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WO2013144103A1 - Dispositif d'assistance à commande manuelle pour robot - Google Patents

Dispositif d'assistance à commande manuelle pour robot Download PDF

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WO2013144103A1
WO2013144103A1 PCT/EP2013/056321 EP2013056321W WO2013144103A1 WO 2013144103 A1 WO2013144103 A1 WO 2013144103A1 EP 2013056321 W EP2013056321 W EP 2013056321W WO 2013144103 A1 WO2013144103 A1 WO 2013144103A1
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WO
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handle
robot
arm
operator
tool
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Ceased
Application number
PCT/EP2013/056321
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English (en)
Inventor
Serge Grygorowicz
Ludovic Surgot
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ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS RB3D
Original Assignee
ROBOTIQUES 3 DIMENSIONS RB3D
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/161—Hardware, e.g. neural networks, fuzzy logic, interfaces, processor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J1/00—Manipulators positioned in space by hand
    • B25J1/02—Manipulators positioned in space by hand articulated or flexible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/02—Hand grip control means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S901/00—Robots
    • Y10S901/46—Sensing device

Definitions

  • the present invention relates to a manual control device for robot and a collaborative robot equipped with such a device and its industrial application.
  • Such a device finds its application, in particular, in industrial robotics for the assistance of the pilot of a robot during finishing tasks, assembly of parts or machining requiring both great precision and significant effort exercising in multiple directions.
  • the present invention aims to solve these problems of ergonomics, safety and efficiency so satisfactory by proposing a solution to offer the operator a very precise mechanical assistance coupled with enhanced security.
  • This object is achieved according to the invention by means of an assistance device which comprises, on the one hand, a control handle mounted via a ball joint on the arm of the robot while being deported relative to the tool and, d on the other hand, a force sensor coupled to the robot and providing continuous detection, from the handle, intentional efforts of the operator to maneuver the tool both in direction and intensity.
  • the tool is associated with a motor mounted on a mandrel connected upstream to the ball and carrying said control handle.
  • the force sensor is disposed between the handle and the end of the arm.
  • the device comprises a vibratory isolation element interposed between the handle and the tool.
  • control handle comprises a state sensor ensuring the continuous detection of orders and / or possible troubles of the operator in driving the tool.
  • the handle comprises a presence detector of the hand of the operator.
  • the state sensor detects the stop orders and the running orders as well as the clashes of the hand of the operator.
  • the state sensor is associated with a limiter of the speed of movement of the robot arm.
  • the handle comprises at least one push-button that is sensitive to the pressure of the fingers and connected to the state sensor.
  • the handle acts directly on a safety PLC.
  • a collaborative robot comprising an arm whose end carries a tool and which is equipped with the device according to the invention; said arm having a general shape in C.
  • Yet another object of the invention is a use of the collaborative robot in which the operator is placed at the end of the arm of the robot being entwined by the latter and drives the robot manually and only thanks to the control handle.
  • the device of the invention is mounted directly on the arm of the robot which allows to secure the operation of the machine since it is the direct detection of the intentions of the operator in the conduct of his task that controls the movement of the arm.
  • the device is in direct contact with the hand of the operator, the detection of his accidental disorders resulting in a loosening or a simple tension, is sufficient to cause the immobilization of the robot arm which eliminates the presence of a specific body emergency stop.
  • the device of the invention thus ensures that the work of the tool will be performed at speeds comparable to those of a human arm while providing the operator with a controlled amplification of its mechanical forces.
  • the comfort gain is remarkable because the device is deported to the end of the arm and the operator's hand is thus isolated from the tool and is no longer directly subjected to the vibrations generated, in particular by its high speed rotation.
  • the execution speed of the tasks is thus comparable to that of a human arm which improves the comfort and the quality of the work.
  • the device of the invention allows the presence of personnel in the immediate vicinity of the robot without generating risk of accident which simplifies, in particular, the conduct of maintenance operations.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C show perspective views respectively of overall and of detail (FIG 1C), of an embodiment of the collaborative robot of the invention with an operator (fig.lA).
