EP1820079A1

EP1820079A1 - Interface haptique a cables

Info

Publication number: EP1820079A1
Application number: EP05819287A
Authority: EP
Inventors: Alain Riwan
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-08-22
Also published as: FR2878987B1; US20080184836A1; WO2006059039A1; CN101069143A; FR2878987A1; JP2008521733A

Abstract

L'interface haptique comprend une base (2), une plate-forme (24) espacée de la base (2), au moins 5 deux câbles (32) ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant (36) apte à exercer une traction sur le câble (32). Des moyens de poussée sont montés sur la base (2) par l'intermédiaire d'une articulation 10 (50). Ils comprennent une tige de poussée (40) ayant une première extrémité en contact avec la plate-forme (24) et une seconde extrémité reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée (40) vers la plate-forme (24). Les actionneurs (36, 44) exercent sur 15 la plate-forme des forces représentatives d'une information relative à un système. La plate-forme (24) constitue un organe de commande.

Description

INTERFACE HAPTIQtJE A CABLES

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQtJE

L'invention se rapporte aux interfaces de commande d'un système, réel ou virtuel, qui fournissent un retour d'information, par exemple une information représentative d'un effort de la résistance rencontrée par le système (retour d'effort) ou une autre information relative à ce système. Une interface de ce type est appelée interface haptique.

Plus précisément, l'invention concerne une interface pour la commande d'un système haptique comprenant une base, une plate-forme espacée de la base, au moins deux câbles ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant apte à exercer une traction sur le câble, des moyens de poussée montés sur la base par l'intermédiaire d'une articulation et comprenant une tige de poussée ayant une première extrémité en contact avec la plate-forme et une seconde extrémité reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée vers la plate-forme, les actionneurs exerçant sur la plate-forme des forces représentatives d'une information relative au système. On connaît des plates-formes disposées entre deux bases auxquelles elles sont reliées par des câbles. Ces plates-formes sont remarquables pour leur simplicité, qui permet de réduire leur coût, leur très faible inertie et la faiblesse des frottements sur les câbles qui leur confèrent une bande passante élevée . Toutefois, leur espace de travail contrôlable, c'est-à-dire le volume dans lequel on peut générer un torseur d'effort arbitraire sur la plate^¬ forme, est confiné au volume polyédrique passant par les points d'accrochage des câbles sur les deux bases. C'est la conséquence directe de l'obligation d'avoir une force strictement positive dans les câbles. Par suite, afin d'optimiser le débattement, on répartit les points d'accrochage des câbles sur une sphère entourant la plate-forme, ce qui laisse peu de place pour la main de l'opérateur.

On connaît aussi (FR 93 13248) une interface haptique qui comprend une pièce active constituant une poignée destinée à être prise en main par un opérateur et dans laquelle est monté un capteur de mouvement pour la commande d'un système et une ou plusieurs pièces de retour d'information montée sur la pièce active et mobile par rapport à elle. Ainsi, l'opérateur reçoit un retour d'information dans une partie de sa main.

Un tel système n'utilise pas le principe de la plate-forme de Stewart . En effet, les actionneurs des câbles utilisés pour transmettre le retour d'information à la plate-forme ne servent pas à commander le système. Au contraire, un capteur de mouvement distinct est utilisé. Le débattement de la plate-forme est très faible étant donné les faibles dimensions de la poignée. En outre, les actionneurs des câbles de la plate-forme ne sont pas montés sur la pièce fixe, constituant une base, mais sur un support déporté relié à la poignée par des câbles coulissant dans des gaines. Il en résulte des efforts de frottement qui sont inadmissibles compte tenu de la faiblesse des forces mises en jeu.

On connaît également (US 4, 666, 362) un manipulateur comprenant une base et une plate-forme espacée de la base destinée à la fixation d'un outil ou analogue. Des câbles relient la base à la plate-forme. Un mât central reprend la force de traction exercée sur les câbles par des moteurs montés sur la base. Un tel dispositif ne constitue pas une interface haptique. En effet elle ne permet ni de commander un système, ni de recevoir en retour une information de ce système. Les efforts à transmettre dans une application de ce type sont beaucoup plus importants que dans une interface haptique. La technique de transmission par câbles n'est donc pas adaptée.

