FR2549916A1

FR2549916A1 - COMPLIANCE ACTIVE ARTICULATION DEVICE

Info

Publication number: FR2549916A1
Application number: FR8312263A
Authority: FR
Inventors: Alain Gaillet; Claude Reboulet
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1983-07-25
Filing date: 1983-07-25
Publication date: 1985-02-01
Also published as: FR2549916B1; GB8418922D0; GB2144711A; JPS6056893A; GB2144711B

Abstract

LE DISPOSITIF D'ARTICULATION COMPREND DEUX PLATEAUX 10, 12 RELIES PAR UNE STRUCTURE EN TREILLIS FERME COMPRENANT SIX BIELLETTES 13 DONT CHACUNE EST RELIEE AUX DEUX PLATEAUX PAR DES JOINTS UNIVERSELS. UN VERIN 13 COMMANDE INDEPENDAMMENT EST INTERPOSE SUR CHAQUE BIELLETTE 14, EN PARALLELE AVEC UN DETECTEUR 17 D'ELONGATION DU VERIN, POUR PERMETTRE UN REGLAGE FIN SUIVANT LES SIX DEGRES DE LIBERTE. LE DISPOSITIF EST UTILISABLE DANS UN BRAS DE ROBOT AYANT DEJA DES MOYENS DE DEPLACEMENT APPROCHE A CINQ OU SIX DEGRES DE LIBERTE, DE FACON A FORMER UN POIGNET DE REGLAGE FIN.THE ARTICULATION DEVICE CONSISTS OF TWO PLATES 10, 12 CONNECTED BY A CLOSED MESH STRUCTURE INCLUDING SIX 13 CONNECTING RODS EACH OF WHICH IS CONNECTED TO THE TWO PLATES BY UNIVERSAL JOINTS. AN INDEPENDENTLY CONTROLLED CYLINDER 13 IS INTERPOSED ON EACH LINKAGE 14, IN PARALLEL WITH A CYLINDER ELONGATION DETECTOR 17, TO ALLOW FINE ADJUSTMENT FOLLOWING THE SIX DEGREES OF FREEDOM. THE DEVICE CAN BE USED IN A ROBOT ARM ALREADY HAVING APPROACH MOVEMENT MEANS AT FIVE OR SIX DEGREES OF FREEDOM, SO AS TO FORM A FINE ADJUSTMENT WRIST.

Description

Dispositif d'articulation actif à compliance L'invention concerne lesThe invention relates to

dispositifs d'articulation du type comprenant deux plateaux reliés par une structure en treillis fermé comprenant six biellettes dont chacune est relive aux deux plateaux par des joints universels Elle trouve une application particulièrement importante dans les bras de robot ayant déjà des moyens de déplacement approché à cinq ou six degrés de liberté, de façon à former un poignet de réglage fin Toutefois elle est également applicable aux bâtis ou plate-formes réglables et orientables pour permettre de réaliser des opérations d'assemblage n'exigeant articulation devices of the type comprising two plates connected by a closed lattice structure comprising six links, each of which is connected to the two plates by universal joints It finds a particularly important application in the arms of the robot having already means of movement approached at five or six degrees of freedom, so as to form a fine adjustment wrist However, it is also applicable to adjustable or orientable frames or platforms to allow assembly operations not requiring

pas un robot complet.not a complete robot.

Les tâches complexes confiées maintenant aux robots, notamment les tâches d'insertion et d'assemblage, exigent 15 que le dispositif d'articulation interposé entre l'organe terminal, généralement une pince, et le socle de manipulateur, présente une élasticité telle qu'une faible erreur de positionnement ne se traduise pas par des contraintes d'effort excessives, risquant de détériorer le matériel, que le positionnement final de l'organe terminal puisse être fait The complex tasks now entrusted to the robots, in particular the insertion and assembly tasks, require that the articulation device interposed between the terminal member, generally a clamp, and the manipulator base, have an elasticity such that a slight positioning error does not translate into excessive force constraints, which risk damaging the material, that the final positioning of the terminal member can be made

avec une grande précision et que les efforts soient contrôlés. with great precision and that efforts are controlled.