  • FIG. 2 represents a partial perspective view of an embodiment of the assistance device of the invention.
  • FIG. 3 represents a schematic view of the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 4 represents a schematic view of the structure of the assistance device of the invention.
  • the robot shown in FIGS. 1 and 3 comprises, in the traditional way, an arm B fastened at one end to a partition or to a base E and carrying, at its other end, a power tool M.
  • This arm B consists, in the manner of a human arm, sections or segments SI, S2, S3 articulated to each other by means of pivots PI, P2 and / or ball joints RI, R2, R3.
  • the arm B is equipped, according to the invention, with an assistance device for the operator H responsible for performing a precise task by means of the tool m.
  • This device comprises a control handle 1 mounted on the arm B via the ball joint R3 acting in the manner of a human wrist while upstream, the segment S3 forms the equivalent of a forearm.
  • the handle 1 which is in the form of a handle, is offset relative to the tool M by being mounted on a mandrel 2 which is connected upstream via the ball joint R3, in the extension of the segment S3 of the arm B.
  • the handle and therefore the forearm of the operator is thus parallel to the tool holder which facilitates its task and makes operations more precise.
  • the mandrel 2 carries either directly the motor M of the tool m (FIG. 4) or the transmission means T of the movement (FIGS. 1A, 1B and 1C) between the motor M which is then integrated into the arm and the tool m. If necessary, an element 3 ensuring the vibratory isolation of the handle will be mounted in an intermediate manner between the handle 1 and the tool m.
  • the assistance device further comprises a force sensor 4 coupled to the robot and providing continuous detection, from the handle 1, of the intentional forces of the operator for the maneuver of the operator. tool m, both in direction and in intensity.
  • the force sensor 4 is disposed between the handle 1 and the end of the arm B.
  • the handle 1 also includes a state sensor (not shown) ensuring the continuous detection of the orders of the operator H.
  • the state sensor responds to stop commands and running commands and / or to the eventual troubles of the operator H in driving the tool, such as stress-related hand wriggles, a handling error or accident.
  • the state sensor is sensitive to direct contact with the operator's hand because its interface consists of actuators in the form of pushbuttons K carried by the handle 1.
  • the handle 1 is intended to be grasped by the hand of the operator in the manner of a "joystick", as shown in Figure 2; the fingers exerting a variable pressure on the buttons K, depending on the circumstances and the nature of the task.
  • the tool m is suitable for brushing and / or polishing metal parts (not shown).
  • the sensor is capable of detecting three main states, respectively, of releasing the pressure of the fingers on the buttons K in a state of stopping, depressing on a mean depth (substantially halfway) corresponding to a normal state of work and high pressure (tension) bringing the button at the end of the race or at least beyond its average position in a so-called critical state.
  • the control handle acts via a built-in status sensor on a safety PLC.
  • the handle is furthermore equipped with a hand presence detector which is coupled to the safety automaton.
  • This detector is either constituted by a thin element disposed on the surface of the handle and which is sensitive to the touch of the hand, or an additional key located in the gripping area of the handle.
  • the operation of the device is very intuitive because it is sufficient for the operator to place his hand on the handle to activate the status sensor and still manually move this handle to jointly activate the force sensor.
  • the signal delivered by these sensors is sent to a computer which controls and controls the movements of the arm B of the robot so that it follows very precisely and sufficiently flexible and faithful, despite its inertia, the intentions of the hand of the 'operator.
  • the robot If the finger pressure is within the acceptable range, the robot is available but the speed of its movements is controlled and regulated.
  • the state sensor is preferably associated with a speed limiter for moving the robot arm to avoid sudden movements.

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Description

Dispositif d'assistance à commande manuelle pour robot
La présente invention concerne un dispositif d'assistance à commande manuelle pour robot ainsi qu'un robot collaboratif équipé d'un tel dispositif et son application industrielle.
