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EP4263150A1 - Robot de co-manipulation à loi de commande en effort mixte offrant une forte sensibilité de l'effecteur et permettant l'interaction avec le corps du robot - Google Patents

Robot de co-manipulation à loi de commande en effort mixte offrant une forte sensibilité de l'effecteur et permettant l'interaction avec le corps du robot

Info

Publication number
EP4263150A1
EP4263150A1 EP21840884.7A EP21840884A EP4263150A1 EP 4263150 A1 EP4263150 A1 EP 4263150A1 EP 21840884 A EP21840884 A EP 21840884A EP 4263150 A1 EP4263150 A1 EP 4263150A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
actuators
force
tool
manipulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21840884.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Xavier Lamy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4263150A1 publication Critical patent/EP4263150A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1689—Teleoperation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/163—Programme controls characterised by the control loop learning, adaptive, model based, rule based expert control
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/423—Teaching successive positions by walk-through, i.e. the tool head or end effector being grasped and guided directly, with or without servo-assistance, to follow a path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39529—Force, torque sensor in wrist, end effector
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41411—Avoid integrator wind-up, saturation actuator by dead zone feedback for integral

Definitions

  • the present invention relates to the field of robotics, and more particularly the physical human-robot interaction (IPHR or pHRI acronym Anglo-Saxon “physical Human-Robot Interaction”) implemented by co-manipulation robots.
  • IPHR physical human-robot interaction
  • pHRI acronym Anglo-Saxon “physical Human-Robot Interaction”
  • the IHPR or pHRI is the fact of allowing a human operator to enter the work area of a robot, and giving him the possibility of interacting directly and physically with the latter.
  • the invention relates more particularly to a control law in increase of effort of a co-manipulation robot.
  • tele-operation systems To manipulate objects from a distance and perform tedious tasks, there are first of all so-called tele-operation systems. These systems generally consist of a master arm and a slave arm coupled together.
  • co-manipulation systems To assist the operator in carrying out a complex and/or tedious task while maintaining a simpler system than tele-operation systems, so-called co-manipulation systems have been developed. These systems are generally composed of a co-manipulation robot which performs the task to be performed via a tool and which comprises a control unit allowing a human operator to control the movements of said co-manipulation robot via said control unit.
  • Co-manipulation thus allows the joint manipulation of the tool by the robot and the operator and therefore makes it possible to assist the operator in the execution of the task to be accomplished. More generally, this mode of interaction between the human and the robot makes it possible to carry out several gesture assistance functions such as the compensation of the weight of the tool, the application of programmable mechanical constraints and the increase in effort. .
  • Co-manipulation also makes it possible to carry out various learning/programming functions by in situ demonstration of points, movements and/or efforts, for a task which must subsequently be carried out by the same robot in autonomy.
  • the aptitude of a robot for co-manipulation depends mainly on its sensitivity to the forces applied by the operator and its environment on its organ or terminal end element which carries the tool or a gripper.
  • the quality of the co-manipulation felt by the operator is strongly linked to the notion of mechanical transparency achieved by the robotic system (mechanism, sensors and actuators of the robot subject to its control law).
  • the transparency of a robotic system qualifies its ability to move in directions free of constraints while minimizing the effort of interaction with the operator and/or his environment.
  • a perfectly transparent system is able to follow the movement imposed on the tool by the operator in the space of constraints without opposing the slightest effort: no discomfort attributable to the robot is then perceived by the operator.
  • the control law consists just in compensating the weight of the robot and the tool seen by the joints to allow a transparent co-manipulation, as disclosed by the publication [1], and the patent application WO2014161796A1.
  • the second category is that of systems comprising insufficiently transparent joints: the mechanical friction in the joints, including reducers and motors, brought back to the point of interaction with the operator during the movements is beyond a threshold of hardship.
  • the present invention relates only to the categories of systems with insufficiently transparent and/or irreversible joints, which relate to most of the industrial robots existing on the market. Indeed, the design of industrial robots has above all been designed to optimize positioning precision/repeatability to the detriment of the ability to interact with the human operator.
  • the inventor thus sought to improve the co-manipulation of existing industrial robots comprising mechanically insufficiently transparent or irreversible joints. He analyzed the various disadvantages/limitations of these existing robots and made an inventory of the solutions currently available.
  • a first solution consists in modeling the friction forces of the joints to add their compensation to the control law of the actuators.
  • the robotic system implemented must remain sensitive over the entire body of the robot, although with less sensitivity than at the level of the tool.
  • one solution consists in installing a force sensor between the organ or terminal end segment and the tool, which can measure the 6 components of the force torsor (3 components of forces and 3 of torques). The predicted weight of the tool is previously subtracted from the force measurement. A law for enslaving this closed-loop force measurement to zero on the setpoint of the actuators is then implemented in the robot control. This allows the robotic system to move continuously in such a way as to cancel the interaction effort of the operator on the robot at all times. Internal friction forces joints are thus rejected, whatever their nature, without requiring any prediction calculation: [3].
  • the main limitation of this solution for measuring force on the terminal end element is that it prohibits any interaction between the body of the robot and its environment. Indeed, the servo-control indiscriminately rejects the friction as well as all the interaction forces upstream of the force measurement sensor, because they are not measured. This can inadvertently lead, while the operator is primarily focused on the movements of the tool, to situations where the robot body applies considerable and potentially destructive effort to elements or other operators present in the tool. 'workspace.
  • one solution consists in covering the surfaces of the segments of the body of the robot with a layer sensitive to forces.
  • Patent application WO2016/000005 Al proposes a covering solution with skin according to which when the body of the robot comes into contact with an element of the workspace beyond the detection threshold of the skin, a signal is transmitted to the robot that stops the movement until the contact is removed. This generally requires a maneuver to release the robot by another means, such as the pendant.
  • Some more advanced skins make it possible to determine the position of the contact and its intensity, which makes it possible to stop only the components of the movement in the directions of contact and leave the others free. This allows a better continuity of the co-manipulation.
  • the disadvantage of using a skin is that it must, by definition, be made according to the geometry specific to each robot.
  • the other drawback is that this does not allow the operator to co-manipulate the body of the robot, with his second hand for example, which is nevertheless practical for controlling the configuration of the robot during co-manipulation near or at the through kinematic singularities of the robot.
  • a final drawback affects in particular two-handed co-manipulation, on separate segments of the robot: the internal force components of the robot's kinematic chain have no overall resultant measurable by the force sensor at the base. This can happen in particular when the operator wishes to bend the elbow of the robot by jointly co-manipulating the arm and the forearm. This causes disturbances for certain co-manipulation configurations.
  • Another alternative solution consists of placing joint torque sensors at the output of each joint of the robot, with one component per joint. This solution allows the system to be fully sensitive to the forces applied to all segments of the robot, even in the case of two-handed co-manipulation: [8], [9].