On connaît déjà des dispositifs du type ci-dessus défini ("A compliant device for inserting a peg in a hole", par H McCallion et autres, The Industrial Robot, juin 1979) 25 à compliance passive, dans lesquels chaque biellette est télescopique, les deux pièces qui la constituent étant reliées par un coupleur élastique et connectées aux plateaux par des rotules Si on obtient ainsi une élasticité permettant de Devices of the type defined above are already known ("A compliant device for inserting a peg in a hole", by H McCallion et al., The Industrial Robot, June 1979) 25 with passive compliance, in which each link is telescopic, the two parts which constitute it being connected by an elastic coupler and connected to the plates by ball joints If one thus obtains an elasticity allowing

tolérer des erreurs d'alignement, le caractère passif de la 30 structure ne permet ni d'atteindre la précision de positionnement requise pour de nombreuses applications, ni de contr 6ler les efforts. tolerating alignment errors, the passive nature of the structure neither makes it possible to achieve the positioning precision required for many applications, nor to control the forces.

On connaît également de nombreux dispositifs articulés Many articulated devices are also known.

actifs destinés à constituer des poignets de robots Mais 35 aucun ne permet à lui seul d'assurer toutes les fonctions requises au degré désiré. assets intended to constitute wrists of robots However, none of them alone makes it possible to perform all the functions required to the desired degree.

En particulier, l'obtention d'une grande précision de positionnement n'a généralement été atteinte qu'au détriment de la charge utile transportable et elle implique une grande précision des actionneurs et des détecteurs, qui grève le prix du manipulateur en lui conférant, dans l'ensemble du domaine desservi, une précision élevée qui n'est nécessaire que dans la phase finale de mise en oeuvre. De plus, parmi les dispositifs articulés connus, la plupart, par exemple celui décrit dans le brevet FR 2 462 In particular, obtaining high positioning precision has generally been achieved only to the detriment of the transportable payload and it implies high precision of the actuators and detectors, which increases the price of the manipulator by giving it, in the whole area served, high precision which is only necessary in the final phase of implementation. In addition, among the known articulated devices, most, for example that described in patent FR 2,462

607, n'ont pas un nombre suffisant de degrés de liberté. 607, do not have a sufficient number of degrees of freedom.

Ils ne peuvent être utilisés sur des robots que si le bras 10 de ce robot possède déjà plusieurs degrés de liberté permettant de fixer la position de la pince terminale et d'effectuer un assemblage: le dispositif peut alors ne They can only be used on robots if the arm 10 of this robot already has several degrees of freedom making it possible to fix the position of the terminal clamp and to carry out an assembly: the device can then not

présenter que les degrés de liberté nécessaires à l'orientation de la pince. present only the degrees of freedom necessary for the orientation of the clamp.

Par ailleurs, on utilise généralement, dans les dispositifs actuels à compliance active, des vérins hydrauliques ou électriques Or, il est difficile de contrôler les efforts et d'appliquer un effort constant avec de tels vérins Sur un vérin hydraulique, on commande en effet In addition, hydraulic or electric cylinders are generally used in current devices with active compliance. However, it is difficult to control the forces and to apply a constant force with such cylinders.

essentiellement la vitesse en utilisant une servo-valve. basically speed using a servo valve.

Les vérins électriques utilisent généralement une transmission par vis sans fin, donc non réversible et ne permettant pas un contrôle d'effort ("Assembly automation", février Electric cylinders generally use a worm gear transmission, therefore not reversible and not allowing effort control ("Assembly automation", February

1983, p 21).1983, p 21).

Par ailleurs, le contrôle d'effort est très délicat àobtenir lorsque le dispositif ne présente pas tous les degrés de liberté requis pour une opération d'insertion et d'assemblage et que, par exemple, les déplacements en translation sont transmis depuis le bras, notamment du fait 30 de l'inertie des pièces et de l'importance des rapports Furthermore, force control is very difficult to obtain when the device does not have all the degrees of freedom required for an insertion and assembly operation and when, for example, the translational movements are transmitted from the arm, especially because of the inertia of the parts and the importance of the reports

de réduction de déplacement nécessaires. displacement reduction required.

La Drésente invention vise à fournir undispositif d'artiticulationrépondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet de commander des déplacements suivant six degrés de liberté au niveau même du dispositif, donc en réduisant au minimum l'inertie des éléments déplacés,et facilite la détection, et donc le contrôle, des efforts par mesure The present invention aims to provide an articulation device which better meets those previously known to the requirements of practice, in particular in that it makes it possible to control displacements according to six degrees of freedom at the same level of the device, therefore by reducing to the minimum the inertia of the displaced elements, and facilitates the detection, and therefore the control, of the forces by measurement

directe des déplacements.direct movement.

Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du type cidessus défini, caractérisé en ce qu'un vérin commandé indépendamment est interposé sur chaque biel Iette, en parallèle avec un détecteur d'élongation du vérin, pour permettre un réglage fin suivant les six degrés de liberté. Les vérins sont avantageusement des vérins pneumatiques, qui ont l'avantage d'être réversibles, d'apporter une souplesse naturelle due a la compressibilité du gaz, de permettre 10 de commander directement l'effort exercé Ce dernier résultat peut être atteint en les alimentant à l'aide d'une vanne commandée en tout ou rien par des impulsions de courant de rapport cyclique variable La souplesse naturelle des vérins pneumatiques assure une compliance passive en cas de contact 15 accidentel, cette compliance pouvant d'ailleurs être ajustée To this end, the invention proposes in particular a device of the above defined type, characterized in that an independently controlled jack is interposed on each Iette connecting rod, in parallel with a jack elongation detector, to allow fine adjustment according to the six degrees of freedom. The cylinders are advantageously pneumatic cylinders, which have the advantage of being reversible, of bringing natural flexibility due to the compressibility of the gas, of allowing direct control of the force exerted. This latter result can be achieved by supplying them using an all-or-nothing valve controlled by pulses of current with variable duty cycle The natural flexibility of the pneumatic cylinders ensures passive compliance in the event of accidental contact, this compliance being able to be adjusted

par modification de la raideur des asservissements. by modifying the stiffness of the controls.

Les vérins sont avantageusement des vérins à vis à commande électrique, lorsqu'il s'agit de réaliser un dispositif capable de procéder à des positionnements ou assemblages de 20 pièces de petites dimensions avec une très grande précision, The jacks are advantageously screw jacks with electrical control, when it is a question of producing a device capable of positioning or assembling 20 small parts with very high precision,

par exemple quelques microns, ce qui est le cas dans le domaine de la micro-mécanique. for example a few microns, which is the case in the field of micro-mechanics.

Les biellettbs sont avantageusement disposées de façon à constituer deux à deux, trois triangles équilatéraux-réguliè25 rement répartis autour de l'axe du dispositif, ce qui simplifie la matrice de correspondance entre efforts exercés par les vérins et faibles déplacements et rotations dans un trièdre de référence Les détecteurs associés à chaque vérin seront avantageusement constitués par des potentiomètres ou codeurs 30 fournissant un signal électrique directement utilisable par le calculateur de commande dont est généralement équipé un robot. The rods are advantageously arranged so as to constitute two by two, three equilateral triangles-regularly distributed around the axis of the device, which simplifies the matrix of correspondence between forces exerted by the jacks and small displacements and rotations in a trihedron of reference The detectors associated with each actuator will advantageously consist of potentiometers or encoders 30 providing an electrical signal directly usable by the control computer with which a robot is generally equipped.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution de The invention will be better understood on reading the following description of a particular embodiment of

l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: the invention, given by way of nonlimiting example The description refers to the accompanying drawings, in which:

la Figure 1 est un schéma de principe en perspective montrant les plateaux d'un dispositif suivant l'invention et la disposition relative de trois des six vérins qui l'équipent,: la Figure 2 est une vue de dessous du dispositif, deux vérins seulement étant représentés la Figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Figure 2; la Figure 4 est une vue de détail à grande échelle montrant la jonction d'un couple de vérins avec l'un des plateaux du dispositif; la Figure 5 est une vue de détail montrant le montage d'un détecteur sur un des vérins; la Figure 6 est un schéma de principe montrant la Figure 1 is a perspective block diagram showing the plates of a device according to the invention and the relative arrangement of three of the six cylinders which equip it,: Figure 2 is a bottom view of the device, only two cylinders being shown in Figure 3 is a sectional view along line III-III of Figure 2; Figure 4 is a detail view on a large scale showing the junction of a pair of jacks with one of the plates of the device; Figure 5 is a detail view showing the mounting of a detector on one of the cylinders; Figure 6 is a block diagram showing the

constitution de la chaîne de commande et de la boucle d'asservissement du dispositif. constitution of the control chain and the control loop of the device.

Le dispositif d'articulation qui sera maintenant décrit est notamment utilisable pour adapter un manipulateur à des opérations d'assemblage Il permet de munir le bras du manipulateur d'un outil terminal tel qu'une pince Ce dispositif permet d'assurer les fonctions de positionnement fin et de 20 contrôle des efforts exercés par l'intermédiaire de l'outil The articulation device which will now be described can in particular be used to adapt a manipulator to assembly operations. It makes it possible to provide the manipulator arm with a terminal tool such as a clamp. This device makes it possible to perform the positioning functions. end and control of the forces exerted by the tool

en laissant au manipulateur lui-même les fonctions de déplacement au cours de l'approche La manipulation d'assemblage pourra en conséquence être réalisée en deux étapes, d'abord un positionnement relatif grossier des deux pièces à assem25 bler, puis un déplacement précis et de faible amplitude réalisé à l'aide du dispositif d'articulation actif. by leaving the displacement functions to the manipulator itself during the approach. The manipulation of assembly can consequently be carried out in two stages, first a rough relative positioning of the two parts to be assembled, then a precise displacement and low amplitude achieved using the active articulation device.

