction du déroulement/ de l'enroulement desdits câbles sur lesdits moyens d'enroulement/ de déroulement dudit moteur de retour d'effort.
Ainsi, on dispose d'une solution mécanique pour empêcher la rotation de l'ensemble mobile autour d'une direction peu complexe à mettre en œuvre. De façon préférentielle, ladite au moins une paire de poulies déviatrices est centrée sur au moins un desdits quatre sommets.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits moyens d'actionnement comprennent des moyens de rappel agissant sur lesdits moyens d'enroulement et/ou de déroulement de façon à maintenir tendus ledit au moins un câble. Ainsi les ensembles de câbles peuvent être maintenus tendus lorsque les moteurs ne sont pas sous tension.
Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits moyens d'actionnement comprennent des moyens de mise sous tension desdits ensembles de câbles appartenant au groupe comprenant : - prétensionneur ; poulie de pré-tension.
Selon une caractéristique préférentielle, les moyens d'actionnement comprennent des moyens de pilotage par automate programme collaborant avec des moyens formant capteur de mesure de la longueur déroulée desdits deux câbles dudit au moins un desdits ensembles de câbles.
Dans un autre mode de réalisation, l'invention concerne un dispositif d'animation interactif d'un objet virtuel comprenant : des moyens de capture du mouvement d'un ensemble mobile; des moyens d'affectation desdits mouvements capturés audit objet virtuel, tel que lesdits moyens de capture comprennent au moins une structure définissant un polyèdre régulier dont le volume intérieur, défini par au moins quatre de ses sommets, forme un espace tridimensionnel de mise en mobilité dudit au moins un ensemble mobile, de façon à pouvoir modifier les positions et orientations de ce dernier par l'intermédiaire de moyens d'actionnement aptes à collaborer avec ledit polyèdre, lesdits moyens d'actionnement comprenant au moins quatre ensembles de câbles tendus respectivement entre un desdits au moins quatre sommets distincts dudit polyèdre et un point d'accrochage audit ensemble mobile à animer et/ou à manipuler, et tel qu'au moins un desdits ensembles de câbles comprend au moins deux câbles, non jointifs, maintenus parallèles, formant parallélogramme déformable de maintien dudit ensemble mobile selon des orientations prédéterminées relativement à ladite structure. Dans encore un autre mode de réalisation, l'invention concerne un dispositif de contrôle du mouvement d'un objet à manipuler dans le volume intérieur délimité par au moins quatre sommets d'un polyèdre régulier inscrit dans une structure, comprenant des moyens de transmission de mouvement audit objet à manipuler incluant au moins quatre ensembles de câbles tendus respectivement entre un desdits au moins quatre sommets distincts du polyèdre et un point d'accrochage audit objet à manipuler, et tel qu'au moins un desdits ensembles de câbles comprend au moins deux câbles, non jointifs, maintenus parallèles lors du mouvement dudit objet entre une première et une seconde position et/ou posture.
L'invention concerne également l'application d'un dispositif quelconque de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile tel que décrit ci-dessus à un domaine technique appartenant au groupe comprenant : interface haptique avec un environnement virtuel ; interface haptique avec un environnement de réalité augmentée ; rééducation thérapeutique ; - conception assistée par ordinateur ; téléopération. 5. LISTE DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de modes de réalisation de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif (tous les modes de réalisation de l'invention ne sont pas limités aux caractéristiques et avantages de ce mode de réalisation préférentiel), et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 présente une vue schématique simplifiée en perspective d'un dispositif de mise en mobilité selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2A précise le dispositif de la figure 1 suivant une vue de détail ; la figure 2B présente les moyens de mise en tension, ou poulies de pré-tension, mis en œuvre dans un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention ; la figure 3 présente un dispositif de mise en mobilité d'un élément mobile, constitué d'un support, et admis à se déplacer uniquement en translation sans pouvoir changer d'orientation dans le volume intérieur d'un bâti de forme tétraédrique régulière selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 4 représente de façon schématique un mode de réalisation particulier d'un dispositif de mise en mobilité d'un élément mobile comprenant un objet articulé librement par rapport à son support.
6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Le principe général de l'invention repose sur la mise en oeuvre de moyens d'actionnement comprenant des ensembles de câbles tendus, afin de piloter un élément mobile dans l'espace intérieur d'un volume tétraédrique. Cette solution simple et efficace permet de piloter l'ensemble mobile en bloquant certaines orientations privilégiées, et par conséquent ouvre la voie à de multiples applications.
