WO2021005284A1

WO2021005284A1 - Module robotique de traction

Info

Publication number: WO2021005284A1
Application number: PCT/FR2020/051141
Authority: WO
Inventors: Thomas DAUNIZEAU
Original assignee: Sorbonne Université; Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-01-14
Also published as: FR3098432B1; FR3098432A1

Abstract

La présente invention concerne un module robotique de traction (1), caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moteur rotatif (5) d'axe longitudinal entraînant en rotation un tambour d'enroulement (6) coaxial au moteur (5) et sur lequel est enroulé un câble de traction (3), b) un système de guidage radial du câble vers l'extérieur du module (1), le système de guidage étant d'orientation radiale et comprenant successivement, en direction de l'extérieur du module, un manchon de guidage et un tore muni d'une surface interne courbe, de manière à ce que le câble (3) issu du manchon de guidage puisse s'appuyer sur le tore, le manchon de guidage et le tore étant coaxiaux et montés radialement à rotation sur un roulement, c) une source d'énergie électrique, d) des capteurs, dont un capteur de la longueur de câble déroulé et un capteur de commande de l'effort de traction du câble (3), e) un système de commande de l'effort de traction à appliquer au câble (3), et f) un système de communication apte à échanger avec l'extérieur du module (1) des données issus des capteurs et à recevoir de l'extérieur du module une commande de l'effort de traction à appliquer au câble (3) par le système de commande.

Description

MODULE ROBOTIQUE DE TRACTION

Description

[0001 ] |La présente invention a pour objet un module robotique de traction,

permettant en particulier la traction d’un élément de préhension via un câble. Elle a également pour objet un dispositif de traction comprenant une pluralité desdits modules.

[0002] On connaît des modules robotiques haptiques (à retour d’effort), tels que celui décrit dans la publication de C.E. Wong and A. Okamura : « The Snaptic Paddle : A Modular Haptic Device », Proceedings of the World Haptic Conférence, 2005. Il s’agit dans ce document d’un assemblage de deux modules robotiques ayant chacun un degré de liberté. L’ensemble génère alors un retour d’effort sur deux degrés de liberté. Le module décrit dans ce document intègre une transmission par câble agencée sous forme de cabestan. Le câble ne joue donc dans ce cas qu’un rôle intermédiaire pour lier cinématiquement un arbre moteur à une poulie. En conséquence, une liaison mécanique additionnelle est alors requise pour combiner deux modules. Cette liaison sera d’autant plus complexe que le nombre de modules assemblés sera grand. Cette conception bride ainsi le nombre total de degrés de liberté pouvant être atteints. Un autre inconvénient de ces systèmes est leur faible amplitude de rotation qui va limiter l’espace de travail.

[0003] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

[0004] L’invention a ainsi pour objet un module robotique de traction.

[0005] Le module selon l’invention comprend : a) un moteur rotatif d’axe longitudinal entraînant en rotation un tambour d’enroulement coaxial au moteur et sur lequel est enroulé un câble de traction, b) un système de guidage radial du câble vers l’extérieur du module, le système de guidage étant d’orientation radiale et comprenant successivement, en direction de l’extérieur du module, un manchon de guidage et un tore, de manière à ce que le câble issu du manchon de guidage puisse s’appuyer sur le tore, le manchon de guidage et le tore étant coaxiaux et montés radialement à rotation sur un roulement, c) une source d’énergie électrique, d) des capteurs, dont un capteur de la longueur de câble déroulé et un capteur de commande de l’effort de traction du câble, e) un système de commande de l’effort de traction à appliquer au câble, et f) un système de communication apte à échanger avec l’extérieur du module des données issues des capteurs et à recevoir de l’extérieur du module une commande de l’effort de traction à appliquer au câble par le système de commande.

[0006] Le module peut comprendre un corps de module parallélépipédique dont une ou plusieurs faces sont munies d’un matériau adhésif.