  • Another alternative solution consists in implementing in the robot controller a force increase control law.
  • This control law combines the measurement of a sensor positioned in such a way as to measure the force of a co-manipulation mechanical interface element on the tool, such as a handle, and the instruction or a measurement (indirect ) r m of the motor force of the actuators on the robot, for example the measurement of motor currents, or cylinder pressures.
  • T m + T t + T h + ry 0 (1)
  • this command therefore has the advantage of achieving a certain sensitivity on the body of the robot as well as increasing the transparency at the level of the interface of co -handling.
  • the object of the invention is to meet this need at least in part.
  • the invention relates, in one of its aspects, to a co-manipulation robot comprising:
  • a kinematic chain of mechanical elements comprising a proximal end element forming a base of the robot and a distal end element, the different members being mounted movable relative to each other such that the distal end member is movable relative to the proximal end member;
  • a tool and/or a gripper intended to be manipulated by a human operator, the tool and/or the gripper being linked to the distal end element so that it has the same degrees of freedom as the distal end member;
  • - means for controlling at least part of the first chain of elements comprising: actuators arranged on the chain to carry out all the relative movements between the different chain elements and/or to apply a force between them, means for measuring the displacement of the elements relative to each other, where appropriate means for measuring the forces applied by the actuators, a single multi-axis force sensor, arranged between the distal end element and the tool and/ or the gripper, to measure the forces exerted thereon, a controller to control the actuators based on the measurements taken by the displacement measuring means, where appropriate means for measuring the forces applied by the actuators and by the measurements of the multi-axis force sensor, according to a control law implemented in the controller, said control law comprising:
  • the force increase loop configured to amplify, at the joints of the robot, the forces applied by the operator to the tool and measured by the multi-axis force sensor this, for at least for certain degrees of freedom of the distal end, the force increase loop comprising a comparator for subtracting, from the product of the integral gain Ki of the loop, the product of an anti-runaway gain Kaw, and an integrator which receives the result of the comparator for provide the setpoint speeds of the various elements of the chain,
  • the saturation term T sat being chosen greater than or equal to the vector T f0 of the coefficients of dry friction of the actuators
  • the saturation term T sat is equal to the sum of the vector T f0 plus twice its uncertainty value.
  • controller we mean here and within the framework of the invention, the usual broad sense, namely a combination of hardware and software for programming and controlling a robot.
  • the saturation function is directly applied at the output of the internal speed loop
  • the actuators when the actuators cannot be directly force-controlled, but for example by a closed speed or position controller, the forces T m applied by the actuators are then measured and considered in the calculation of the saturation.
  • the means for measuring the displacement of the elements relative to each other comprising absolute position sensors, or even multi-turn absolute position sensors if they are placed directly at the output of the motors before a reduction stage.
  • the controller can be configured to implement an additional control law chosen for example from a control in the realization of programmable virtual mechanical constraints, a control in limitation of the articular or Cartesian speed, a control in restriction of the working space, a control tele-operation with or without force feedback.
  • an additional control law chosen for example from a control in the realization of programmable virtual mechanical constraints, a control in limitation of the articular or Cartesian speed, a control in restriction of the working space, a control tele-operation with or without force feedback.
  • the invention essentially consists in judiciously positioning a multi-axis force sensor between the end member (flange) of an industrial co-manipulation robot and the tool it carries and in modifying an increasing control law implemented in the robot controller by adding a saturation function.
  • the invention thus makes it possible to overcome the drawbacks of the force increase laws according to the state of the art and therefore makes it possible to increase the sensitivity on the body of the robot and to an operator. human to interact jointly on the body of the robot and on a co-manipulation interface such as a tool carried by the end device of the robot.
  • control according to the invention combines the sensitive force measurements of the multi-axis sensor to allow the robot to be moved by directly manipulating the tool with greatly reduced forces (high transparency, the mechanical joint friction of the robot being masked), and on the other hand the instructions or effort measurement of the actuators, in order to ensure less sensitivity, but improved compared to [10], to physical interactions with the entire body of the robot.
  • the command will respect a “natural” balance of forces: the opposing forces cancel each other out and the robot stops without forcing more on the obstacle than the operator on the tool.
  • the invention provides many advantages, in addition to the co-manipulation function on an industrial robot, among which we can mention:
  • the invention also relates to the use of an industrial co-manipulation robot as described above as a robot for assisting with a surgical intervention, or as an assembly robot, for handling heavy loads , or programming by demonstration.
  • Figure 1 is a schematic view of an example of a comanipulation industrial robot with its controller, implemented as a system to increase the effort applied by a human operator on a tool carried by the robot.
  • FIG 2 is a diagram summarizing all the forces applied to the system of figure 1.
  • FIG 3 illustrates the control law according to the invention executed by the controller of the robot shown in Figure 1.
  • FIG 4 illustrates a variant of the control law according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates an industrial co-manipulation robot 1 according to the invention, used as a tool manipulation assistance system.
  • the tool is a needle used for a surgical intervention by a surgeon in an operating theater which constitutes the working environment of the robot 1.
  • the co-manipulation robot 1 is controlled according to a mixed force control law, detailed below, allowing the human operator (surgeon) to manipulate the tool jointly with the robot by compensating for the weight of the tool and the friction in the joints of the robot, while remaining sensitive to interactions on the robot's bodies. This law is combined with an additional control law performing a virtual guidance constraint on the tool (not detailed here in the context of the invention).
  • the co-manipulation robot 1 is a manipulator arm robot with six degrees of freedom.
  • the robot 1 comprises a kinematic chain of elements articulated together which comprises a proximal end element 2 forming a base of the robot and a distal end element 3 forming a flange. It additionally comprises two elements 4, 5 or segments hinged together between the base 2 and the distal end end 3.
  • the robot 1 further comprises a tool, which in the example shown is a needle 6 secured to a handle 7 to be manipulated by the human operator.
  • the needle 6 and the handle 7 are linked to the distal end element 3 (flange), so as to have the same degrees of freedom as the latter, i.e. six degrees of freedom with respect to the base 2.
  • the needle 6 can thus be moved in all directions of space in translation and in rotation relative to the base 2.
  • the operator can interact in the interaction zone Z.I, with the tool 6, 7 and/or with the body of the robot, in particular with its element 5.
  • the workspace can also interact with the tool 6 and/or with the body of the robot, in particular with its element 4, on the occasion of contacts desired by the operator or not (untimely).
  • the robot further comprises means for controlling the chain of elements, and therefore the tool 6, 7 which is linked to the distal end element 3.
  • the control means first of all comprise a controller 10 which executes control programs for the main chain of robot elements to ensure coordination between the robot body and the tool 6, 7.
  • the control means also comprise actuators, not shown, each arranged at one of the joints of the chain of elements so as to be able to cause a movement of one of the elements relative to the adjacent element of the articulation considered or to apply a force between these elements.