À cet effet, les inventeurs ont identifié qu'il était nécessaire de mettre en œuvre au moins un ensemble de câbles comprenant deux câbles parallèles de façon à former un parallélogramme de maintien d'un élément mobile. Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par la suite par une même référence numérique.
Le premier mode de réalisation, décrit par la suite, concerne un dispositif selon l'invention de mise en mobilité d'un élément mobile 11 destiné à être mise en œuvre lors de séance de rééducation du bras et/ou du poignet d'un patient, dont un exemple est illustré selon un vue schématique en perspective simplifiée en référence à la figure 1. L'élément mobile 11 est suspendu par quatre ensembles de câbles 12, 13, 14, 15 pour être mis en mobilité à l'intérieur du volume délimité par les faces d'un tétraèdre régulier 16, représenté en pointillés, dont les sommets 16l5 162, 163, 164 sont inscrits dans l'espace interne d'une structure 17, encore appelée bâti. Dans ce mode de réalisation préférentiel de l'invention, la structure 17 se compose d'un assemblage de barres constituant sensiblement les arêtes d'un cube et les sommets 16l5 162, 163, 164 du tétraèdre 16 sont confondus avec quatre sommets non consécutifs de ce cube.
La figure 2A illustre le dispositif de la figure 1 suivant une vue de détail. L'élément mobile 11 comprend un objet à animer et à manipuler 21, encore appelé organe de saisie terminal, présentant l'aspect d'un poignée ergonomique, et pouvant pivoter par rapport à son support 22. L'organe de saisie 21 présente une surface cylindrique lisse (on peut prévoir également des empreintes surmoulées spécifiques pour permettre au patient d'enserrer l'organe de saisie), et se prolonge à une extrémité par un bras de liaison courbe 23. Ce bras 23 est monté pivotant sur des paliers par rapport au support 22. La direction principale de l'organe de saisie 21 est ainsi décentrée par rapport à l'axe du support 22.
L'ensemble de câbles 12 (respectivement 13, 14, 15), formé de deux câbles 24j et 242 (respectivement 25 j et 252, 2O1 et 262, 21 λ et 272) permet de relier l'élément mobile li a l'axe d'entraînement 22O1 d'un moteur à retour d'effort 220. Dans une variante avantageuse de ce mode de réalisation, l'élément mobile 11 est suspendu par effet de pesanteur à l'extrémité de l'ensemble de câbles 15 par un câble unique tendu à partir du sommet 164, ce qui permet de libérer l'espace du volume de mise en mobilité. Dans la suite de la présente description, on s'attache à détailler le parcours de l'ensemble de câbles 12, les ensembles de câbles 13, 14 et 15 étant composés d'éléments identiques. Cet ensemble de câbles 12 est maintenu tendu par une paire de poulies déviatrices identiques 212l5 2122 placées au voisinage du sommet 1O1. Ces poulies déviatrices 212l5 2122 sont montées folles sur les axes 214l5 2142 solidaires du bâti 17, et sont disposées symétriquement par rapport au sommet 1O1. Dans une variante de ce mode de réalisation préféré, l'espacement entre les poulies 212l5 2122 peut être ajusté de façon à tenir compte de jeux de fonctionnement, sans sortir du cadre de l'invention. La longueur déroulée des câbles 24 j et 242 entre leur point d'accrochage à l'élément mobile 213] (respectivement 2132) et le sommet 1O1 sont sensiblement identiques. Ainsi, l'entraxe entre les poulies 212j et 2122 étant réglé pour être strictement égal à la valeur constante de l'espacement entre les points d'accrochage 213] et 2132 de ces câbles à l'organe de saisie 21, les câbles 24j et 242 sont donc maintenus parallèles entre eux lors du déplacement de l'élément mobile 11, ces câbles 24j et 242 restant tendus et de longueurs déroulées identiques entre les points d'accrochage 213j et 2132 et les poulies déviatrices 212j et 2122. L'ensemble constitué des points de contact des câbles 24] et 242 quittant la gorge des poulies déviatrices 212j et 2122 et les points d'accrochage 213j et 2132 forme ainsi un parallélogramme se déformant lors du mouvement de l'élément mobile 11. La mise en œuvre d'un tel parallélogramme impose alors à la direction définie par les deux points d'accrochage 213j et 2132 de rester en permanence parallèle à l'axe reliant les centres des deux poulies déviatrices. Ainsi en augmentant/réduisant de façon identique la longueur déroulée des câbles 24 j et 242 entre les poulies 212j et 2122 et l'élément mobile 11, on règle le rayon d'une sphère 215, centrée sur le point milieu 216 des poulies 212j et 2122 (confondus avec le sommet 1O1 dans ce mode de réalisation préférentiel) sur lequel peut se déplacer le point médian 217 des points d'accrochage 213j et 2132. L'usage de quatre ensembles de câbles 12, 13, 14 et 15, reliés par des points d'accrochage à l'élément mobile 11 et collaborant avec des poulies déviatrices centrées respectivement sur les sommets 16l5 162, 163,164 du tétraèdre
16, impose ainsi au point médian 217 des éléments d'accrochage, commun aux quatre ensembles de câbles 12, 13, 14 et 15, de se trouver à l'intersection de quatre sphères 215 de rayons définis par les longueurs déroulées de câble.
