WO2012072657A1 - Effecteur equipe d'un dispositif pour la localisation d'une partie utile d'un outil - Google Patents

Effecteur equipe d'un dispositif pour la localisation d'une partie utile d'un outil Download PDF

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Anis Sahbani
Vincent Francoise
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Universite Pierre Et Marie Curie (Paris 6)
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Definitions

  • a mechanical connecting member of the support to a tool holder comprising a chain of elements articulated together so that a useful part of a tool carried by the tool holder is permanence in a focal region extending around a fixed focal point relative to the support.
  • the link member 103 comprises a chain of elements constituted here of a first element 101 pivotally mounted on the support along a first axis A of pivoting, a second element 105 and a third element 106.
  • the second element 105 is articulated on the first element 101 along a second axis Bi perpendicular to the first axis A.
  • the third element 106 is articulated on the second element 105 along a third axis B 2 parallel to the second axis ⁇ .
  • the tool holder 104 is itself hinged to the third element 106 along a fourth axis of articulation B 3 parallel to the second Bi and third axis B 2 .
  • the two elements 105, 106 and the tool holder 104 are mechanically coupled so that they form a deformable parallelogram structure.

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Abstract

L'invention concerne un effecteur (1,100) comportant un support (2,102); un organe de liaison mécanique (3,103) du support (2,102) à un porte-outil (4,104), l'organe de liaison (3,103) comportant une chaîne d'éléments (5,6,101,105,106) articulés entre eux de sorte qu'une partie utile (8,108) d'un outil (7,107) porté par le porte-outil (4,104) se trouve en permanence dans une région focale s'étendant autour d'un point focal (F) fixe par rapport au support; un dispositif de localisation pour au moins estimer une distance (h) entre la partie utile (8,108) de l'outil (7,107) et un obstacle (11,111) selon une direction de mesure donnée, le dispositif de localisation comportant un capteur de mesure (9,109) générant un signal représentatif de ladite distance (h). Selon l'invention, le capteur est solidaire de l'effecteur (1,100) et est disposé sur celui-ci de sorte qu'une direction de visée du capteur ( 9, 109) correspondant à ladite direction de mesure passe sensiblement par le point focal (F). L'invention concerne également un robot muni d'un tel effecteur.