[0007] Ainsi, l’invention réside dans l’intégration de l’aspect modulaire et dans la résolution de ses contraintes inhérentes. L’invention permet de rendre aisée la création de dispositifs robotiques singuliers, complexes, et/ou performants grâce à des modules pouvant être combinés. Pour ce faire, ils sont disposés par l’utilisateur dans son environnement afin de générer un espace de travail ou une configuration lui convenant. Un changement de position, un ajout ou une suppression de modules au gré des applications peut s’avérer nécessaire pour s’adapter au mieux à chaque situation. Cela est rendu possible par l’adhésif repositionnable situé sur une ou plusieurs faces du module, par exemple sur la base du module. Toujours dans le cadre de la modularité, l’invention résout également la problématique de guidage omnidirectionnel du câble en sortie du tambour d’enroulement. En effet, les robots à câbles existants offrent pour la plupart un guidage avec poulie qui ne peut pas s’accommoder d’importantes variations d’orientation du câble. Or cela est nécessaire puisque la direction de tension du câble n’est a priori pas connue dans le cadre d’une utilisation modulaire. Pour ce faire, le module robotique met en œuvre le mécanisme de guidage du câble à faible frottement obtenu en combinant un élément roulant et des surfaces de glissement adéquates. Conformément à l’invention, le câble est l’élément final de la chaîne cinématique. La flexibilité du câble permet de s’affranchir d’une liaison supplémentaire. Des combinaisons donnant de nombreux degrés de liberté sont simples à réaliser et autorisent une grande variété d’opérations. Un large espace opérationnel est ainsi possible car une grande longueur de câble peut être déployée par module.

[0008] Le matériau adhésif peut être un élastomère poreux.

[0009] Préférentiellement, le matériau adhésif est une bande magnétique. [0010] Le système de communication peut être apte à recevoir de l’extérieur du module une commande de l’effort de traction à appliquer au câble, par le système de commande, en fonction de la longueur de câble déroulé, et éventuellement en fonction de l’effort de traction mesuré.

[0011] Le câble peut être relié à un élément intermédiaire. L’élément intermédiaire peut par exemple être destiné à coupler le câble avec un élément de préhension ou peut être un élément de fixation du câble à un support. L'élément

intermédiaire est ainsi l'élément que l'on vient fixer à l'extrémité du câble, tandis que l'élément de préhension est celui maintenu par l'utilisateur. L’élément de préhension peut par exemple se présenter sous la forme d’un anneau ou d’une sphère.

[0012] Le système de communication peut être un système de communication sans fil.

[0013] L’invention a également pour objet un dispositif robotique.

[0014] Le dispositif robotique selon l’invention comprend une pluralité de modules décrits ci-dessus.

[0015] Le dispositif peut comprendre un unique élément de préhension auquel est relié le câble de chaque module.

[0016] Le dispositif peut comprendre une unité de commande apte à commander, via le système de commande de chaque module, l’effort de traction à appliquer au câble de chaque module en fonction de la longueur de câble déroulé.

[0017] L’invention a également pour objet l’utilisation d’une pluralité de modules décrits ci-dessus pour la traction d’un élément de préhension.

[0018] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

[0019] [Fig. 1] est une vue en perspective d’un module robotique de traction selon l’invention;

[0020] [Fig. 2] est une vue en coupe du module de la figure 1 illustrant le moteur rotatif du module ; [0021] [Fig. 3] est une vue en coupe du module illustrant le système de guidage du câble du module ;

[0022] [Fig. 4] est une première vue en perspective éclatée du module illustrant le système de guidage du câble du module ;

[0023] [Fig. 5] est une deuxième vue en perspective éclatée du module illustrant le système de guidage du câble du module ;

[0024] [Fig. 6] est une vue partielle en perspective du module ;

[0025] [Fig. 7] illustre un premier mode de réalisation d’un dispositif de traction

comprenant une pluralité de modules ;

[0026] [Fig. 8] illustre un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de traction comprenant une pluralité de modules ;

[0027] [Fig. 9] illustre un troisième mode de réalisation d’un dispositif de traction

comprenant une pluralité de modules ;

[0028] [Fig. 10] illustre un quatrième mode de réalisation d’un dispositif de traction comprenant une pluralité de modules.

[0029] DESCRIPTION DETAILLEE

[0030] Tel qu’illustré aux figures 1 et 2, un module robotique de traction 1 selon

l’invention comprend un corps de module 2 de forme parallélépipédique, un câble 3 et un élément intermédiaire 4, disposé à l’extrémité du câble 3 qui est située à l’extérieur du corps de module 2 et sur lequel pourra être fixé un élément de préhension.