De façon à ne pas entraver la mise en mobilité de l'élément mobile 11, les axes des paires de poulies déviatrices centrées sur chacun des sommets du tétraèdre sont orientés dans ce mode de réalisation particulier de l'invention suivant la direction 218 (prévue pour rester fixe) du support 22 de l'objet 21 de l'élément mobile 11.
Les câbles 2A1 et 242 sont renvoyés vers le moteur 220 en sortie des poulies suivant une direction sensiblement orthogonale. Le câble 24l5 respectivement 242, s'enroule et se déroule respectivement autour d'une poulie motrice 22O2, respectivement 22O3, fixée sur l'axe 22O1 de l'arbre moteur. La valeur de l'entraxe entre les poulies 22O2 et 22O3 est sensiblement égal dans ce mode de réalisation préférentiel à l'entraxe entre les poulies déviatrices 2H1 et 2122.
La longueur d'enroulement des câbles 241 et 242 sur les poulies motrices 22O2 et 22O3 est réglée en outre pour permettre de déplacer l'élément mobile 11 jusqu'à ce que les points d'accrochage 21S1 et 2132 viennent sensiblement au contact des poulies déviatrices 2H1 et 2H2, de façon à pouvoir faire évoluer cet élément 11 dans l'ensemble du volume intérieur du tétraèdre 16.
Un câble supplémentaire 221 partant d'un moteur placé au voisinage du sommet 222 du bâti 17 est tendu par une poulie déviatrice et fixé à la poignée ergonomique, de façon à procurer un retour d'effort sur l'articulation de la poignée 21 par rapport au support 22.
Dans une variante de ce mode de réalisation, il peut également être envisagé, sans sortir du cadre de l'invention, de motoriser l'articulation de l'objet à animer ou à manipuler (en l'occurrence et par exemple une poignée pouvant pivoter librement par l'intermédiaire d'une rotule par rapport à son support).
De par la présence de poulies déviatrices à chaque sommet 1O1 162 163 164 du tétraèdre 16, dans chaque direction de l'espace au moins deux ensembles de câbles exercent des forces de traction dans des sens opposés sur l'élément mobile 11, ce qui permet d'éviter un relâchement de la tension dans les câbles.
Par ailleurs, afin de maintenir les câbles 241 et 242 tendus lorsque les moteurs 220 du dispositif sont hors puissance, et donc, en d'autres termes, pour éviter le déroulement des câbles 241 et 242 en cette situation, le câble 223 est enroulé sur l'arbre moteur 22O1 en sens inverse du sens d'enroulement des câbles 241 et 242 sur les poulies motrices 22O2, 22O3. Ce câble 223 est maintenu en tension à son extrémité libre par des moyens de rappels 224, encore appelés ressort, solidaires de la structure 17. Ainsi lorsque les câbles 241 et 242 tendent à se dérouler librement, la tension du ressort 224 transmise par le câble 223 retient l'arbre moteur dans sa position.