L'invention a pour objet une interface active qui remédie aux inconvénients de l'art antérieur. Elle doit permettre d'augmenter l'espace de travail contrôlable des plates-formes à câbles de type classique et la saisie de la plate-forme par l'opérateur sans interférence avec les câbles. En outre, elle doit être d'une réalisation simple afin de pouvoir être fabriquée à un faible coût. Enfin, elle doit permettre d'optimiser le débattement en rotation.

Ces objectifs sont atteints par le fait que la plate-forme constitue un organe de commande.

L'interface de l'invention conserve les avantages de simplicité et de faible inertie et, par conséquent, de large bande passante des plates-formes de Stewart . Les actionneurs, qu'il s'agisse des actionneurs tirant des câbles ou de l'actionneur poussant de la tige de poussée, transmettent à la fois le signal de commande au système et le retour d'information de ce système. En outre, grâce à la présence d'une tige de poussée, l'espace de travail contrôlable est étendu au-delà des points de fixation des câbles sur la base.

Dans une réalisation préférée, chaque actionneur comporte un capteur apte à délivrer un signal représentatif de la longueur du câble qui y est fixé et les moyens de poussée comportent un capteur apte à délivrer un signal représentatif de la distance entre l'extrémité de la tige de poussée en contact avec la plate-forme et leur articulation sur la base, l'ensemble de ces signaux étant utilisés pour commander le système.

Dans une réalisation particulière, l'actionneur poussant est constitué par un actionneur tirant qui exerce une traction sur un câble et par un mécanisme d'inversion de mouvement qui transforme la traction du câble en une force de poussée sur la tige de poussée.

Grâce à cette caractéristique, on peut utiliser la même technologie pour tous les actionneurs, qu'il s'agisse des actionneurs des câbles ou de l'actionneur de la tige de poussée. En outre, les actionneurs à câble garantissent un faible coût et une faible inertie du système de transmission. Avantageusement, le mécanisme d'inversion de mouvement comporte un moufle. Le moufle permet de réduire le couple requis de 1 ' actionneur de la tige de poussée.

Dans une réalisation le mécanisme d'inversion de mouvement est logé dans un vérin. L 'actionneur de la tige de poussée peut être monté sur ce vérin ou bien il peut être monté sur la base.

Dans une réalisation particulière, 1' actionneur de la tige de poussée est placé en-dessous de l'articulation des moyens de poussée.

Cette disposition permet un équilibrage statique des moyens de poussée par une répartition des masses de part et d'autre de l'articulation.

Avantageusement, les moyens de poussée sont articulés sur la plate-forme par l'intermédiaire d'un cardan.

De préférence, la tige de poussée possède un axe longitudinal qui est sensiblement concurrent au centre du cardan. De préférence encore, l'extrémité de la tige de poussée est en contact avec la plate-forme et articulée sur cette dernière par l'intermédiaire d'une rotule.

La plate-forme est avantageusement réalisée de telle façon que son centre soit confondu avec le centre de la rotule de manière que la prise de la main d'un opérateur soit au centre de la rotule.

Cette caractéristique permet un mouvement de rotation pure qui minimise le mouvement des câbles et permet d'augmenter l'espace de travail. L'interface de l'invention peut présenter six degrés de liberté. Dans ce cas, elle comporte six câbles qui sont avantageusement répartis en trois paires de câbles fixés deux à deux aux extrémités d'un triangle sur la plate-forme.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :

- la figure 1 est une vue en perspective d'une interface haptique conforme à la présente invention;

- la figure 2 est une vue en perspective, similaire à la figure 1, l'interface étant représentée dans une position différente.

- les figures 3 à 6 illustrent quatre variantes de réalisation différentes des moyens de poussée ; - la figure 7 est une figure schématique en coupe d'une réalisation des moyens de poussée comportant des ressorts sur les câbles.