Description

Effecteur équipé d'un dispositif pour la localisation d'une partie utile d'un outil
L' invention concerne un effecteur et plus particulièrement un effecteur adapté à porter un outil de sorte qu'une partie utile de l'outil se trouve en permanence dans une région focale s' étendant autour d'un point focal qui est fixe dans un repère lié à l'effecteur. L'effecteur comporte en outre un dispositif de localisation pour au moins estimer une distance entre la partie utile de l'outil et un obstacle, selon une direction de mesure donnée. L'invention concerne également un robot comportant un tel effecteur.
Par partie utile de l'outil on entend la partie de l'outil destinée à venir en contact d'un obstacle c'est-à- dire la partie travaillante de l'outil.
L'invention est applicable notamment, bien que non exclusivement, à la robotique médicale dans le cadre d'opération chirurgicale comme une arthroplastie du genou ou une opération orthopédique, la partie utile de l'outil étant alors la partie de l'outil en contact avec un os à opérer .
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION
Un exemple d'effecteur à axes concourants et d'un robot équipé d'un tel effecteur sont illustrés dans le document US 2009041565. L'effecteur comporte :
- un support;
- un organe de liaison mécanique du support à un porte- outil, l'organe de liaison comportant une chaîne d'éléments articulés entre eux de sorte qu'une partie utile d'un outil porté par le porte-outil se trouve en permanence dans une région focale s' étendant autour d'un point focal fixe par rapport au support.
Un robot de comanipulation (on rappelle qu'un robot de comanipulation est caractérisé par le fait qu'une action qu'il effectue résulte d'un geste simultané et colocalisé d'un de ses effecteurs et d'un opérateur humain) comportant un tel effecteur simplifie grandement les gestes d'un opérateur. Cependant, il est primordial de connaître à tout instant une distance séparant la partie utile de l'outil et l'obstacle (par exemple un os) .
Il est connu d'associer à un tel effecteur un dispositif de localisation déporté physiquement. Le dispositif de localisation, comportant par exemple des caméras, localise l'outil dans un champ de mesure et calcule une distance, selon une direction donnée, entre une partie utile de l'outil et l'obstacle.
Cependant, il a été constaté que lorsque l'effecteur se déplaçait, il pouvait obstruer le champ de mesure du dispositif de sorte que ledit dispositif s'interrompt temporairement de calculer la distance entre la partie utile de l'outil et l'obstacle. Dans le cas d'un robot de co-manipulation comportant un tel effecteur, l'opérateur peut également obstruer le champ de mesure du dispositif. Un tel dispositif n'assure donc pas une connaissance à tout instant d'une distance entre une partie utile d'un outil et d'un obstacle.
On a également envisagé d'utiliser un dispositif de localisation disposé sur l'obstacle, ledit dispositif localisant dans un champ de mesure l'outil destiné à usiner 1' obstacle . Ainsi, le champ de mesure du dispositif ne peut être obstrué par un effecteur portant l'outil ou un opérateur.
Cependant, l'obstacle peut comporter différents éléments mobiles entre eux (c'est par exemple le cas d'une rotule de genou à opérer) . Il est alors nécessaire de disposer un dispositif de localisation sur chaque élément de l'obstacle ce qui alourdit le dispositif général. En outre, un tel dispositif de localisation s'avère complexe à mettre en œuvre car il doit être à la fois stabilisé sur l'obstacle et peu invasif pour ne pas abîmer l'obstacle. Il est ainsi difficilement utilisable en cas d'opération chirurgicale .
OBJET DE L'INVENTION
L'objectif de l'invention est de proposer un effecteur et des moyens de mesure associés évitant les inconvénients précités .
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose selon 1' invention un effecteur comportant :
- un support;
- un organe de liaison mécanique du support à un porte- outil, l'organe de liaison comportant une chaîne d'éléments articulés entre eux de sorte qu'une partie utile d'un outil porté par le porte-outil se trouve en permanence dans une région focale s' étendant autour d'un point focal fixe par rapport au support;
- un dispositif de localisation pour au moins estimer une distance entre la partie utile de l'outil et un obstacle selon une direction de mesure donnée, le dispositif de localisation comportant un capteur de mesure et des moyens de calcul pour déduire d'au moins une mesure effectuée par le capteur au moins une distance entre la partie utile de l'outil et l'obstacle selon la direction de mesure.
Selon l'invention, le capteur est solidaire de l'effecteur et est disposé sur celui-ci de sorte qu'une direction de visée du capteur correspondant à ladite direction de mesure passe sensiblement par le point focal.
La partie utile de- l'outil reste donc en permanence dans le champ de mesure du capteur. Le capteur du dispositif de localisation localise la partie utile de l'outil sans qu'un élément de la chaîne d'éléments ne s'interpose entre lui et l'obstacle. De la même façon, dans le cas d'un robot de co-manipulation comportant un tel effecteur, un opérateur ne peut s'interposer entre le capteur du dispositif de localisation et l'obstacle à moins de placer volontairement sa main au niveau de la direction de visée.