Une pièce 225 en forme d'olive métallique constituant la partie mobile d'une butée de position pour l'élément mobile 11, est sertie sur le câble 223. Ainsi lorsque les câbles 241 et 242 se déroulent, le câble 223 s'enroule sur l'arbre moteur jusqu'à une position extrême où la pièce 225 vient en contact avec le siège d'un perçage réalisé dans une équerre 226 solidaire de la structure 17, et au travers de laquelle coulisse librement le câble 223, ce qui limite ainsi la course de déroulement des câbles 241 et 242. Le maintien en tension des câbles 241 et 242 est obtenu dans une variante du mode de réalisation illustré figure 2 A par des moyens de mise en tension 227, ou poulies de pré-tension, représentés figure 2B. Ces poulies de pré-tension 227 montées sur tendeur 228 et mise au contact des câbles 241 et 242 entre les poulies motrices 22O2, 22O3 et les poulies déviatrices 2H1 et 2122 dévient les câbles 241 et 242 de façon à les maintenir tendus.
En appliquant des couples moteurs différents à chaque moteur 220, la différence de tension des câbles qui en résulte autorise le déplacement de l'élément mobile 11.
Lorsque l'élément mobile 11 n'est pas sollicité par l'opérateur, la tension résiduelle des câbles 241 et 242 contribue à ramener l'élément mobile dans la position de repos au centre de gravité du tétraèdre.
Le contrôle de l'intensité des couples exercés par les moteurs est paramétré par l'intermédiaire d'un automate programmable, ou encore boîtier de commande programmable, suivant des lois de proportionnalité fonction du déplacement de l'élément mobile, et par suite de la longueur d'enroulement/de déroulement des câbles sur l'arbre moteur.
On notera une simplification possible pour déduire une loi de commande (destinée à procurer une sensation de retour d'effort) applicable au dispositif selon l'invention. En effet, le mouvement imposé par un ensemble de deux câbles correspondant au dispositif de l'invention reproduit le mouvement d'un câble unique, solidaire de l'élément mobile au point médian des points d'accrochage et tendu à partir d'une unique poulie déviatrice, dont le centre coïncide avec le sommet du tétraèdre sur lequel est centré la paire de poulie déviant l'ensemble de deux câbles.
Il est clair toutefois que de nombreuses autres lois de commande connues de l'art antérieur, applicables à la commande de bras maîtres, peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Des moyens formant capteur sont préférentiellement installés sur chaque moteur pour permettre de connaître avec précision la longueur déroulée des deux câbles autour des poulies motrices. Ces moyens comprennent un capteur de position linéaire 229 mesurant le déplacement de l'extrémité du câble 223 enroulé sur l'arbre moteur en sens inverse du sens d'enroulement des câbles 24 j et 242 sur les poulies motrices 22O2, 22O3.
Ainsi la longueur d'enroulement des deux câbles 24j et 242 autour des poulies motrices est déduite de la mesure effectuée par le capteur linéaire 229.
Ces moyens formants capteurs suppléent un codeur d'angle transmettant la position angulaire de l'arbre moteur à l'automate programmable de façon à corréler le nombre de tours effectués par le moteur dans un sens donné à la longueur de câble déroulée., Ce codeur d'angle fournit une alerte en cas de détection d'un dysfonctionnement et/ou d'une défaillance des moyens formant capteur.
La figure 3 présente un dispositif selon l'invention de mise en mobilité d'un élément de support mobile 31 admis à se déplacer uniquement en translation sans pouvoir changer d'orientation dans le volume intérieur d'une structure 32 de forme tétraédrique régulière. Il est connu qu'un tel résultat peut être obtenu notamment en agissant pour figer en permanence deux orientations angulaires orthogonales du support mobile. À cet effet, deux ensembles de deux câbles parallèles sont tendus respectivement entre l'élément mobile 31 et chaque sommet 33 de la structure 32. Par soucis de lisibilité, seuls deux ensembles de câbles 33j et 332 déviés à partir d'un sommet 33 sont représentés sur la figure 3.
Les câbles 34j et 342 (respectivement 343 et 344) de l'ensemble de câbles 33j (respectivement 332) sont solidarisés à l'élément mobile 31 aux points d'accrochage 3S1 et 352 (respectivement 353 et 354). Ces points d'accrochage sont disposés de façon à ce que l'axe reliant les points d'accrochage 35j et 352 de l'ensemble de câbles 33j est orthogonal à celui reliant les points d'accrochage 353 et 354 de l'ensemble de câbles 332. En outre le point médian 36 des points 35X et 352 (respectivement des points 353 et 354) coïncide dans ce mode de réalisation avec le centre de gravité de l'élément mobile 31.