Le dispositif (Figures 1 à 3) comporte dans ce but un plateau haut 10, qu'on supposera destiné à être fixé au bras du manipulateur, un plateau bas 12, qu'on supposera destiné à recevoir l'outil, et une structure en treillis fermé 14 reliant les plateaux De façon à donner au dispositif les six degrés de liberté nécessaires à la tâche d'assemblage fin, le treillis comprend six biellettes de longueur ajustable On voit que le treillis présente une symétrie de révolution d'ordre 3 autour de l'axe du dispositif Lorsque toutes les biellettes ont leur longueur nominale, elles constituent deux à deux avantageusement trois triangles équilatéraux, de façon à simplifier la matrice de correspondance entre longueur des biellettes et déplacements en translation et 'en rotation, The device (Figures 1 to 3) has for this purpose a high plate 10, which is assumed to be intended to be fixed to the arm of the manipulator, a low plate 12, which is assumed to be intended to receive the tool, and a structure in closed trellis 14 connecting the plates In order to give the device the six degrees of freedom necessary for the fine assembly task, the trellis comprises six rods of adjustable length. We see that the trellis has a symmetry of revolution of order 3 around the axis of the device When all the links have their nominal length, they advantageously constitute two by two three equilateral triangles, so as to simplify the matrix of correspondence between length of the links and displacements in translation and in rotation,

comme on le verra plus loin.as we will see later.

Pour permettre une variation de longueur des biellettes, chacune d'elles est constituée par un vérin 13 relié au pla5 teau haut 10 et au plateau bas 12 Le corps de chaque vérin est relié au plateau 12 par un joint universel constitué par un cardan 15 La tige du vérin est; de son coté, reliée au plateau bas par un second cardan 16 et un roulement à billes To allow a variation in length of the rods, each of them is constituted by a jack 13 connected to the top plate 10 and to the bottom plate 12 The body of each jack is connected to the plate 12 by a universal joint constituted by a cardan joint 15 La cylinder rod is; on its side, connected to the lower plate by a second gimbal 16 and a ball bearing

(Figure 4) La fixation sur les plateaux s'effectue par des 10 moyens classiques quelconques, tels que vis et écrous. (Figure 4) The fixing on the plates is carried out by any conventional means, such as screws and nuts.

Chaque vérin 13 est muni d'un détecteur de déplacement 17 constitué par un potentiomètre linéaire Le boîtier de ce potentiomètre est fixé au corps du vérin 13 par une bague 18 et un écrou 20 (Figure 5) Le curseur du potentiomètre Each actuator 13 is provided with a displacement detector 17 constituted by a linear potentiometer The housing of this potentiometer is fixed to the body of the actuator 13 by a ring 18 and a nut 20 (Figure 5) The potentiometer cursor

est solidaire de la tige du vérin 13 par une plaque vissée 19. is secured to the rod of the jack 13 by a screwed plate 19.

Par mise en oeuvre des six vérins 13, on obtient six degrés de liberté en translation et en rotation, l'amplitude de déplacement n'étant limitée que par l'élongation des vérins Ces derniers étant placés très près de l'outil, l'iner20 tie des éléments en mouvement lors du réglage fin est réduite au minimum Enfin, grâce à l'emploi de vérins pneumatiques, on peut commander l'outil soit en déplacement fin, soit en force et couple, L'effort de chaque tige de vérin peut en effet être commandé en hachant l'alimentation électrique By using the six jacks 13, six degrees of freedom in translation and rotation are obtained, the amplitude of movement being limited only by the elongation of the jacks The latter being placed very close to the tool, the iner20 tie of moving parts during fine adjustment is reduced to a minimum Finally, thanks to the use of pneumatic cylinders, the tool can be controlled either in fine displacement or in force and torque, The effort of each cylinder rod can indeed be controlled by chopping the power supply

d'électrovannes 26 reliées aux compartiments de chaque vérin. solenoid valves 26 connected to the compartments of each cylinder.