Un tel dispositif trouve son application, notamment, dans de la robotique industrielle pour l'assistance du pilote d'un robot lors de tâches de finition, d'assemblage de pièces ou d'usinage nécessitant à la fois une grande précision et des efforts importants s' exerçant dans de multiples directions.
Ces tâches posent généralement des problèmes aigus de fatigue du personnel tant du fait du niveau élevé de vibration que de la nécessité pour les opérateurs d'assurer en permanence l'équilibrage du bras de robot selon toutes les orientations.
Ces contraintes sont d'autant plus lourdes et délicates que le bras est soumis, du fait de sa grande inertie et de la charge de l'outil, à des vitesses de déplacement élevées et à des accélérations très fortes qui peuvent être ainsi à l'origine d'accidents graves. En outre, l'opérateur doit veiller conjointement au bon mouvement de l'outil monté à l'extrémité du bras ainsi qu'à son positionnement correct par rapport à l'environnement mécanique de la zone de travail ce qui nécessite une très grande et longue attention et accroît, par conséquent, le caractère pénible de la tâche.
La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes d'ergonomie, de sécurité et d'efficacité de manière satisfaisante en proposant une solution permettant d'offrir à l'opérateur une assistance mécanique très précise doublée d'une sécurité renforcée. Ce but est atteint selon l'invention au moyen d'un dispositif d'assistance qui comprend, d'une part, une poignée de commande montée via une rotule sur le bras du robot en étant déportée par rapport à l'outil et, d'autre part, un capteur de forces couplé au robot et assurant la détection en continu, à partir de la poignée, des efforts intentionnels de l'opérateur pour la manœuvre de l'outil à la fois en direction et en intensité.
Selon une caractéristique avantageuse, l'outil est associé à un moteur monté sur un mandrin raccordé en amont à la rotule et portant ladite poignée de commande.
Selon une autre caractéristique avantageuse, le capteur d'efforts est disposé entre la poignée et l'extrémité du bras.
De préférence, le dispositif comprend un élément d' isolation vibratoire monté de façon intercalaire entre la poignée et l'outil.
Selon une première variante de l'invention, la poignée de commande comporte un capteur d'états assurant la détection en continu des ordres et/ou des troubles éventuels de l'opérateur dans la conduite de l'outil.
Selon une autre variante, la poignée comporte un détecteur de présence de la main de l'opérateur. Selon une caractéristique spécifique, le capteur d'états détecte les ordres d'arrêt et les ordres de marche ainsi que les crispations de la main de l'opérateur. De préférence, le capteur d'états est associé à un limiteur de la vitesse de déplacement du bras de robot.
Selon une caractéristique avantageuse, la poignée comporte au moins un bouton à enfoncement sensible à la pression des doigts et relié au capteur d'états.
De préférence, la poignée agit directement sur un automate de sécurité. Un autre objet de l'invention est un robot collaboratif comprenant un bras dont l'extrémité porte un outil et qui est équipé du dispositif selon l'invention ; ledit bras présentant une forme générale en C. Encore un autre objet de l'invention est une utilisation du robot collaboratif dans laquelle l'opérateur se place à l'extrémité du bras du robot en étant enlacé par ce dernier et conduit le robot manuellement et uniquement grâce à la poignée de commande.
Le dispositif de l'invention est monté directement sur le bras du robot ce qui permet de sécuriser le fonctionnement de la machine puisque c'est la détection directe des intentions de l'opérateur dans la conduite de sa tâche qui commande le déplacement du bras.
En outre, du fait que le dispositif se trouve en prise directe avec la main de l'opérateur, la détection de ses troubles accidentels se traduisant par un relâchement ou une simple crispation, suffit à provoquer l'immobilisation du bras de robot ce qui permet de s'affranchir de la présence d'un organe spécifique d'arrêt d'urgence.
Le dispositif de l'invention garantit ainsi que le travail de l'outil va s'effectuer à des vitesses comparables à celles d'un bras humain tout en dotant l'opérateur d'une amplification contrôlée de ses efforts mécaniques.