  • the controller 10 controls the various actuators, as shown schematically by the arrow 11 in FIG. 1, so as to be able to move the tool 6, 7 in a coordinated manner relative to the base 2.
  • a multi-axis force sensor 8 preferably a 6-axis sensor, is arranged between the distal end element 3 and the tool 6, 7 so as to be able to generate, for the controller 10, signals representative of the forces applied by the tool 6, 7 on the distal end element 3, as symbolized by the arrow 12 in FIG. 1.
  • the tool 6, 7 is thus linked to the element of distal end 3 via said multi-axis force sensor 8.
  • the control means further comprise means for measuring the displacements of the various elements which here comprise a plurality of position sensors, not shown, each arranged at one of the joints of the main chain of elements so as to be able to generate , intended for the controller 10, signals representative of the relative position of the two elements forming the joint considered, as symbolized by the arrow 13 in FIG. 1.
  • the position sensors are absolute position sensors.
  • the absolute position sensors and the multi-axis force sensors 8 thus allow the controller 10 to measure at any time the movements of the tool 6, 7 and of the body of the robot with respect to the base 2 and at any time the forces applied on tool 6, 7.
  • the controller 10 executes a program according to a control law detailed below which allows increased sensitivity to the forces applied to the tool 6, 7 by the operator or his environment.
  • This control law can be combined with another additional control law not detailed here which makes it possible in particular to apply virtual constraints 14 to the movements of the tool, in the case illustrated in FIG. 1 to guide the insertion of the tool. needle 6 in patient B's body to an area of interest.
  • controller 10 The following loops are implemented in controller 10:
  • An example of a friction model only in the actuator space may be: in which represents the vector of the coefficients of dry friction of the actuators, the nominal application speed of the model, damping in actuators.
  • T h T s represents the force projected into the actuator space of the interaction port whose sensitivity must be increased, in our case the tool mounted on the force sensor. represents the estimate of the force projected into the actuator space of the other port of interaction whose sensitivity is not increased, here all the external forces applied to the body of the robot.
  • fff > l represents the amplification factor of the effort increase loop. is the integral gain of the force amplification loop. is inversely proportional to the apparent inertia of the controlled system.
  • the theoretical adjustment limit of this gain, and therefore of the achievable apparent inertia of the controlled robot respecting the passivity criteria, i.e. unconditional stability of the robot in interaction with any passive environments, is order of the robot's own mechanical inertia: [4].
  • the role of the internal speed loop is to linearize the system vis-à-vis in particular dry friction, which reduces the accumulation necessary in the integrator of the loop d amplification of effort and improves the rejection of friction, in particular when the sign of speed is reversed on the joints.
  • T sat E is the saturation term of the speed loop 101.
  • the saturation function makes it possible to limit the contribution of the force amplification just to the reduction of dry friction and to allow the "natural" balance of the forces during joint interaction between the tool and the body of the robot.
  • Equation (3) then becomes:
  • the effort setpoint T m is obtained by adding the terms of anticipation: T ref of the optional additional control law, of modeling of the frictions and of the gravity.
  • the inventor has implemented the force control law with the saturation function which has just been described, in industrial robot controllers of the TX2_90 and TX2_60L range from the company Staubli.
  • the performance of co-manipulation has been proven.
  • the Virtual Constraint, Speed Limit, and Limited Workspace features were successfully combined without performance losses.
  • a variant of the control law according to the invention is shown in the diagram of FIG. 4.
  • This variant applies to actuators which cannot be directly controlled by force. They may be, for example, hydraulic or pneumatic actuators equipped with servo valves.
  • the speed setpoint at the output of the effort amplification loop 100 then drives the actuators directly, which must therefore be equipped with a force measurement T m .
  • the setpoint can be that of a hydraulic flow servo with a cylinder pressure measurement.
  • the force measurement T m is thus used to calculate the estimate of the forces on the body of the robot on the one hand, and in the calculation of the saturation and anti-runaway T aw on the other hand.
  • the actuators can advantageously comprise servomotors.
  • actuators can include ironless rotor DC electric motors or brushless motors, conventional DC motors, shape memory alloys, piezoelectric actuators, active polymers, pneumatic actuators or hydraulics.
  • the actuators can also comprise brakes on one or more elements or bodies of the robot. These brakes may thus be disc brakes, powder brakes or magneto or electro-rheological fluid brakes.
  • the actuators can also comprise hybrid actuators comprising both a motor and a brake or antagonistic actuation devices and/or variable stiffness devices.
  • the reducers may be of any type and be, for example, single or planetary gear reducers, with one or more stages, reducers of the "Harmony Drive” type (registered trademark) or ball screw reducers or capstans cables.
  • reducers instead of reversible reducers, we can have non-reversible reducers such as wheel and worm reducers.

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Abstract

Robot de co-manipulation à loi de commande en effort mixte offrant une forte sensibilité de l'effecteur et permettant l'interaction avec le corps du robot. L'invention consiste essentiellement à positionner judicieusement un capteur d'efforts multiaxes entre l'organe terminal (bride) d'un robot industriel de co-manipulation et l'outil qu'il porte et à modifier une loi de commande en augmentation d'efforts implémentée dans le contrôleur du robot par l'ajout d'une fonction de saturation.

Description

Description
Titre : Robot de co -manipulation à loi de commande en effort mixte offrant une forte sensibilité de l’effecteur et permettant l’interaction avec le corps du robot.
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la robotique, et plus particulièrement l’interaction physique homme-robot (IPHR ou pHRI acronyme anglo-saxon « physical Human-Robot Interaction ») mise en œuvre par des robots de co-manipulation.
De manière générale, l’IHPR ou pHRI est le fait de permettre à un opérateur humain de pénétrer dans la zone de travail d’un robot, et lui donner la possibilité d’interagir directement et physiquement avec ce dernier.
L’invention a trait plus particulièrement à une loi de commande en augmentation d’effort d’un robot de co-manipulation.
Technique antérieure
Dans le domaine de la robotique, il existe différents systèmes qui permettent d'assister les opérateurs dans leurs tâches.
Pour manipuler des objets à distance et réaliser des tâches pénibles, on trouve tout d'abord des systèmes dits de télé-opération. Ces systèmes sont généralement constitués d'un bras maître et d'un bras esclave couplés entre eux.
Cependant, ce sont des systèmes complexes, tant dans leur conception que dans leur utilisation. En conséquence ils s'avèrent coûteux et difficiles à prendre en main. En général, la productivité obtenue avec ces systèmes est inférieure à celle obtenue en intervenant directement sur une pièce, à mains nues ou via des outils, pour réaliser la tâche.