L'expérience montre en effet que, du moins au voisinage de l'équilibre, la variation de pression dans une chambre du vérin est sensiblement proportionnelle à la durée de l'impulsion électrique de commande de l'électrovanne correspondante. 30 Enfin, par ajustage de la raideur des asservissements, on Experience indeed shows that, at least in the vicinity of equilibrium, the pressure variation in a chamber of the jack is substantially proportional to the duration of the electrical impulse for controlling the corresponding solenoid valve. 30 Finally, by adjusting the stiffness of the controls, we

peut modifier la fonction de compliance. may change the compliance function.

Le dispositif qui vient d'être décrit est associé à une source de gaz sous pression régulée par un système de commande qui sera généralement à calculateur numérique. 35 L'organigramme du système est celui représenté en Figure 6 sur laquelle on a figuré les signaux d'entrée x et ô représentant les position et orientation à atteindre dans un trièdre de référence lié au bras Ces signaux attaquent un calculateur programmé pour correspondre au modèle géométrique inverse 23 du dispositif Les signaux de sortie de 23, représentant les élongations à donner aux vérins 13, attaquent, par The device which has just been described is associated with a source of pressurized gas regulated by a control system which will generally be a digital computer. 35 The flowchart of the system is that represented in FIG. 6 on which the input signals x and ô representing the position and orientation to be reached in a reference trihedron linked to the arm have been represented. These signals attack a computer programmed to correspond to the model. inverse geometric 23 of the device The output signals of 23, representing the elongations to be given to the jacks 13, attack, by

l'intermédiaire d'un soustracteur 24 qui reçoit les signaux 5 de contreréaction des détecteurs 17, les électrovannes 25. through a subtractor 24 which receives the feedback signals 5 from the detectors 17, the solenoid valves 25.

Les signaux fournis par les détecteurs de mesure de déplacement des vérins sont retournés au soustracteur 24 Un convertisseur A/N est évidemment prévu si les détecteurs sont de The signals supplied by the cylinders displacement measurement detectors are returned to the subtractor 24 An A / D converter is obviously provided if the detectors are of

type analogique.analog type.

Pour l'utilisation dans le domaine de la micro-mécanique, le dispositif conforme à l'invention comporte avantageusement un vérin 13 à vis à commande électrique En outre, le corps et la tige du vérin sont respectivement reliés aux plateaux et 12, par une tige de faible diamètre, présentent une 15 très grande rigidité longitudinale et une possibilité de flexion autour de son axe (Figure 7) Par rapport aux cardans et roulements, les tiges ci-dessus limitent la possibilité du mouvement relatif des plateaux, ce qui n'est pas gênant pour For use in the field of micro-mechanics, the device according to the invention advantageously comprises an electrically actuated screw jack 13. In addition, the body and the rod of the jack are respectively connected to the plates and 12, by a rod of small diameter, have a very great longitudinal rigidity and a possibility of bending around its axis (Figure 7) Compared to cardan joints and bearings, the above rods limit the possibility of the relative movement of the plates, which does not is not bothersome for

les mouvements de faible amplitude nécessaires et présente 20 l'avantage de supprimer tous" les jeux. movements of small amplitude necessary and has the advantage of eliminating all "games.

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Claims

1 Active articulation device with compliance, comprising two plates connected by a closed lattice structure comprising six links each of which is connected to the two plates (10, 12) by universal joints, characterized in that a controlled actuator (13) independently is interposed on each link (14), in parallel with a cylinder elongation detector (17), to allow adjustment

end following the six degrees of freedom.

2 Device according to claim 1, characterized in that the jacks (13) are pneumatic and double-acting.

3 Device according to claim 2, characterized in that the cylinders are supplied by solenoid valves for adjusting the pressure in the two compartments

of each cylinder.

4 Device according to claim 3, characterized in that the solenoid valves are controlled in pulses

variable duty cycle.

5 Device according to claim 1, characterized in

that the jacks (13) are screw and electrically controlled.

6 Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the links are

arranged to form equilateral triangles.

7 Articulation device according to any one

of the preceding claims, characterized in that the

detectors are potentiometers or encoders.

8 Device according to any one of the preceding claims, characterized in that one of the elements 30 of each cylinder is connected to one of the plates (10) by

via a universal joint (15) and the other is connected to the other plate (12) via a universal joint (16)

and a rollover.

9 Device according to any one of the preceding claims 35, characterized in that the elements of each jack (13) are connected to each of the plates (10, 12) by

through a small diameter rod with very high longitudinal rigidity and a possibility of

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bending around its axis.

Application of the device according to any one of the preceding claims to the connection between a robot arm and a tool.