Il a d'ailleurs été constaté qu'un opérateur, utilisant un robot de co-manipulation comportant un tel effecteur se représentait plus aisément la distance estimée par le dispositif de localisation que lorsque le capteur était déporté complètement de l'effecteur.
Grâce aux dispositions de l'invention, la mesure de la distance entre la partie utile de l'outil et l'obstacle, c'est-à-dire une distance courte, ne se fait pas par différence entre une distance séparant un dispositif de localisation déporté et la partie utile de l'outil d'une part et entre le dispositif de localisation déporté et l'obstacle d'autre part, c'est-à-dire entre deux distances longues. Ceci améliore la précision de la mesure de la distance entre la partie utile de l'outil et l'obstacle. L' invention concerne également un robot comprenant un tel effecteur.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un premier effecteur selon l'invention;
- la figure 2 est une vue en perspective d'un second effecteur selon l'invention;
- la figure 3 est une vue en perspective d'un robot comportant un effecteur tel qu' illustré à la figure 1 ;
la figure 4 est une vue en perspective de l'effecteur illustré à la figure 1 selon une première variante de réalisation ;
la figure 5 est une vue en perspective de l'effecteur illustré à la figure 1 selon une deuxième variante de réalisation.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, un premier exemple d'effecteur 1 selon l'invention comporte un support 2, et un organe de liaison mécanique 3 pour relier le support 2 à un porte-outil 4.
L'organe de liaison 3 comporte une chaîne d'éléments constituée ici d'un premier élément 5 et d'un deuxième élément 6. Le premier élément 5 est monté pivotant sur le support 2 selon un premier axe A de pivotement. Le deuxième élément 6 est articulé sur le premier élément 5 selon un deuxième axe B0, concourant avec le premier axe A en un point focal F. Le deuxième élément 6 est solidaire du porte-outil 4 (ici le porte-outil 4 et le deuxième élément 6 forment une unique pièce) qui est conformé pour porter un outil 7 de sorte que l'outil 7 s'étende selon un troisième axe C qui concoure avec le premier axe A et le deuxième axe B0 au point focal F et qu'une partie utile 8 de l'outil 7 se trouve en permanence essentiellement centrée sur le point focal F. L'organe de liaison 3 forme ainsi une structure à axes concourants qui assure que le point focal F soit fixe par rapport au support 2 et que la partie utile 8 de l'outil 7 soit en permanence essentiellement centrée sur le point focal F. En l'occurrence, la partie utile 8 est ici une pointe mais peut prendre toute autre forme, par exemple une fraise boule.
Selon l'invention, l'effecteur 1 est équipé d'un dispositif de localisation qui permet d'estimer une distance h entre la partie utile 8 et un obstacle 11 (ici un os) selon une direction de mesure donnée. Le dispositif de localisation comporte ici une caméra 9 solidaire de l'effecteur 1, une direction de visée d'un champ de mesure 10 de la caméra 9 correspondant à ladite direction de mesure. Selon un mode de réalisation privilégié, la caméra 9 est disposée sur l'effecteur de sorte que la direction de visée de la caméra 9 coïncide avec le premier axe A et passe sensiblement par le point focal F. Ici, la caméra 9 est disposée sur le support 2.
Ainsi, à partir de la mesure effectuée par la caméra 9, des moyens de calcul du dispositif de localisation estiment en service la distance h entre la partie utile 8 et l'obstacle 11 selon la direction du premier axe A, le premier axe A étant donc ici également la direction de mesure. Dans cette disposition, le champ de mesure 10 ne peut être obstrué par le premier élément 5 ou le deuxième élément 6 et la caméra 9 localise ainsi à tout instant la partie utile 8. La mesure de la distance h est ainsi indépendante d' un quelconque mouvement du premier élément 5 ou du deuxième élément 6.
En référence à la figure 2, un deuxième exemple d'effecteur 100 selon l'invention comporte un support 102, et un organe de liaison mécanique 103 pour relier le support 102 à un porte-outil 104.
L'organe de liaison 103 comporte une chaîne d'éléments constituée ici d'un premier élément 101 monté pivotant sur le support selon un premier axe A de pivotement, un deuxième élément 105 et un troisième élément 106. Le deuxième élément 105 est articulé sur le premier élément 101 selon un deuxième axe Bi perpendiculaire au premier axe A. Le troisième élément 106 est articulé sur le deuxième élément 105 selon un troisième axe B2 parallèle au deuxième axe Βχ. Le porte-outil 104 est lui-même articulé sur le troisième élément 106 selon un quatrième axe d'articulation B3 parallèle au deuxième Bi et troisième axe B2. Les deux éléments 105, 106 et le porte-outil 104 sont couplés mécaniquement de sorte qu'ils forment une structure en parallélogramme déformable.