Pour assister l'opérateur dans la réalisation d'une tâche complexe et/ou pénible tout en conservant un système plus simple que les systèmes de télé-opération, il a été mis au point des systèmes dits de co-manipulation. Ces systèmes sont généralement composés d'un robot de co-manipulation qui effectue la tâche à accomplir via un outil et qui comprend un organe de pilotage permettant à un opérateur humain de commander les mouvements dudit robot de co-manipulation via ledit organe de pilotage.
La co-manipulation permet ainsi la manipulation conjointe de l'outil par le robot et l'opérateur et permet donc d'assister l'opérateur dans l'exécution de la tâche à accomplir. Plus généralement, ce mode d’interaction entre l’homme et le robot permet de réaliser plusieurs fonctionnalités d’assistance aux gestes telles que la compensation du poids de l’outil, l’application de contraintes mécaniques programmables et l’augmentation d’effort.
La co-manipulation permet aussi de réaliser diverses fonctions d’apprentissage/programmation par démonstration in situ de points, mouvements et/ou efforts, pour une tâche qui doit être réalisée par la suite par le même robot en autonomie.
L’aptitude d’un robot à la co-manipulation dépend principalement de sa sensibilité aux efforts appliqués par l’opérateur et son environnement sur son organe ou élément d’extrémité terminale qui porte l’outil ou un préhenseur. La qualité de la co-manipulation ressentie par l’opérateur est fortement liée à la notion de transparence mécanique réalisée par le système robotique (mécanisme, capteurs et actionneurs du robot soumis à sa loi de commande).
La transparence d’un système robotique qualifie son aptitude à se déplacer selon les directions libres de contraintes en minimisant l’effort d’interaction avec l’opérateur et/ou son environnement.
Un système parfaitement transparent est capable de suivre le mouvement imposé à l’outil par l’opérateur dans l’espace des contraintes sans y opposer le moindre effort : aucune gêne imputable au robot n’est alors perçue par l’opérateur.
On peut distinguer trois catégories de systèmes robotiques qui permettent une comanipulation.
La première concerne les systèmes à articulations transparentes mécaniquement : la réalisation mécanique des actionneurs permet à la fois une bonne transmission de l’effort depuis le moteur vers les segments et l’organe terminal, et depuis les segments et l’organe terminal vers les moteurs. Hors des contraintes de déplacement éventuelles, la loi de commande consiste juste à compenser le poids du robot et de l’outil vu par les articulations pour permettre une co-manipulation transparente, comme divulgué par la publication [1], et la demande de brevet WO2014161796A1.
La deuxième catégorie est celle des systèmes comprenant des articulations insuffisamment transparentes : les frottements mécaniques dans les articulations, y compris des réducteurs et des moteurs, ramenés au point d’interaction avec l’opérateur au cours des mouvements est au-delà d’un seuil de pénibilité.
Enfin, il existe les systèmes comprenant des articulations irréversibles : pour un effort moteur nul, quel que soit l’effort appliqué par l’opérateur sur le robot, ces articulations se bloquent et aucun mouvement n’est possible. C’est notamment le cas des articulations réalisées avec des systèmes mécaniques de type roue/vis à fort rapport de réduction.
La présente invention concerne uniquement les catégories des systèmes à articulations insuffisamment transparentes et/ou irréversibles, qui concernent la plupart des robots industriels existant sur le marché. En effet, le design des robots industriels a été avant tout pensé pour optimiser la précision/répétabilité de positionnement au détriment de la capacité d’interaction avec l’opérateur humain.
L’inventeur a cherché ainsi à améliorer la co-manipulation de robots industriels existants comprenant des articulations insuffisamment transparentes mécaniquement ou irréversibles. Il a analysé les différentes inconvénients/limitations de ces robots existants et fait l’inventaire des solutions actuellement disponibles.
Tout d’abord, la co-manipulation de l’outil doit se faire avec une transparence meilleure que celle propre à la mécanique, notamment avec des frottements articulaires fortement réduits. Pour dépasser la limite mécanique de transparence dans les systèmes insuffisamment transparents, une première solution consiste à modéliser les forces de frottement des articulations pour ajouter leur compensation à la loi de commande des actionneurs.
Cette solution n’est en général pas totalement satisfaisante sur les robots industriels courants car les modèles de frottement dépendent de paramètres qui varient fortement en fonction de la lubrification, de la température et de l’usure des articulations. Aussi la variation des frottements est brusque et fortement non-linéaire autour de la vitesse nulle. La compensation des frottements est alors inopérante pour les mouvements précis ou lents, comme cela ressort de la publication [2] .
Également, le système robotique mis en œuvre doit rester sensible sur l’ensemble du corps du robot, bien qu’avec une sensibilité moindre qu’au niveau de l’outil.
Pour les systèmes comportant des articulations insuffisamment transparentes ou irréversibles, une solution consiste à installer un capteur d’effort entre l’organe ou segment d’extrémité terminale et l’outil, qui puisse mesurer les 6 composantes du torseur d’effort (3 composantes de forces et 3 de couples). Le poids prédit de l’outil est préalablement soustrait de la mesure d’effort. Une loi d’asservissement à zéro de cette mesure d’effort en boucle fermée sur la consigne des actionneurs est ensuite implémentée dans la commande du robot. Cela permet au système robotique de se déplacer continûment de manière à annuler l’effort d’interaction de l’opérateur sur le robot à chaque instant. Les efforts de frottements internes des articulations sont ainsi rejetés, quelle que soit leur nature, sans nécessiter un quelconque calcul de prédiction : [3].
Cette solution permet donc, selon l’implémentation de la loi de commande, un rejet parfait des efforts de frottements. En revanche, elle ne permet pas de s’affranchir de l’inertie mécanique du robot : [4].
En effet, on qualifiera une loi de commande, associée à son réglage de gain, de passive [5] lorsque le système robotique commandé est stable en interaction avec tout environnement mécaniquement passif, ainsi qu’avec l’opérateur humain (qui peut lui-même être considéré comme passif [6]). Or, il est montré théoriquement, pour des correcteurs simples, qu’un réglage qui compense en trop grande partie l’inertie du robot ne sera plus passif, et notamment qu’il y présentera des instabilités au contact d’environnement très rigides ou d’outil avec une forte inertie.
Par ailleurs, la limite principale de cette solution de mesure d’effort sur l’élément d’extrémité terminale est qu’elle interdit toute interaction entre le corps du robot et son environnement. En effet, l’asservissement rejette indifféremment les frottements ainsi que tous les efforts d’interaction en amont du capteur de mesure d’effort, car ils ne sont pas mesurés. Cela peut aboutir, par inadvertance, alors que l’opérateur est principalement concentré sur les mouvements de l’outils, à des situations où le corps du robot applique des efforts considérables et potentiellement destructeurs sur des éléments ou sur d’autres opérateurs présents dans l’espace de travail.