Le gain de confort est remarquable du fait que le dispositif est déporté à l'extrémité du bras et que la main de l'opérateur se trouve ainsi isolée de l'outil et n'est plus directement soumise aux vibrations générées, en particulier, par sa rotation à grande vitesse.
La vitesse d'exécution des tâches est ainsi comparable à celle d'un bras humain ce qui améliore le confort et la qualité du travail. Enfin, le dispositif de l'invention autorise la présence de personnel à proximité immédiate du robot sans générer de risque d'accident ce qui simplifie, notamment, la conduite des opérations de maintenance. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, accompagnée des dessins sur lesquels ;
Les figures 1A, 1B et 1C représentent des vues en perspective respectivement d'ensemble et de détail (fig. 1C) , d'un mode de réalisation du robot collaboratif de l'invention avec un opérateur (fig.lA). La figure 2 représente une vue partielle en perspective d'un mode de réalisation du dispositif d'assistance de 1 ' invention . La figure 3 représente une vue schématique du mode de réalisation de la figure 1.
La figure 4 représente une vue schématique de la structure du dispositif d'assistance de l'invention.
Le robot représenté sur les figures 1 et 3 comprend, de manière traditionnelle, un bras B fixé par une première extrémité sur une cloison ou sur une embase E et portant, à son autre extrémité, un outil motorisé M.
Ce bras B est constitué, à la manière d'un bras humain, de tronçons ou segments SI, S2, S3 articulés entre eux au moyen de pivots PI, P2 et/ou de rotules RI, R2, R3.
Le bras B est équipé, selon l'invention, d'un dispositif d'assistance à l'opérateur H chargé d'effectuer une tâche précise au moyen de l'outil m.
Ce dispositif comprend une poignée de commande 1 montée sur le bras B via la rotule R3 agissant à la manière d'un poignet humain tandis qu'en amont, le segment S3 forme l'équivalent d'un avant-bras.
La poignée 1 qui se présente sous forme d'un manche, est déportée par rapport à l'outil M en étant montée sur un mandrin 2 qui est raccordé en amont, via la rotule R3, dans le prolongement du segment S3 du bras B. La poignée et donc l'avant-bras de l'opérateur se trouve ainsi parallèle au porte-outil ce qui facilite sa tâche et rend les opérations plus précises. Le mandrin 2 porte soit directement le moteur M de l'outil m (figure 4) soit des moyens de transmission T du mouvement (figures 1A, 1B et 1C) entre le moteur M qui est alors intégré au bras et l'outil m. Le cas échéant, un élément 3 assurant l'isolation vibratoire de la poignée sera monté de façon intercalaire entre la poignée 1 et l'outil m.
Toujours selon l'invention, le dispositif d'assistance comprend, en outre, un capteur de forces 4 couplé au robot et assurant la détection en continu, à partir de la poignée 1, des efforts intentionnels de l'opérateur pour la manœuvre de l'outil m, à la fois en direction et en intensité .
Le capteur d'efforts 4 est disposé entre la poignée 1 et l'extrémité du bras B.
La poignée 1 intègre aussi un capteur d'états (non représenté) assurant la détection en continu des ordres de l'opérateur H.
Plus précisément, le capteur d'états réagit aux ordres d'arrêt et aux ordres de marche et/ou aux troubles éventuels de l'opérateur H dans la conduite de l'outil m tels que des crispations de la main liées au stress, à une erreur de manipulation ou à un accident. Le capteur d'état est sensible au contact direct de la main de l'opérateur du fait que son interface est constituée d' actionneurs sous forme de boutons K à enfoncement portés par la poignée 1.
La poignée 1 est destinée à être saisie par la main de l'opérateur à la manière d'un « joystick », comme représenté par la figure 2 ; les doigts exerçant une pression variable sur les boutons K, en fonction des circonstances et de la nature de la tâche.
Sur les figures, l'outil m est adapté au brossage et/ou au polissage de pièces métalliques (non représentées) . Le capteur est capable de détecter trois états principaux, respectivement, de relâchement de la pression des doigts sur les boutons K dans un état d'arrêt, d'enfoncement sur une profondeur moyenne (sensiblement à mi-course) correspondant à un état normal de travail et de forte pression (crispation) amenant le bouton en bout de course ou tout au moins au-delà de sa position moyenne dans un état dit critique.