[0031] A l’intérieur du corps de module 2 est disposé un moteur rotatif 5 d’axe

longitudinal. Le moteur 5 peut être un moteur rotatif à courant continu

commercialisé sous la dénomination Maxon^® DCX12 par la société Maxon Motor, de type « coreless » en langue anglaise, c’est-à-dire sans partie ferromagnétique tournante. Cette technologie d’actionneur améliore la réponse dynamique du module et réduit la masse perçue par l’utilisateur dans le cas d’une utilisation haptique. [0032] Le moteur 5 est en prise directe, via un arbre moteur 5a, avec un tambour 6 sur lequel est enroulé le câble 3. Le câble 3 peut être en polyéthylène de masse molaire très élevée (par exemple en UHMWPE pour ultra high molecular weight polyethylene en langue anglaise). Ce matériau confère au câble une grande rigidité alliée à un faible coefficient de frottement. Avec notamment un diamètre de 80 miti, et subséquemment une faible masse linéique, ce câble employé est apte à la transmission de vibrations.

[0033] Le mécanisme guidant le câble 3 en sortie du module 1 admet de

nombreuses orientations spatiales de façon à ce que son extrémité libre puisse décrire un hémisphère. Autrement dit, il est possible de faire parcourir un angle solide de 2 p stéradians au câble 3 tendu. Une telle mobilité angulaire du câble permet de compenser un éventuel mauvais agencement du module 1 , ce qui lui procure une grande liberté de placement. Il est préférable d’effectuer ce guidage avec le minimum de frottement pour éviter les à-coups en sortie de module 1 et contrôler finement la force de traction. Ainsi, le guidage est assuré

successivement par un manchon de guidage 7 puis un tore 8 dont la géométrie courbe empêche une usure prématurée du câble 3. Un tore est un solide géométrique représentant un tube courbé refermé sur lui-même, c’est-à-dire un solide de révolution de l'espace obtenu à partir d'un disque, à la manière d’un anneau. Le tore 8 présente ainsi notamment une surface interne courbe sur laquelle le câble 3 issu du manchon de guidage 7 peut venir en contact.

[0034] Le manchon 7 et le tore 8 sont avantageusement en PTFE

(polytétrafluoroéthylène) pour améliorer le glissement lors d’un mouvement de traction du câble 3. L’ensemble est monté sur un élément roulant qui est solidaire de la bague intérieur d’un roulement à billes 9, de manière à réduire le frottement lors d’un changement d’orientation du câble 3. Le manchon 7 peut être disposé à l’intérieur d’un support pivotant 17 de forme tronconique et qui est solidaire du roulement à billes 9 (figures 3 à 5).

[0035] Ainsi, le système de guidage du câble 3 vers l’extérieur du module 1 permet un guidage radial du câble 3 depuis le tambour 6. Le support pivotant 17 de forme tronconique présente une bordure supérieure qui vient s’appuyer sur l’élément roulant 9 qui est monté sur le corps de module 2. La bordure supérieure du support pivotant 17 est alignée avec la surface supérieure du corps de module 2. Le tore 8 est disposé à l’intérieur du support pivotant 17, sur une surface de réception du tore 8 située au niveau de la surface supérieure du corps de module 2. Le manchon de guidage 7 est situé à l’intérieur du corps de module 2, sous le tore 8, et s’étend radialement à l’intérieur d’un alésage cylindrique du support pivotant 17. En appui sur le tore 8 et sur la bordure supérieure du support pivotant 17 se trouve un attache câble 18 recouvert par un aimant permanent 19 (figures 4 et 5). Cet ensemble constitué de l’attache câble 18 et de l’aimant permanent 19 constitue l’élément intermédiaire 4.

[0036] L’attache câble 18 est fixé au câble 3 de manière permanente mais ne

s'appuie sur le tore 8 qu'en position de "repos", lorsque le câble 3 est

complètement enroulé autour du tambour 6. Par ailleurs, l'élément roulant 9 étant ferromagnétique (en acier), l'attache câble 18 surmonté de son aimant

permanent 19 se retrouve attiré vers ce roulement à billes. Ainsi, l'attache câble 18 se retrouve maintenu légèrement mais sûrement en position de repos. Ceci évite que le câble 3 se déroule lors du transport ou de la mise en place du module 1. La répétabilité de cette mise en position est garantie par la surface inférieure de l’attache câble 18 épousant la géométrie courbe du tore 8 sur lequel il s’appuie.

[0037] Outre cet aspect plutôt pratique, cette fonction joue un rôle avantageux pour une raison technique. L'encodeur magnétique qui permet la mesure de longueur du câble 3 est relatif. Dès lors, on lui impose une position "zéro" pendant la phase d'initialisation du microcontrôleur. Cette valeur initiale doit toujours être la même, d'où l’importance d'un maintien en position de "repos" fiable et répétable.