L'interface haptique représentée sur les figures 1 et 2 comprend une base désignée par la référence générale 2. La base est constituée d'un cadre de forme rectangulaire comportant deux grands côtés 4 et deux petits côtés 6. Des bras horizontaux référencés respectivement 8, 10, 12, 14, 16 et 18 sont fixés au cadre rectangulaire. Chacun de ces bras est percé d'un orifice de passage 22 constituant un guide câble. En outre, un bras 20 fixé à l'un des grands côté 4, de plus petite longueur que les six autres bras, fait saillie vers l'intérieur du cadre. Il est percé d'un orifice de passage 23 constituant un guide câble.

L'interface comporte une plate-forme 24. Dans l'exemple particulier représenté, la plate-forme 24 présente la forme d'une sphère mais il va de soi que cette réalisation n'est pas impérative et que d'autres formes sont également envisageables. Des tiges 26 sont fixées à la sphère 24. Deux câbles 32 sont fixés à l'extrémité 30 de chacune des tiges 26 (deux câbles seulement ont été représentés sur les figures 1 et 2 par souci de simplification) . A leur autre extrémité, les câbles 32 passent dans les orifices de passage 22 situés aux extrémités des bras 8 à 18 et s'enroulent sur une poulie 34 d'un actionneur 36 entraîné par un moteur électrique. Chaque actionneur est muni d'un capteur représenté schématiquement par le rectangle 38 sur les figures 1 et 2. Chaque câble permet de mesurer la position de l'axe du moteur et donc d'en déduire la longueur du câble.

Comme on peut le voir sur les figures 3 à 6, et également sur la figure 7, la sphère 24 est articulée à l'extrémité d'une tige de poussée 40 par une rotule 42. En outre, on constate que le centre de la rotule 42 coïncide avec le centre de la sphère 24. De cette manière, une rotation de la plate-forme 24 se traduit par un déplacement minimal de l'extrémité des tiges 26 et par conséquent de chacun des six câbles 32. La prise de la main d'un opérateur qui actionne la plate-forme 24 se trouve donc au centre de l'articulation de la plate-forme sur la rotule 42. A son extrémité inférieure, opposée à l'extrémité portant la rotule 42, la tige de poussée rigide 40 est reliée à un actionneur poussant dont la fonction est d'équilibrer la force de traction exercée par les six actionneurs tirant 36 sur la plate-forme 24 par l'intermédiaire de chacun des six câbles 32.

De manière générale, une plate-forme de Stewart à n degrés de liberté comporte n+1 câbles. Par exemple une plate-forme à six degrés de liberté comporte sept câbles. Etant donné que les câbles ne peuvent transmettre qu'une force de traction, l'espace de travail contrôlable, c'est-à-dire le volume dans lequel on peut générer un torseur d'effort arbitraire sur la plate-forme est limité au volume polyédrique passant par les points d'accrochage des câbles sur la base. En remplaçant l'un des sept câbles par une tige de poussée rigide 40, l'espace contrôlable se décale à l'extérieur du polyèdre du côté opposé à l' actionneur poussant . L'actionneur poussant peut être réalisé de nombreuses manières différentes. Il peut s'agir d'un vérin hydraulique ou pneumatique ou encore d'une vis à billes. Dans l'exemple de réalisation représenté, il est constitué d'un actionneur tirant 44 et d'un mécanisme d'inversion de mouvement. Sur les figures 1 et 2, le mécanisme d'inversion de mouvement est constitué par une potence 48 articulée sur la base 2 par l'intermédiaire d'un cardan. L'extrémité inférieure de la potence pivote autour d'un axe XX par rapport à une structure 50 en forme de grand U elle-même montée pivotante autour d'un axe YY sur l'un des grand côté 4 de la base 2. Les axes XX et YY, qui sont perpendiculaires l'un à l'autre, se coupent au centre de l'orifice 23 de guidage de câble du bras 20. Deux tiges coulissantes parallèles 52 sont montées coulissantes à l'extrémité supérieure de la potence 48. A leurs extrémités inférieures, les deux tiges coulissantes 52 portent un axe 53 sur lequel est montée une poulie 54. A leurs extrémités supérieures, les deux tiges 52 sont reliées par une traverse 56. Un câble 58 s'enroule à son extrémité inférieure sur une poulie (non visible sur les figures 1 et 2) de l'actionneur 44. Le câble 58 passe dans le guide câble 23 du bras 20, puis sur une première poulie 60 montée à la partie supérieure de la potence, ensuite sur la seconde poulie 54 montée sur l'axe 53 reliant les deux extrémités inférieures des tiges coulissantes 52. Enfin une extrémité du câble 58 est fixée à la partie supérieure de la potence 48. On constitue ainsi un moufle qui permet de diviser par deux l'effort de traction qui doit être exercé sur l'extrémité inférieure du câble 58 par l'actionneur 44 lorsque le câble s'enroule sur la poulie de l'actionneur, la tige de poussée 40, solidaire de la traverse 56 s 'éloignant de la base 2. Simultanément, les câbles 32 s'allongent, chacun des actionneurs 36 relâchant la longueur de câble nécessaire.