La poignée de commande agit, via le capteur d'états intégré, sur un automate de sécurité.
Selon une variante, la poignée est, en outre, dotée d'un détecteur de présence de la main qui est couplé à l'automate de sécurité.
Ce détecteur est soit constitué d'un élément mince disposé à la surface de la poignée et qui est sensible au contact de la main, soit d'une touche supplémentaire située dans la zone de préhension de la poignée. Le fonctionnement du dispositif est donc très intuitif car il suffit à l'opérateur de placer sa main sur la poignée pour activer le capteur d'états et de déplacer toujours manuellement cette poignée pour activer conjointement le capteur d'efforts.
Le signal délivré par ces capteurs est envoyé à un calculateur qui commande et contrôle les mouvements du bras B du robot de telle sorte qu'il suive de façon très précise et suffisamment souple et fidèle, malgré son inertie, les intentions de la main de l'opérateur.
La position des deux capteurs, au contact ou à proximité de la main, place l'opérateur dans l'environnement immédiat du bras ce qui permet de réduire les risques de heurts ou de chocs .
Si l'opérateur relâche la poignée 1, le robot s'arrête automatiquement et immédiatement et il en est de même si la main de l'opérateur se crispe sur la poignée.
Si la pression des doigts se situe dans la plage acceptable, le robot est disponible mais la vitesse de ses mouvements est contrôlée et régulée.
Dans de telles conditions, l'opérateur est assisté de façon sécurisée et bénéficie d'une amplification ajustée de ses efforts tout en travaillant avec un niveau de vibration très faible.
Ces qualités ergonomiques peuvent encore être améliorées grâce à un profil approprié de la poignée et à une forme en C du bras B permettant d'enrouler ou d'enlacer l'opérateur en positionnant les segments dans son dos.
Le capteur d'états est associé, de préférence, à un limiteur de la vitesse de déplacement du bras de robot pour éviter les mouvements brusques.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif d'assistance destiné à équiper un bras (B) de robot piloté par un opérateur (H) et portant à son extrémité un outil (m) , caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, une poignée de commande (1) montée dans le prolongement du bras (B) via une rotule (R3) en étant déportée par rapport à l'outil (m) et, d'autre part, un capteur de forces (4) couplé au robot et assurant la détection en continu, à partir de la poignée (1), des efforts intentionnels de l'opérateur pour la manœuvre de l'outil à la fois en direction et en intensité.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil (m) est associé à un moteur (M) monté sur un mandrin (2) raccordé en amont à la rotule et portant ladite poignée de commande (1) .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou
2, caractérisé en ce que le capteur d'efforts (4) est disposé entre la poignée (1) et l'extrémité du bras (B) .
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend un élément d'isolation vibratoire (3) monté de façon intercalaire entre la poignée (1) et l'outil (m) .
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite poignée (1) comporte un capteur d'états assurant la détection en continu des ordres et des troubles éventuels de l'opérateur (H) dans la conduite de l'outil (m) .
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur d'états détecte les ordres d'arrêt et les ordres de marche ainsi que les crispations de la main de l'opérateur.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le capteur d'états est associé à un limiteur de la vitesse de déplacement du bras (B) de robot .
8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la poignée (1) comporte au moins un bouton à enfoncement sensible à la pression des doigts et relié au capteur d'états.
9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la poignée (1) comporte un détecteur de présence de la main de l'opérateur.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poignée de commande
(1) agit directement sur un automate de sécurité.
11. Robot collaboratif comprenant un bras (B) dont l'extrémité porte un outil (m) et qui est équipé d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit bras (B) présente une forme générale en C.
12. Utilisation d'un robot selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'opérateur (H) se place à l'extrémité du bras (B) du robot en étant enlacé par ce dernier et conduit le robot manuellement et uniquement grâce à la poignée de commande (1) .
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