Le porte-outil 104 est conformé pour porter un outil 107 de sorte que l'outil 107 s'étende selon un cinquième axe C qui concoure avec le premier axe A en un point focal F et qu'une partie utile 108 de l'outil 107 se trouve en permanence essentiellement centrée sur le point focal F. La structure en parallélogramme assure que le point focal F soit fixe par rapport au support 102 et que la partie utile 108 soit en permanence essentiellement centrée sur le point focal F.
Selon l'invention, l'effecteur 100 est équipé d'un dispositif de localisation qui permet d'estimer une distance h entre la partie utile 108 et un obstacle 111 selon une direction de mesure donnée. Le dispositif de localisation comporte ici une caméra 109 solidaire de l'effecteur 100, une direction de visée d'un champ de mesure 10 de la caméra 9 correspondant à ladite direction de mesure. Selon un mode de réalisation privilégié, la caméra 109 est disposée sur l'effecteur 100 de sorte que la direction de la caméra 109 coïncide avec le premier axe A et passe sensiblement par le point focal F. Ici, la caméra
109 est disposée sur le support 102.
Ainsi, grâce à la mesure effectuée par la caméra 109, des moyens de calcul du dispositif de localisation mesurent en service la distance h entre la partie utile 108 et l'obstacle 111 selon la direction du premier axe A, le premier axe A étant donc ici également la direction de mesure. Dans cette disposition, le champ de mesure 110 ne peut être obstrué par le premier élément 105 ou le deuxième élément 106 et la caméra 109 localise ainsi à tout instant la partie utile 108. La mesure de la distance h est ainsi indépendante d'un quelconque mouvement du premier élément 105 ou du deuxième élément 106.
Un exemple d'application d'un effecteur selon l'invention est illustré à la figure 3. Un robot 12 est équipé de l'effecteur 1 de l'invention, ledit effecteur 1 étant relié au robot 12 par l'intermédiaire du support 2.
En cas de co-manipulation, un opérateur maniant l'outil 7 ne peut s'interposer entre la caméra 9 et l'obstacle 11 de sorte que le champ de mesure 10 ne peut être obstrué par l'opérateur, pas plus que par le premier élément 5 ou le deuxième élément 6.
L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit et englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.
Dans la mesure où, comme dans les exemples illustrés, la partie utile de l'outil est centrée sur le point focal, il suffit, pour connaître la distance entre cette partie utile et l'obstacle, de mesurer une distance entre un point de référence lié à l'effecteur et l'obstacle, et d'en soustraire la distance - connue - entre le point de référence et le point focal. Cependant, la partie utile de l'outil pourra plus généralement se trouver dans une région focale s' étendant autour du point focal F. Bien entendu, il sera avantageux que la région focale soit peu étendue de sorte que la partie utile de l'outil reste en permanence dans le champ de mesure du capteur. Ainsi, le cas échéant, les moyens de localisation pourront localiser précisément la partie utile de l'outil dans un repère lié à l'effecteur, et notamment mesurer la distance entre le point de référence et la partie utile de l'outil afin de la soustraire à la distance entre le point de référence et l'obstacle. Alternativement, la position de la partie utile de l'outil pourra être déduite de la mesure des mouvements de la chaîne d'éléments de l'effecteur.
Bien que l'on ait indiqué que l'organe de liaison 3,103 comportait une chaîne d'éléments, constituée ici de deux éléments 5,6 ou de trois éléments 101, 105, 106, ladite chaîne d'éléments pourra bien entendu être constituée d'un plus petit ou d'un plus grand nombre d'éléments pourvu que l'outil 7,107 puisse être porté par le porte-outil 4,104 de sorte qu'une partie utile de celui- ci reste en permanence dans une région focale s' étendant autour du point focal F.
Bien que l'on ait indiqué que l'estimation de la distance h était déduite d'une ou plusieurs mesures effectuées par la caméra 9,109 on pourra utiliser tout autre capteur de mesure connu pour estimer cette distance h, comme par exemple un capteur à ultrasons.
Bien qu' ici la direction de visée du capteur de mesure coïncide avec le premier axe A, la direction de visée du capteur pourra seulement passer sensiblement par le point focal F, les moyens de calculs déduisant alors d'au moins une mesure effectuée par le capteur la distance h selon la direction de mesure.
Bien que l'on ait indiqué que le dispositif de localisation estime ici la distance h, le dispositif de localisation pourra en outre transmettre d'autres informations relatives à l'obstacle 11,111 ou à la partie utile de l'outil 8,108. En référence à la figure 4, le dispositif de localisation pourra par exemple comporter des moyens, comme un laser 12, pour cartographier en trois dimensions une partie de l'obstacle 11,111 contenue dans un champ de mesure 13 desdits moyens. En référence à la figure 5, le dispositif de localisation pourra également comporter des moyens, comme un capteur à ultrasons 14, pour mesurer une épaisseur de l'obstacle 11,111 selon une direction donnée, par exemple la direction de mesure. Un seul et même capteur de mesure pourra être utilisé pour estimer la distance h et d'autres informations relatives à l'obstacle 11,111 ou à la partie utile de l'outil 8,108.