Au voisinage du sommet 33, deux paires de poulies déviatrices 37 et 38 centrées sur le sommet 33, et orientées dans des directions orthogonales, renvoient respectivement les ensembles de câbles 33] et 332 vers le même moteur. L'ensemble ainsi réalisé par l'élément mobile 31, et les deux ensembles de câbles 33j et 332 quittant la gorge des poulies déviatrices forme deux parallélogrammes 39 et 310 se déformant suivant deux plans perpendiculaires, ce qui permet de figer toutes les orientations de l'élément mobile par rapport au bâti.
Quatre poulies motrices, non représentées, fixées à l'arbre du moteur permettent d'enrouler/ dérouler simultanément les câbles des ensembles de câbles 33X et 332 autour de l'arbre.
La liaison, non représentée, de l'élément mobile 31 au moteur placé au voisinage des autres sommets du tétraèdre 32 est réalisée par un câble unique fixé au centre de gravité de l'élément mobile 31 et dévié par une poulie déviatrice folle centrée sur ces sommets.
La figure 4 représente de façon schématique un mode de réalisation particulier d'un dispositif 41 de mise en mobilité d'un élément mobile 42 comprenant un objet 43 articulé librement par rapport à son support 44. Un tel dispositif comprend quatre ensembles motorisés de paires de câbles parallèles tendus 4515 452, 453, 454 fixés au support et déviés au voisinage de quatre sommets d'une structure rigide 46 de forme sensiblement heptaédrique (ces sommets constituant également les sommets d'un tétraèdre régulier 47), et trois ensembles de câbles (formés chacun d'un câble unique) 48, reliés à l'objet 43 pour permettre de l'animer par rapport au support 44 disposés respectivement aux trois sommets inoccupés de la structure heptaédrique.
Dans une variante du mode de réalisation ci-dessus, le dispositif 41 peut être utilisé pour permettre de capturer un objet virtuel et de piloter son mouvement au sein d'une plateforme de réalité virtuelle. Bien évidemment, les déclinaisons possibles et envisageables des modes de réalisation du dispositif selon l'invention sont nombreuses.
Ainsi, par exemple, des aspects variés de la structure du dispositif de mise en mobilité peuvent être envisagés, parmi lesquels: les structures régulières sensiblement polyédriques ; - les structures non régulières sensiblement polyédriques. Dans un autre mode de réalisation particulier, il est clair qu'il peut être envisagé, sans sortir du cadre de l'invention, de mettre en œuvre le dispositif de contrôle selon l'invention pour fournir une interface haptique simple destinée par exemple aux applications de téléopération, de jeux, de réalité virtuelle, ou de conception assistée par ordinateur. Dans un autre mode de réalisation original, il peut être prévu d'intégrer un dispositif de mise en mouvement selon l'invention à un chargeur d'outil pour lequel l'objet à animer ou à manipuler est une pince articulée. Dans encore un autre mode de réalisation original, un organe de manœuvre, tel qu'un robot manipulateur, incorpore avantageusement un dispositif selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile (11), formé d'au moins un objet à animer et/ou à manipuler (21) et de son support (22 ;31), suivant une pluralité de directions prédéterminées, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une structure (17) définissant un polyèdre régulier dont le volume intérieur, défini par au moins quatre de ses sommets (1O1 ;162 ;163 ;164), forme un espace tridimensionnel de mise en mobilité dudit au moins un ensemble mobile (11), de façon à pouvoir modifier les positions et orientations de ce dernier par l'intermédiaire de moyens d'actionnement aptes à collaborer avec ledit polyèdre, lesdits moyens d'actionnement comprenant au moins quatre ensembles de câbles tendus (12 ;13 ;14 ;15 ; 45l5 452, 453, 454) respectivement entre un desdits au moins quatre sommets (1O1 ;162 ;163 ;164) distincts dudit polyèdre et un point d'accrochage (213] ;2132) audit ensemble mobile à animer et/ou à manipuler, et en ce qu'au moins un desdits ensembles de câbles (12 ;13 ;14 ;15) comprend au moins deux câbles (24j ;242 ; 25 j ;252 ; 2O1 ;262 ; 21 λ ;272 ) non jointifs, maintenus parallèles, formant parallélogramme (391 ;310) déformable de maintien dudit ensemble mobile (11) selon des orientations prédéterminées relativement à ladite structure (17).
2. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polyèdre est un tétraèdre régulier (16), et en ce que ledit support (22 ;31) dudit objet à animer et/ou à manipuler comprend ledit point d'accrochage (213j ;2132) audit ensemble mobile.
3. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polyèdre est un heptaèdre régulier, et en ce que ledit support (44) dudit objet à animer et/ou à manipuler comprend ledit point d'accrochage audit ensemble mobile, et en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent trois second ensembles de câbles tendus (48) respectivement entre un des trois sommets non compris parmi lesdits au moins quatre sommets distincts dudit heptaèdre et un point d'accrochage audit objet à animer et/ou à manipuler.
4. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent au moins quatre moteurs de retour d'effort (220) collaborant au voisinage d'au moins quatre des sommets (1O1 ;162 ;163 ;164) dudit polyèdre avec lesdits aux moins quatre ensembles de câbles tendus (12 ;13 ;14 ;15 ; 45l5 452, 453, 454) respectivement par l'intermédiaire de moyens d'enroulement/ de déroulement (22O2 ; 22O3).
5. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'enroulement/ de déroulement (22O2 ; 22O3) collaborent avec au moins une paire de poulies déviatrices (2H1 ;2122) espacées d'une distance prédéterminée au voisinage de chacun desdits au moins quatre sommets (1O1 ;162 ;163 ;164).
6. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite distance prédéterminée séparant les poulies de ladite paire de poulies déviatrices est sensiblement identique à la distance séparant les deux points d'accrochage (21S1 ;2132) de deux desdits câbles, et en ce que l'une des directions principales de ladite paire de poulies déviatrices (2H1 ;2122) est sensiblement parallèle à la direction définie par lesdits deux points d'accrochage (21S1 ;2132), de façon que l'ensemble formé par lesdits deux câbles tendus entre ladite paire de poulies déviatrices et lesdits points d'accrochage situés sur l'ensemble mobile forme un parallélogramme déformable en fonction du déroulement/ de l'enroulement desdits câbles sur lesdits moyens d'enroulement/ de déroulement dudit moteur de retour d'effort.
7. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite au moins une paire de poulies déviatrices (2H1 ;2122) est centrée sur au moins un desdits quatre sommets (16i ;162 ;163 ;164).
8. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent des moyens de rappel (224) agissant sur lesdits moyens d'enroulement et/ou de déroulement (22O2 ; 22O3) de façon à maintenir tendus ledit au moins un câble.
9. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent des moyens de mise sous tension (227) desdits ensembles de câbles appartenant au groupe comprenant :
- prétensionneur ;
- poulie de pré-tension.
10. Dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent des moyens de pilotage par automate programme collaborant avec des moyens formant capteur de mesure (229) de la longueur déroulée desdits deux câbles dudit au moins un desdits ensembles de câbles.
11. Dispositif d'animation interactif d'un objet virtuel comprenant :
- des moyens de capture du mouvement d'un ensemble mobile (11);
- des moyens d'affectation desdits mouvements capturés audit objet virtuel, caractérisé en ce que lesdits moyens de capture comprennent au moins une structure (17) définissant un polyèdre régulier dont le volume intérieur, défini par au moins quatre de ses sommets (1O1 ;162 ;163 ;164), forme un espace tridimensionnel de mise en mobilité dudit au moins un ensemble mobile, de façon à pouvoir modifier les positions et orientations de ce dernier par l'intermédiaire de moyens d'actionnement aptes à collaborer avec ledit polyèdre, lesdits moyens d'actionnement comprenant au moins quatre ensembles de câbles tendus (12 ;13 ;14 ;15 ; 45l5 452, 453, 454) respectivement entre un desdits au moins quatre sommets (1O1 ;162 ;163 ;164) distincts dudit polyèdre et un point d'accrochage (213] ;2132) audit ensemble mobile à animer et/ou à manipuler, et en ce qu'au moins un desdits ensembles de câbles comprend au moins deux câbles (24j ;242 ; 25j ;252 ; 2O1 ;262 ; 21 λ ;272 ), non jointifs, maintenus parallèles, formant parallélogramme (39 ;310) déformable de maintien dudit ensemble mobile selon des orientations prédéterminées relativement à ladite structure
12. Dispositif de contrôle du mouvement d'un ensemble mobile (11) à manipuler dans le volume intérieur délimité par au moins quatre sommets (1O1 ;162 ;163 ;164) d'un polyèdre régulier inscrit dans une structure (17), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de transmission de mouvement audit ensemble (11) à manipuler incluant au moins quatre ensembles de câbles (12 ;13 ;14 ;15 ; 45l5 452, 453, 454) tendus respectivement entre un desdits au moins quatre sommets distincts du polyèdre et un point d'accrochage (213] ;2132) audit objet à manipuler, et en ce qu'au moins un desdits ensembles de câbles comprend au moins deux câbles (24j ;242 ; 25j ;252 ; 2O1 ;262 ; 27 j ;272 ), non jointifs, maintenus parallèles lors du mouvement dudit ensemble mobile (11) entre une première et une seconde position et/ou posture.