Une autre limitation de cette solution est qu’il est difficile de maitriser les mouvements de reconfiguration du robot à proximité des configurations singulières du robot, puisque la projection des efforts mesurés sur certaines articulations est alors nulle ou très faible. Pour la même raison, dans le cas des robots comportant une cinématique redondante, les mouvements internes du robot, qui ne produisent pas de déplacement de l’organe terminal (segment d’extrémité terminale), ne sont pas commandables par co-manipulation de l’outil seulement : pour un bras anthropomorphe à 7 degrés de liberté, l’opérateur ne pourra pas maitriser la position du coude pendant la co-manipulation sans pouvoir interagir avec le corps du robot.
Par ailleurs, les systèmes robotiques à articulations insuffisamment transparentes mécaniquement ou irréversibles doivent rester sensibles sur l’ensemble du corps du robot, même si cela implique une sensibilité moindre qu’au niveau de l’outil. Pour ce faire, une solution consiste à recouvrir les surfaces des segments du corps du robot d’une couche sensible aux efforts.
La demande de brevet WO2016/000005 Al propose une solution de recouvrement avec peau selon laquelle lorsque le corps du robot entre en contact avec un élément de l’espace de travail au-delà du seuil de détection de la peau, un signal est transmis au robot qui stoppe le mouvement jusqu’à ce que le contact soit retiré. Cela nécessite en général une manœuvre de dégagement du robot par un autre moyen, tel que le pendant.
Certaines peaux plus évoluées, comme celle décrite dans WO2010097459A1, permettent de déterminer la position du contact et son intensité, ce qui permet de stopper uniquement les composantes du mouvement dans les directions de contact et laisser libre les autres. Cela permet une meilleure continuité de la co-manipulation.
L’inconvénient de l’utilisation d’une peau est que celle-ci doit, par définition, être réalisée selon la géométrie propre à chaque robot. L’autre inconvénient est que cela ne permet pas à l’opérateur de co-manipuler le corps du robot, avec sa seconde main par exemple, ce qui est pourtant pratique pour maitriser la configuration du robot lors de co -manipulation à proximité ou au travers des singularités cinématiques du robot.
Une solution alternative pour avoir une bonne sensibilité sur l’ensemble du corps du robot, consiste à agencer un capteur d’effort, qui mesure les 6 composantes du torseur d’effort (3 composantes de forces et 3 de couples), entre la base du robot et son socle. Ainsi les efforts appliqués sur le corps du robot ainsi que sur l’outil sont bien mesurés par le capteur en base. Il suffit de reprendre la même loi que pour un capteur d’effort positionné sur l’organe terminal, à la différence qu’il faut aussi soustraire à la mesure la prédiction du torseur dynamique du robot réduit au capteur en base, le modèle de gravité complet pouvant suffire pour les mouvements lents, comme décrit dans la publication [7] ou US2015/0290809A1. L’inconvénient de cette solution est que le poids du robot est en pratique beaucoup plus important que les efforts appliqués par l’opérateur, ce qui nécessite un capteur d’effort de calibre beaucoup plus important avec une exigence sur la précision de mesure (bruit, linéarité et dérive) beaucoup plus importante que celle d’un capteur d’effort sur l’organe terminal du robot.
Un autre inconvénient de l’agencement d’un capteur d’effort entre la base du robot et son socle est que l’assiette du robot doit être particulièrement bien maitrisée lors de sa mise en place, sinon des erreurs apparaissent sur la prédiction du torseur de gravité, ce qui se traduit par des efforts importants venant perturber la co-manipulation.
Un dernier inconvénient affecte notamment la co-manipulation à deux mains, sur des segments distincts du robot: les composantes d’effort interne à la chaine cinématique du robot n’ont pas de résultante globale mesurable par le capteur d’effort à la base. Cela peut se produire en particulier quand l’opérateur souhaite plier le coude du robot en co- manipulant conjointement le bras et l’avant-bras. Cela provoque des perturbations pour certaines configurations de co-manipulation.
Une autre solution alternative consiste à placer des capteurs de couple articulaire à la sortie de chaque articulation du robot, avec une composante par articulation. Cette solution permet au système d’être pleinement sensible aux efforts appliqués sur tous les segments du robot, même dans le cas de co-manipulation à deux mains : [8], [9].
L’inconvénient de cette solution est qu’elle nécessite une nouvelle conception des articulations du robot, ce qui n’est pas applicable aux robot industriels préexistants.
Enfin, une autre solution alternative consiste à implémenter dans le contrôleur de robot une loi de commande en augmentation d’effort. Cette loi de commande combine la mesure d’un capteur positionné de manière à mesurer l’effort d’un élément d’interface mécanique de co- manipulation sur l’outil, telle qu’une poignée, et la consigne ou une mesure (indirecte) rmde l’effort moteur des actionneurs sur le robot, par exemple la mesure des courants des moteurs, ou pressions des vérins.
Une telle commande est notamment décrite dans WO2015/197333.
Comme expliqué dans la publication [10], le principe d’une commande en augmentation d’effort est le suivant: on note Fh le torseur de la mesure d’un capteur positionné de manière à mesurer l’effort d’un élément d’interface mécanique de co-manipulation (une poignée par exemple) sur l’outil, et Th sa projection dans l’espace moteur. On note Tm le vecteur de la consigne, ou une mesure (indirecte) de l’effort moteur de chaque actionneur sur le robot. Pour la suite, on considère que les composantes de gravité connues des deux grandeurs mesurées/commandées Fh et Tm ont été préalablement compensées. On pose par ailleurs Ft l’effort de l’espace de travail sur l’outil et les corps du robot (effort opérateur Fh exclu) et sa projection Tt sur le même espace moteur ainsi que ry le couple des frottements mécanique des articulations.
A l’équilibre, la relation mécanique suivante s’écrit : Tm + Tt + Th + ry = 0 (1) On pose ensuite le gain d’augmentation d’ effort gf > 1. On définit alors T∈ le couple d’erreur dans l’espace moteur avec la relation suivante : T∈ = — (Tm + Th) / gf + Th
De la même manière que pour la commande en effort décrite précédemment, un asservissement à zéro du couple d’erreur est alors réalisé en boucle fermée sur la consigne des actionneurs du robot. A l’équilibre on aura alors : 0 = — (Tm + Th) / gf + Th (2) En substituant (1) dans (2), on trouve :
Cette équation montre:
- d’une part, que l’objectif d’augmentation d’effort est bien rempli : hors frottements articulaires, l’effort que l’outil applique sur l’espace de travail correspond bien à celui de l’opérateur sur l’interface de co-manipulation multiplié par le gain d’augmentation d’effort ;
- d’autre part, que lorsque l’outil n’est pas en contact (rt = 0), les frottements articulaires du robot ressentis par l’opérateur sont divisés par ce même gain.
Les efforts sur l’outil et sur le corps du robot n’étant pas distingués, cette commande présente donc l’avantage de réaliser une certaine sensibilité sur le corps du robot ainsi que d’augmenter la transparence au niveau de l’interface de co-manipulation.