[0038] Le module 1 comprend des capteurs, à savoir un capteur de longueur

déroulée du câble 3 et un capteur de l’effort de traction exercé sur l’élément intermédiaire 4. La longueur de câble est calculée à partir de la rotation du tambour 6, elle-même mesurée par un encodeur rotatif magnétique 10 intégrant des capteurs à effet Hall, insérés à l’arrière du moteur 5 et d’un aimant

permanent 11 solidaire du rotor du moteur 5 (figure 2). Cette technologie sans contact évite les frottements et favorise de ce fait un contrôle précis de l’effort de traction. L’effort de traction est proportionnel au courant du moteur qui est mesuré par le biais d’une résistance en série avec son bobinage. [0039] Le module 1 comprend en outre différents circuits électroniques, qui sont typiquement des circuits imprimés. Un circuit électronique de puissance 12, associé à une source d’énergie 13, qui peut être par exemple une batterie AA Li- Mn (lithium-manganèse) à haute capacité de décharge (3.7V, 650mAh, 15C). Ce type de décharge permet de suivre les pics de puissance instantanée, de l’ordre de 10W. Un circuit électronique de commande 14 permet d’assurer à la fois le contrôle du moteur 5, des capteurs et le transfert des données. Il peut embarquer un microcontrôleur (par exemple de type nRF52832) utilisant le protocole de communication sans fil « Bluetooth 5 » en langue anglaise, ce protocole permettant la communication avec des dispositifs tels que des téléphones portables, des tablettes, mais également la communication entre plusieurs modules. Enfin, un circuit électronique d’interface 15 accueille l’encodeur rotatif magnétique décrit ci-dessus et éventuellement un port USB permettant de relier le module 1 à un ordinateur, que ce soit pour la programmation du

microcontrôleur ou pour une transmission de données à plus haute fréquence qu’avec le « Bluetooth 5 » (figure 6).

[0040] Les cartes électroniques participent à la structure mécanique du module 1 , limitant ainsi son coût et offrant un gain de place. En effet, une contrainte supplémentaire apportée par l’aspect modulaire est celle du coût, les utilisateurs ayant généralement besoin de plusieurs unités pour créer une plateforme robotique. Les modules sont économiques, car ils utilisent les cartes

électroniques comme support mécanique. Cette solution offre un gain de place tout en diminuant le nombre de composants et en simplifiant les opérations d’assemblage.

[0041] Le module 1 peut être muni d’une base adhésive 16. Cette couche d’adhésif repositionnable permet de faciliter la reconfiguration spatiale du module 1. Il peut s’agir d’une fine couche d’élastomère microporeux de 0.8 mm d’épaisseur qui une fois comprimée se comporte comme une distribution de ventouses

miniatures. L’avantage de cette couche d’adhésif est de pouvoir se fixer à n’importe quelle surface plate et non poreuse, par exemple du verre, du plastique ou encore du métal. Cet élément adhésif peut être remplacé par une couche magnétique, plus robuste mais limitant le matériau support à être

ferromagnétique. Egalement dans l’optique d’une reconfiguration aisée, la fixation de l’extrémité libre du câble peut être assurée par un aimant permanent 19.

[0042] L’invention prend tout son intérêt dans l’utilisation simultanée de plusieurs modules qui viennent d’être décrits, ce qui offre de nombreuses possibilités. En joignant les extrémités de plusieurs câbles, il devient possible d’obtenir une plateforme robotique à plusieurs degrés de liberté. Par exemple, une interface haptique à haute fidélité ayant trois degrés de liberté est réalisable à partir de quatre modules. Des combinaisons plus avancées sont envisageables avec des assemblages de modules en série ou en parallèle, pour amplifier l’espace de travail ou les efforts exercés. De la sorte, un système robotique peut aisément être monté afin de répondre à un cahier des charges où à une application particulière. De surcroît, la conception du module selon l’invention est propice à d’éventuels changements d’échelle ce qui élargit son champ d’application, en allant d’un module très compact dans le cadre d’une utilisation portable, jusqu’à des modules plus volumineux opérant dans une pièce entière.

[0043] La suite de la description est consacrée à différents modes de réalisation d’un dispositif robotique mettant en œuvre plusieurs modules qui viennent d’être décrits.