On a représenté sur la figure 2 une autre position de l'interface haptique de la figure 1. Sur la figure 2, la plate-forme 24 a été déplacée par rapport à la position quelle occupe sur la figure 1. On observe que le support en U 50 a pivoté autour de son axe d'articulation YY et que d'autre part, la potence 48 a pivoté autour de son axe d'articulation XX sur le support 50. En outre, la plate-forme 24 a tourné autour de son axe de rotation ZZ constitué par la tige de poussée 40 (voir figure 3) . Enfin, les deux tiges de guidage 52 ont été déplacées vers le haut. En conséquence, les longueurs des câbles 32 reliant les extrémités 30 des tiges 26 aux orifices 22 des bras 8, 10, 12, 14, 16 et 18 ont varié. Pour certains de ces câbles, par exemple les deux câbles 32 représentés sur les figures 1 et 2, cette variation s'est traduite par une augmentation de longueur. Pour d'autres câbles, au contraire, le changement de position de la plate-forme 24 a pu se traduire par une réduction de longueur. C'est le cas, notamment, du câble 58 entraîné par l'actionneur central 44 de la tige de poussée 40.

Les capteurs 38 associés à chacun des actionneurs périphériques 36 et à l'actionneur central 44 enregistrent les différentes variations des câbles et transmettent une grandeur représentative de ces variations à un calculateur qui calcul la nouvelle position de la plate-forme 24. Cette nouvelle position permet de commander un système réel ou virtuel. En retour, les actionneurs 36 et l'actionneur central 44 reçoivent une information. Cette information peut être un retour d'effort rencontré par le système ou une autre information. Cette information en retour est utilisée par les actionneurs 36 afin d'exercer une traction sur les câbles 32 et 58 de manière à faire ressentir à l'opérateur, dont la main est posée sur la plate-forme 24, une sensation représentative de l'effort rencontré.

On a ainsi réalisé une interface haptique à câbles, à structure parallèle, dans laquelle la plate- forme 24 constitue à la fois l'organe de commande et l'organe par lequel s'effectue le retour d'information. Cette interface possède une faible inertie en raison de la simplicité du mécanisme de transmission par câbles, ce qui lui confère une large bande passante. En outre, la transmission par câbles est bien adaptée à une application de ce type dans laquelle les efforts à transmettre sont faibles.

On a représenté sur les figures 3 à 6 différentes variantes de réalisation des moyens d'inversion de mouvement et de la fixation de l'actionneur 44 de la tige de poussée 40. Sur la figure 3, les moyens d'inversion de mouvement sont constitués simplement par une poulie de renvoi 60 du câble 58 dont l'extrémité 65 est fixée à la partie inférieure 67 de la tige de poussée 40. L'extrémité supérieure 69 de la tige de poussée 40 est solidaire d'une rotule 42 sur laquelle est articulée la plate-forme 24. Comme on l'a exposé précédemment, la plate-forme 24 est constituée de telle manière que le centre de la prise de la main d'un opérateur coïncide avec le centre de la rotule 42 de cette manière, l'interface minimise le déplacement des câbles en cas de rotation de la plate-forme par rapport à la rotule 42.