Claims

REVENDICATIONS
1. Effecteur (1,100) comportant :
- un support (2,102);
- un organe de liaison mécanique (3,103) du support (2,102) à un porte-outil (4,104), l'organe de liaison
(3,103) comportant une chaîne d'éléments
(5,6,101,105,106) articulés entre eux de sorte qu'une partie utile (8,108) d'un outil (7,107) porté par le porte-outil (4,104) se trouve en permanence dans une région focale s' étendant autour d'un point focal (F) fixe par rapport au support;
- un dispositif de localisation pour au moins estimer une distance (h) entre la partie utile (8,108) de l'outil (7,107) et un obstacle (11,111) selon une direction de mesure donnée, le dispositif de localisation comportant un capteur de mesure (9,109) et des moyens de calcul pour déduire d'au moins une mesure effectuée par le capteur au moins une distance (h) entre la partie utile de l'outil et l'obstacle selon la direction de mesure;
l'effecteur (1,100) étant caractérisé en ce que le capteur (9,109) est solidaire de l'effecteur (1,100) et est disposé sur celui-ci de sorte qu'une direction de visée du capteur ( 9, 109) correspondant à ladite direction de mesure passe sensiblement par le point focal (F) .
2. Effecteur selon la revendication 1, dans lequel l'organe de liaison mécanique (3,103) est monté pivotant sur le support (2,102) selon un axe (A) de pivotement, la direction de visée du capteur de mesure (9,109) coïncidant avec ledit axe de pivotement.
3. Effecteur selon la revendication 2, dans lequel le capteur de mesure (9,109) est disposé sur le support (2, 102) .
4. Effecteur selon la revendication 1, dans lequel le capteur de mesure (9,109) est une caméra.
5. Effecteur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de localisation comporte des moyens pour cartographier en trois dimensions une partie de l'obstacle (11,111) contenue dans un champ de mesure (13) desdits moyens .
6. Effecteur selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de localisation comporte un laser (12) .
7. Effecteur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de localisation comporte des moyens pour mesurer une épaisseur de l'obstacle (11,111) selon une direction donnée .
8. Effecteur selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de localisation comporte un capteur à ultrasons (14) .
9. Robot (12) comportant au moins un effecteur (1,100) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, l'effecteur étant relié au robot par l'intermédiaire du support (2,102) de l'effecteur.
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