Un inconvénient de cette solution est qu’il y a un compromis à trouver sur le gain d’augmentation d’effort : il faut qu’il soit suffisamment fort pour diminuer les frottements ressentis, mais s’il est trop fort la sensibilité sur le corps du robot est alors trop réduite.
L’autre inconvénient est que l’opérateur peut interagir sur le corps du robot ou sur l’interface de co-manipulation mais pas sur les deux conjointement : le déplacement du robot ne correspondra alors pas à la résultante des deux efforts d’interaction, ce qui est peu intuitif et devient difficilement contrôlable par l’opérateur.
Il existe par conséquent un besoin pour améliorer la co-manipulation de robots industriels existants comprenant des articulations insuffisamment transparentes mécaniquement ou irréversibles, notamment afin de pallier les inconvénients précités et plus particulièrement ceux d’une loi de commande en augmentation d’effort.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, un robot de co-manipulation comprenant :
- une chaîne cinématique d’éléments mécaniques comprenant un élément d'extrémité proximale formant une base du robot et un élément d'extrémité distale, les différents éléments étant montés mobiles les uns par rapport aux autres de sorte que l'élément d'extrémité distale soit mobile par rapport à l’élément d'extrémité proximale;
- un outil et/ou un préhenseur, destiné à être manipulé par un opérateur humain, l’outil et/ou le préhenseur étant lié à l’élément d’extrémité distale de sorte qu’il ait les mêmes degrés de liberté que l’élément d’extrémité distale ;
- des moyens de commande d'au moins une partie de la première chaine d'éléments comprenant : des actionneurs agencés sur la chaîne pour réaliser tous les mouvements relatifs entre les différents éléments de chaîne et/ou pour appliquer un effort entre eux, des moyens de mesure de déplacement des éléments les uns par rapport aux autres, le cas échéant des moyens de mesure des efforts appliqués par les actionneurs, un unique capteur d'efforts multiaxe, agencé entre l'élément d'extrémité distale et l’outil et/ou le préhenseur, pour mesurer des efforts exercés sur ceux-ci, un contrôleur pour commander les actionneurs à partir des mesures effectuées par les moyens de mesure de déplacement, le cas échéant des moyens de mesure des efforts appliqués par les actionneurs et par les mesures du capteur d’efforts multiaxe, selon une loi de commande implémentée dans le contrôleur, ladite loi commande comprenant :
- une boucle d’augmentation d’effort configurée pour amplifier au niveau des articulations du robot, des efforts appliqués par l’opérateur sur l’outil et mesurés par le capteur d’efforts multiaxe ce, pour au moins pour certains degrés de liberté de l’extrémité distale, la boucle d’augmentation d’effort comprenant un comparateur pour soustraire, au produit du gain intégral Ki de la boucle, le produit d’un gain anti-emballement Kaw, et un intégrateur qui reçoit le résultat du comparateur pour fournir les vitesses de consigne des différents éléments de la chaîne,
- une boucle de vitesse interne de gain proportionnel Kv qui reçoit la consigne de vitesses de la boucle d’augmentation d’effort, pour fournir les couples de référence sans saturation des différents actionneurs,
- une fonction de saturation de la boucle de vitesse interne, le terme de saturation Tsat étant choisi supérieur ou égal au vecteur Tf0 des coefficients de frottement sec des actionneurs,
- une composante anti-emballement (« anti-windup » en langage anglo-saxon) retournée sur l’entrée de l’intégrateur de la boucle d’amplification d’effort, obtenue par le produit de la correction d’effort appliquée par la saturation et le gain Kaw, de sorte que dès que la saturation est effective, l’intégrateur de la boucle d’augmentation d’effort interrompe son intégration.
De préférence, on fixe Kaw=Kv-1.
De préférence encore, le terme de saturation Tsat est égal à la somme du vecteur Tf0 plus deux fois sa valeur d’incertitude.
Par « contrôleur », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le sens large usuel, à savoir une combinaison de matériel et de logiciels pour programmer et contrôler un robot.
Selon une première configuration, lorsque les actionneurs peuvent être directement commandés en effort par le contrôleur, la fonction de saturation est directement appliquée en sortie de la boucle de vitesse interne
Selon une deuxième configuration, lorsque les actionneurs ne peuvent pas être directement commandés en effort, mais par exemple par un contrôleur de vitesse ou de position fermé, les efforts appliqués Tm par les actionneurs sont alors mesurés et considérés dans le calcul de la saturation.
De préférence, les moyens de mesure de déplacement des éléments les uns par rapport aux autres comprenant des capteurs de position absolue, voire absolue multi-tours s’ils sont placés directement en sortie des moteurs avant un étage de réduction.
Le contrôleur peut être configuré pour implémenter une loi de commande additionnelle choisie par exemple parmi une commande en réalisation de contraintes mécaniques virtuels programmables, une commande en limitation de la vitesse articulaire ou cartésienne, une commande en restriction de l’espace de travail, une commande de télé-opération avec ou sans retour d’effort. Pour les commandes en réalisation de contraintes mécaniques virtuels programmables, en limitation de la vitesse articulaire ou cartésienne, ou en restriction de l’espace de travail, on pourra se reporter à l’enseignement de la demande WO2015/197333. Pour une commande de télé-opération avec ou sans retour d’effort, on pourra mettre en œuvre une loi décrite dans [11] ou [12].
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à positionner judicieusement un capteur d’efforts multiaxes entre l’organe terminal (bride) d’un robot industriel de co-manipulation et l’outil qu’il porte et à modifier une loi de commande en augmentation d’efforts implémentée dans le contrôleur du robot par l’ajout d’une fonction de saturation.
L’invention permet ainsi de pallier les inconvénients des lois d’augmentation d’effort selon l’état de l’art et donc permet d’augmenter la sensibilité sur le corps du robot et à un opérateur humain d’interagir conjointement sur le corps du robot et sur une interface de comanipulation tel qu’un outil porté par l’organe terminal du robot.
Autrement dit, la commande selon l’invention combine les mesures d’efforts sensibles du capteur multiaxes pour permettre de déplacer le robot en manipulant directement l’outil avec des efforts fortement réduits (forte transparence, les frottements mécaniques articulaires du robot étant masqués), et d’autre part les consignes ou mesure d’effort des actionneurs, afin d’assurer une sensibilité moindre, mais améliorée par rapport à [10], aux interactions physiques avec l’ensemble du corps du robot.
Ainsi il est possible pour un opérateur de manipuler aisément l’outil porté par le robot sans craindre que le corps du robot applique des efforts importants s’il entre en collision avec un obstacle de l’environnement par inadvertance.
Si cela se produit, la commande va respecter un équilibre « naturel » des forces : les forces opposées s’annulent et le robot s’arrête sans plus forcer sur l’obstacle que l’opérateur sur l’outil.