La poulie de renvoi 60 est montée sur la paroi intérieure d'un cylindre 70 qui constitue un vérin à câble. La tige de poussée 40 coulisse sur une portée 72 du vérin 70. L' actionneur 44 de la tige de poussée est monté à la partie inférieure du vérin. L'extrémité inférieure du vérin est articulée sur la base 2 par l'intermédiaire d'un cardan 74 représenté schématiquement . La réalisation de ce cardan peut être semblable à celle qui a été décrite sur les figures 1 et 2.

Dans ce mode de réalisation, les moyens d'inversion de mouvement ne comportent pas de moufle. En conséquence, l' actionneur 44 doit être suffisamment puissant pour équilibrer sans facteur de réduction la traction exercée sur les câbles 32 par chacun des six autres actionneurs tirant 36.

On a représenté sur la figure 4 une variante de réalisation des moyens d'inversion de mouvement. Ils comprennent une première poulie 60 montée sur une paroi intérieure du cylindre 70 et une seconde poulie 54 montée sur un axe perpendiculaire à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. L'extrémité 77 du câble 58 est fixée sur une paroi supérieure du vérin 70. L'actionneur 44 est logé entièrement à l'intérieur du cylindre 70. En outre, l'extrémité inférieure du vérin 70 est articulée sur la base 2 par un cardan 74 représenté schématiquement, de la même manière que pour le mode de réalisation de la figure 3.

Dans cette réalisation, qui est fonctionnellement identique à celle qui a été décrite en référence aux figures 1 et 2, les moyens d'inversion de mouvement constituent un moufle qui permet de réduire la force de traction requise sur le câble 68 en la divisant par un facteur 2. De la sorte, la puissance de l'actionneur 44 peut être divisée par deux. En revanche, pour un même déplacement en translation de la tige de poussée 40, l'actionneur 44 doit enrouler ou dérouler une longueur de câbles double.

On a représenté sur la figure 5 une troisième variante de réalisation de moyens d'inversion de mouvement. Ils comprennent une poulie de grand diamètre 80 montée dans le vérin 70. Deux poulies 60 sont fixées sur la paroi intérieure du cylindre 70. Une quatrième poulie 54 est montée à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. Le câble 58 de l'actionneur tirant 44 est relié à l'axe de rotation de la poulie de grand diamètre 80. En outre, le mécanisme comporte un second câble fermé 82 qui passe respectivement sur les poulies 80, 60 et 54. Dans cette réalisation, l'actionneur 44 est monté à l'extrémité inférieure du vérin 70 mais il est situé en-dessous du cardan 74 par le lequel le vérin 70 est articulé sur la base 2. En conséquence, l'actionneur 44 réalise un équilibrage statique des moyens de poussée. Dans ce mode de réalisation les masses sont mieux équilibrées de part et d'autre de l'axe de l'articulation constitué par le cardan 74, la masse de l'actionneur 44 équilibrant en partie la masse du reste des moyens de poussée.