13. Application du dispositif de mise en mobilité d'au moins un ensemble mobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à un domaine technique appartenant au groupe comprenant : - interface hap tique avec un environnement virtuel ;
- interface haptique avec un environnement de réalité augmentée ;
- rééducation thérapeutique ;
- conception assistée par ordinateur ;
- téléopération.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008080917A1 (fr) * 2006-12-27 2008-07-10 Commissariat A L'energie Atomique Interface haptique munie d'une structure a cables tendus, a grand angle de manoeuvre
CN102114632A (zh) * 2011-01-25 2011-07-06 北京航空航天大学 一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人
GB2495958A (en) * 2011-10-26 2013-05-01 Core Pd Ltd Tension cable robot

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201906857D0 (en) * 2019-05-15 2019-06-26 King S College London Cable driven robot

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995023053A1 (fr) * 1994-02-28 1995-08-31 Mcdonnell Douglas Corporation Robot-plateforme suspendu par des cables

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995023053A1 (fr) * 1994-02-28 1995-08-31 Mcdonnell Douglas Corporation Robot-plateforme suspendu par des cables

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ISHII M ET AL: "A 3D interface device with force feedback: a virtual work space for pick-and-place tasks", VIRTUAL REALITY ANNUAL INTERNATIONAL SYMPOSIUM, 1993., 1993 IEEE SEATTLE, WA, USA 18-22 SEPT. 1993, NEW YORK, NY, USA,IEEE, 18 September 1993 (1993-09-18), pages 331 - 335, XP010130475, ISBN: 0-7803-1363-1 *
PAUL BOSSCHER, ROBERT L. WILLIAMS II, MELISSA TUMMINO: "A concept for rapidly-deployable cable robot search and rescue systems", PROCEEDINGS OF THE ASME 2005 INTERNATIONAL DESIGN ENGINEERING TECHNICAL CONFERENCES AND COMPUTERS AND INFORMATION IN ENGINEERING CONFERENCE (IDETC/CIE 2005), 24 September 2005 (2005-09-24) - 28 September 2005 (2005-09-28), Long Beach, California, USA, XP002418204, Retrieved from the Internet <URL:http://www.ent.ohiou.edu/~bosscher/publications/DETC2005_rescue_robot.pdf> [retrieved on 20070205] *
PROCEEDINGS OF THE ASME 2006 INTERNATIONAL DESIGN ENGINEERING TECHNICAL CONFERENCES AND COMPUTERS AND INFORMATION IN ENGINEERING CONFERENCE (IDETC/CIE 2006), 10 September 2006 (2006-09-10) - 13 September 2006 (2006-09-13), Philadelphia, Pennsylvania, USA, XP002418205, Retrieved from the Internet <URL:http://www.ent.ohiou.edu/~bosscher/publications/bosscher_DETC2006-99016.pdf> [retrieved on 20070205] *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008080917A1 (fr) * 2006-12-27 2008-07-10 Commissariat A L'energie Atomique Interface haptique munie d'une structure a cables tendus, a grand angle de manoeuvre
CN102114632A (zh) * 2011-01-25 2011-07-06 北京航空航天大学 一种能实现快速重构的绳驱动并联机器人
GB2495958A (en) * 2011-10-26 2013-05-01 Core Pd Ltd Tension cable robot
CN104010775A (zh) * 2011-10-26 2014-08-27 科尔Pd有限公司 机器人设备及相关方法
US10016891B2 (en) 2011-10-26 2018-07-10 Core Pd Limited Robotic apparatus and associated method

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