L’invention apporte de nombreux avantages, en sus de la fonction de co-manipulation sur un robot industriel, parmi lesquels on peut citer :
- une réduction importante des frottements mécaniques articulaires ressentis par un opérateur humain lors de la co-manipulation directe de l’outil ;
- une sensibilité du corps du robot aux efforts d’interaction avec l’opérateur et/ou l’espace de travail ;
- un équilibre « naturel » des forces respecté, en cas d’interactions conjointes multiples entre l’opérateur, l’espace de travail, le corps du robot et l’outil, y compris en présence de composantes internes d’effort ;
- une passivité de l’interaction entre le robot et son environnement de travail du fait de la stabilité obtenue au contact de tout environnement passif ;
- aucune nécessité de modification de l’architecture mécanique du robot, ni de ses actionneurs ;
- aucune nécessité de recouvrir le corps du robot avec un élément sensible au contact
- l’absence de limite d’usage à proximité ou au passage des singularités mécaniques du robot, - la possibilité de combiner la loi de commande avec d’autres lois de commande additionnelles utiles à la co-manipulation (contraintes virtuelles, limites de vitesse et d’espace de travail, téléopération, ...).
Aucune des solutions proposées dans l’état de l’art pour la commande de robots industriels de co-manipulation ne permet d’obtenir conjointement tous ces avantages.
L’invention a également pour objet, l’utilisation d’un robot industriel de co-manipulation tel que décrit précédemment en tant que robot d’assistance à une intervention chirurgicale, ou en tant que robot d’assemblage, de manipulation de charges lourdes, ou de programmation par démonstration.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.
Brève description des dessins
[Fig 1] la figure 1 est une vue schématique d’un exemple de robot industriel de comanipulation avec son contrôleur, mis en œuvre en tant que système pour augmenter l’effort appliqué par un opérateur humain sur un outil porté par le robot.
[Fig 2] la figure 2 est un diagramme synthétisant l’ensemble des efforts appliqués au système de la figure 1.
[Fig 3] la figure 3 illustre la loi de commande selon l’invention exécutée par le contrôleur du robot représenté à la figure 1.
[Fig 4] la figure 4 illustre une variante de la loi de commande selon l’invention.
Description détaillée
La figure 1 illustre un robot industriel de co-manipulation 1 selon l’invention, utilisé en tant que système d’assistance à la manipulation d’un outil.
Dans l’exemple illustré, l’outil est une aiguille utilisée pour une intervention chirurgicale par un chirurgien dans un bloc opératoire qui constitue l’environnement de travail du robot 1. Dans cet exemple illustré, le robot de co-manipulation 1 est commandé selon une loi de commande en effort mixte, détaillée par la suite, permettant à l’opérateur humain (chirurgien) de manipuler l’outil conjointement avec le robot en compensant le poids de l’outil et les frottements dans les articulations du robot, tout en restant sensible aux interactions sur les corps du robot. Cette loi est combinée avec une loi de commande additionnelle réalisant une contrainte virtuelle de guidage sur l’outil (non détaillée ici dans la cadre de l’invention).
Le robot de co-manipulation 1 est un robot à bras manipulateur à six degrés de liberté.
Ainsi, le robot 1 comprend une chaîne cinématique d'éléments articulés entre eux qui comporte un élément d'extrémité proximale 2 formant une base du robot et un élément d'extrémité distale 3 formant une bride. Il comprend en sus, deux éléments 4, 5 ou segments articulés entre eux entre la base 2 et l’extrémité d’extrémité distale 3.
Le robot 1 comporte en outre un outil, qui est dans l’exemple illustré est une aiguille 6 solidaire d’une poignée 7 à manipuler par l’opérateur humain. L’aiguille 6 et la poignée 7 sont liées à l’élément d’extrémité distale 3 (bride), de sorte à avoir les mêmes degrés de liberté que ce dernier, soit six degrés de liberté par rapport à la base 2.
Ainsi, l’aiguille 6 peut ainsi être déplacée dans toutes les directions de l'espace en translation et en rotation relativement à la base 2.
L’opérateur peut interagir dans la zone d’interaction Z.I, avec l’outil 6, 7 et/ou avec le corps du robot, notamment avec son élément 5.
L’espace de travail peut aussi interagir avec l’outil 6 et/ou avec le corps du robot, notamment avec son élément 4, à l’occasion de contacts souhaités par l’opérateur ou non (intempestifs). Autrement dit, il y a une présence de deux ports d'interaction implantés directement sur le robot, l'un via le corps du robot, en particulier ses éléments 4, 5 et l'autre via l'outil 6, 7.
Le robot comporte en outre des moyens de commande de la chaîne d'éléments, et donc de l'outil 6, 7 qui est lié à l'élément d'extrémité distale 3.
Les moyens de commande comprennent tout d’abord un contrôleur 10 qui exécute des programmes de commande de la chaîne principale d'éléments du robot pour assurer une coordination entre le corps du robot et l'outil 6, 7.
Les moyens de commande comportent également des actionneurs, non représentés, agencés chacun au niveau de l'une des articulations de la chaîne d'éléments de sorte à pouvoir provoquer un déplacement de l'un des éléments relativement à l’élément adjacent de l'articulation considérée ou à appliquer un effort entre ces éléments. Le contrôleur 10 commande les différents actionneurs, comme schématisé par la flèche 11 en figure 1, de sorte à pouvoir déplacer de façon coordonnée l'outil 6, 7 relativement à la base 2.
En outre, un capteur d'efforts multiaxe 8, de préférence un capteur 6 axes, est agencé entre l'élément d'extrémité distale 3 et l'outil 6, 7 de sorte à pouvoir générer, à destination du contrôleur 10, des signaux représentatifs des efforts appliqués par l'outil 6, 7 sur l'élément d'extrémité distale 3, comme symbolisé par la flèche 12 en figure 1. L'outil 6, 7 est ainsi lié à l'élément d'extrémité distale 3 par l'intermédiaire dudit capteur d'efforts multiaxes 8.
Les moyens de commande comportent en outre des moyens de mesure de déplacements des différents éléments qui comportent ici une pluralité de capteurs de position, non représentés agencés chacun au niveau de l'une des articulations de la chaîne principale d'éléments de sorte à pouvoir générer, à destination du contrôleur 10, des signaux représentatifs de la position relative des deux éléments formant l'articulation considérée, comme symbolisé par la flèche 13 en figure 1. Les capteurs de position sont des capteurs de position absolue.
Les capteurs de position absolue et le capteurs d'efforts multiaxes 8 permettent ainsi au contrôleur 10 de mesurer à tout moment les mouvements de l'outil 6, 7 et du corps du robot par rapport à la base 2 et à tout moment les efforts appliqués sur l'outil 6, 7.