[0044] Tel qu’illustré aux figures 7 et 8, plusieurs modules 1 , par exemple au nombre de quatre dans le mode de réalisation illustré à la figure 7 ou au nombre de trois dans le mode de réalisation illustré à la figure 8, sont reliés à un unique élément de préhension 40. L’élément de préhension 40 est destiné dans cet exemple à accueillir un doigt 21 d’un utilisateur. L’élément de préhension 40 comprend une pluralité de logements 4a destinés à recevoir chacun un élément intermédiaire 4 d’un module 1 donné. Les logements 4a peuvent intégrer chacun un aimant permanent. Ils servent en effet à recevoir l'extrémité d'un câble de traction 3 et le maintien s'effectue par l'attraction magnétique entre les deux aimants

permanents, celui du logement 4a et celui de l'extrémité du câble 3. Ces logements 4a sont avantageusement répartis de manière symétrique. Une vue de détail de l’élément de préhension 40 est ajoutée sur les figures 7 et 8.

[0045] Une unité de commande du dispositif commande l’effort de traction à

appliquer au câble de chaque module 1 en fonction de la longueur de câble déroulé de chaque module 1 , c’est-à-dire en fonction de la position dans l’espace de l’élément de préhension 40. Ainsi, si l’élément de préhension 40 se déplace dans un plan, on peut par exemple commander l’effort de traction de manière à limiter le déplacement de l’élément de préhension 40 à l’intérieur d’une zone plane prédéterminée. On peut ainsi plus généralement utiliser le dispositif pour créer un dispositif à retour d’efforts dans un espace virtuel.

[0046] Dans le mode de réalisation illustré à la figure 9, plusieurs modules 1 sont disposés en parallèle, de sorte que les câbles 3 des modules 1 soient disposés parallèlement et en contact avec le corps 22 d’un utilisateur. On fixe un élément intermédiaire (non représenté) situé à l’extrémité de chaque câble 3 sur un support et on fait vibrer les câbles 3. On peut ainsi reproduire les vibrations de cordes d’une guitare et rendre accessible la musique aux personnes sourdes ou malentendantes.

[0047] La figure 10 illustre un mode de réalisation dans lequel on réalise une

interface haptique à haute-fidélité ayant trois degrés de liberté, à partir de quatre modules 1. Chaque câble 3 est relié à un unique élément de préhension 40 qui est par exemple de forme sphérique.

Claims

Revendications

[Revendication 1] ÎModule robotique de traction (1 ), caractérisé en ce qu’il comprend : a) un moteur rotatif (5) d’axe longitudinal entraînant en rotation un tambour d’enroulement (6) coaxial au moteur (5) et sur lequel est enroulé un câble de traction (3), b) un système de guidage radial du câble vers l’extérieur du module (1 ), le système de guidage étant d’orientation radiale et

comprenant successivement, en direction de l’extérieur du module, un manchon de guidage (7) et un tore (8), de manière à ce que le câble (3) issu du manchon de guidage (7) puisse s’appuyer sur le tore (8), le manchon de guidage (7) et le tore (8) étant coaxiaux et montés radialement à rotation sur un roulement (9), c) une source d’énergie électrique (13), d) des capteurs, dont un capteur de la longueur de câble déroulé et un capteur de commande de l’effort de traction du câble (3), e) un système de commande de l’effort de traction à appliquer au câble (3), et f) un système de communication apte à échanger avec l’extérieur du module (1 ) des données issues des capteurs et à recevoir de l’extérieur du module une commande de l’effort de traction à appliquer au câble (3) par le système de commande.

[Revendication 2] Module (1 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comprend un corps de module parallélépipédique (2) dont une ou plusieurs faces sont munies d’un matériau adhésif (16).

[Revendication 3] Module (1 ) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau adhésif (16) est une bande magnétique.

[Revendication 4] Module (1 ) selon l’une des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que le système de communication est apte à recevoir de l’extérieur du module (1 ) une commande de l’effort de traction à appliquer au câble, par le système de commande, en fonction de la longueur de câble déroulé.

[Revendication 5] Module (1 ) selon l’une des revendications 1 à 4,

caractérisé en ce que le câble (3) est relié à un élément intermédiaire (4).

[Revendication 6] Module (1 ) selon l’une des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que le système de communication est un système de communication sans fil.

[Revendication 7] Dispositif robotique, caractérisé en ce qu’il comprend une pluralité de modules (1 ) selon l’une des revendications 1 à 6.

[Revendication 8] Dispositif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’il comprend un unique élément de préhension (40) auquel est relié le câble (3) de chaque module (1 ).

[Revendication 9] Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de commande apte à commander, via le système de commande de chaque module, l’effort de traction à appliquer au câble (3) de chaque module (1 ) en fonction de la longueur de câble déroulé.

[Revendication 10] Utilisation d’une pluralité de modules (1 ) selon l’une des revendications 1 à 6 pour la traction d’un élément de préhension (40). j