On a représenté sur la figure 6 une quatrième variante de réalisation des moyens de poussée. Dans cette variante, l'actionneur 44 est monté sur la base 2 au lieu d'être fixé à la partie inférieure du vérin 70, comme dans les modes de réalisation précédent. Le câble 58 de l'actionneur 44 passe sur une poulie 60 solidaire de la paroi intérieure du cylindre 70 et sur une poulie 54 montée sur un axe de rotation perpendiculaire à l'extrémité inférieure 67 de la tige de poussée 40. On réalise ainsi un moufle, comparable à celui des modes de réalisation des figures 4 et 5, qui permet de diviser par deux la force de traction à exercer sur le câble 58. La partie inférieure du câble 58 est en outre guidée sur une poulie de guidage 86 fixée sur la paroi intérieure du vérin, et par deux poulies de renvoi 88 situées à l'extrémité inférieure du vérin, sensiblement au niveau du cardan 74. La paroi inférieure du vérin 70 est ouverte pour permettre le passage du câble. Enfin, on a représenté sur la figure 7 une variante de réalisation des moyens de poussée de la figure 3. Cette variante est identique à celle de la figure 3 en tout point, à l'exception de la présence de ressorts de compression 92 montés autour des câbles 32 des actionneurs tirants 36. Chaque ressort hélicoïdal 92 est pris entre une surface d'appui inférieure 94 solidaire de la base 2 et une surface d'appui supérieure 96 solidaire de la plate-forme 24. La présence des ressorts 92, en équilibrant l'effort de traction exercé sur les câbles 32, permet de diminuer l'effort imposé à l'actionneur central 44. Elle aide en outre à matérialiser une position de repos centrale.

Claims

REVENDICATIONS

1. Interface haptique pour la commande d'un système, comprenant une base (2), une plate-forme (24) espacée de la base (2), au moins deux câbles (32) ayant chacun une première extrémité fixée à la plate-forme

(24) et une seconde extrémité reliée à un actionneur tirant (36) apte à exercer une traction sur le câble

(32), des moyens de poussée montés sur la base (2) par l'intermédiaire d'une articulation (50, 74) et comprenant une tige de poussée (40) ayant une première extrémité (42) en contact avec la plate-forme (24) et une seconde extrémité (67) reliée à un actionneur poussant qui pousse la tige de poussée (40) vers la plate-forme (24), les actionneurs (36, 44) exerçant sur la plate-forme (24) des forces représentatives d'une information relative au système, caractérisée en ce que la plate-forme (24) constitue un organe de commande.

2. Interface selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque actionneur (36, 44) comporte un capteur (38) apte à délivrer un signal représentatif de la longueur du câble (32, 58) qui y est fixé et en ce que les moyens de poussée comportent un capteur (38) apte à délivrer un signal représentatif de la distance entre l'extrémité de la tige poussée (40) en contact avec la plate-forme (24) et leur articulation (50, 74) sur la base (2), l'ensemble de ces signaux étant utilisés pour commander le système.

3. Interface selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l' actionneur poussant est constitué par un actionneur tirant (44) qui exerce une traction sur un câble (58) et par un mécanisme d'inversion de mouvement (54, 60) qui transforme la traction sur le câble (58) en une force de poussée sur la tige de poussée (40) .

4. Interface selon la revendication 3, caractérisée en ce que le mécanisme d'inversion de mouvement comporte un moufle (54, 60) .

5. Interface selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le mécanisme d'inversion de mouvement est logé dans un vérin (70) .

6. Interface selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est monté sur le vérin (70) .

7. Interface selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est monté sur la base (2) .

8. Interface selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'actionneur (44) de la tige de poussée (40) est placé en-dessous de l'articulation (74) des moyens de poussée sur la base (2) .

9. Interface selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les moyens de poussée soit articulés sur la plate-forme par l'intermédiaire d'un cardan.

10. Interface selon la revendication 9, caractérisée en ce que la tige de poussée (40) possède un axe longitudinal (ZZ) qui est sensiblement concourant au centre (23) du cardan.

11. Interface selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'extrémité de la tige de poussée (40) en contact avec la plate-forme est articulée sur cette dernière par l'intermédiaire d'une rotule (42) .

12. Interface selon la revendication 11, caractérisée en ce que la plate-forme (24) est réalisée de telle manière que son centre soit confondu avec le centre de la rotule de manière que la prise de la main d'un opérateur soit au centre de la rotule (42) .

13. Interface selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte six câbles qui sont avantageusement répartis en trois paires de câbles (32) fixées deux à deux aux extrémités (30) d'un triangle sur la plate-forme (24) .