Selon l’invention, le contrôleur 10 exécute un programme selon une loi de commande détaillée ci-après qui permet une sensibilité accrue aux efforts appliqués à l’outil 6, 7 par l'opérateur ou son environnement.
Cette loi de commande peut être combinée avec une autre loi de commande additionnelle non-détaillée ici qui permet en particulier d’appliquer des contraintes virtuelles 14 aux déplacements de l’outil, dans le cas illustré en figure 1 pour guider l’insertion de l’aiguille 6 dans le corps du patient B vers une zone d’intérêt.
On note le torseur de l’effort appliqué sur l’élément d’extrémité distale 3 du robot, mesuré par le capteur d’effort 8, dont on retranche le poids connu de l’outil 6,7, réduit au point S centre du repère capteur, dont les composantes sont exprimées dans la base du repère capteur S.
Avec de résultante et 3 le moment au point S de l’effort mesuré exprimés dans le repère S.
On note la position cartésienne du repère S exprimée dans le repère E lié à l’organe terminal du robot. Le capteur d’effort 8 étant rigidement lié à l’élément d’extrémité distale 3, XS,E est constante et sera décomposée en la matrice de rotation du repère S dans le repère la position de l’origine du repère S exprimée dans le repère E. On obtient : le torseur de l’effort appliqué sur l’élément d’extrémité distale 3 du robot par le capteur 8 réduit au centre de et exprimé dans le repère E.
On note q le vecteur de la mesure de la position articulaire du robot, avec N le nombre d’articulations.
On note le vecteur de la mesure de la position des actionneurs du robot, avec P < N le nombre d’ actionneur du robot.
Pour une position articulaire q donnée, on note la position cartésienne du repère E lié à l’organe terminal du robot, exprimée dans le repère B de la base du robot. Cette position sera décomposée en la matrice de rotation du repère E dans le repère la position de l’origine du repère E exprimée dans le repère
B.
On obtient : le torseur de l’effort appliqué sur l’organe terminal du robot par le capteur réduit au centre du repère E, exprimé dans le repère B.
On note la matrice jacobienne de l’application XE,B (q), telle que : avec X E IR6 le torseur cinématique de l’effecteur du robot réduit au centre du repère E et exprimé dans le repère B, qui se décompose en la vitesse de l’origine du repère E exprimée dans le repère le vecteur vitesse de rotation du repère E exprimée dans le repère B.
On note la matrice des rapports de réduction de l’espace actionneur vers l’espace articulaire.
On peut alors obtenir la projection dans l’espace actionneur de le torseur de l’effort appliqué sur l’organe terminal par le capteur: L’ensemble des efforts appliqués au système sera par la suite étudié dans l’espace des actionneurs et est synthétisé par le diagramme de la figure 2.
On note le vecteur des efforts appliqués par l’opérateur et l’espace de travail sur le corps du robot projeté dans l’espace actionneur.
On note le vecteur des efforts produits par les actionneurs (mesure ou consigne, selon l’implémentation).
On note le vecteur des efforts de friction articulaire projeté dans l’espace actionneur.
On note le vecteur des efforts de gravité du système robot-outil projeté dans l’espace actionneur.
On note le vecteur des efforts centrifuge et Coriolis du système robot-outil projeté dans l’espace actionneur.
On note la matrice d’inertie du système robot-outil projetée dans l’espace actionneur.
A l’équilibre et à faible vitesse la relation suivante s’applique :
La loi de commande en effort mixte selon l’invention est montrée sur le schéma de la figure 3.
Les boucles suivantes sont implémentées dans le contrôleur 10 :
- une boucle d'augmentation des efforts 100 ;
- une boucle de vitesse interne 101 qui reçoit la consigne de vitesses de la boucle d’augmentation d’effort, pour fournir les couples de consigne des différents actionneurs ;
- une fonction de saturation 102 de la boucle de vitesse interne ;
- une anticipation de compensation de modèle 103.
Les différentes interactions entre les boucles sont détaillées ci-après en référence à l’espace des actionneurs du robot.
On note le vecteur du modèle des efforts de gravité du système robot-outil, projeté dans l’espace actionneur.
On note le vecteur du modèle des efforts de friction articulaire projeté dans l’espace actionneur. Un exemple de modèle de frottements uniquement dans l’espace actionneur peut-être : dans lequel représente le vecteur des coefficients de frottement sec des actionneurs, la vitesse nominale d’application du modèle, l’amortissement dans les actionneurs.
Les notations suivantes sont introduites pour simplifier le lien avec la commande en amplification d’effort, telle que décrite dans [10].
Th = Ts représente l’effort projeté dans l’espace actionneur du port d’interaction dont la sensibilité doit être augmentée, dans notre cas l’outil monté sur le capteur d’effort. représente l’estimation de l’effort projeté dans l’espace actionneur de l’autre port d’interaction dont la sensibilité n’est pas augmentée, ici l’ensemble des efforts extérieurs appliqués sur le corps du robot.
On a donc : fff > l représente le facteur d’amplification de la boucle d’augmentation d’effort. est le gain intégral de la boucle d’amplification d’effort. est inversement proportionnel à l’inertie apparente du système commandé. La limite théorique de réglage de ce gain, et donc de l’inertie apparente réalisable du robot commandé respectant les critères de passivité, c’est-à-dire une stabilité inconditionnelle du robot en interaction avec des environnements passifs quelconques, est de l’ordre de l’inertie mécanique propre du robot : [4].
On note le vecteur des efforts de consigne issue d’une loi de commande additionnelle optionnelle non détaillée ici : il peut s’agir d’une loi de contrainte virtuelle, de limitation de vitesse, de limitation d’espace de travail, de télé-opération.
A l’équilibre et hors de la plage de saturation, l’entrée de l’intégrateur sera nulle, on retrouve donc bien la propriété de la boucle d’amplification d’effort :
En effectuant les substitutions (3) et (4) dans (5) :
On retrouve bien que les frottements, non compensés par le modèle sont bien réduits par le facteur d’amplification d’effort lorsque l’opérateur manipule uniquement par l’outil, ce qui correspond à représente le gain proportionnel de la boucle de vitesse interne 101. Le rôle de la boucle interne de vitesse est de linéariser le système vis-à-vis notamment des frottements secs, ce qui réduit l’accumulation nécessaire dans l’intégrateur de la boucle d’amplification d’effort et améliore la réjection des frottements, notamment au moment de l’inversion de signe de la vitesse sur les articulations.
Tsat E est le terme de saturation de la boucle de vitesse 101. La fonction de saturation permet de limiter la contribution de l’amplification d’effort juste à la réduction des frottements secs et permettre l’équilibre « naturel » des forces lors d’une interaction conjointe sur l’outil et le corps du robot.
Pour cela, selon l’invention, on choisit Tsat de l’ordre de Tf0, ainsi pour la commande sera en saturation à l’équilibre.
L’équation (3) devient alors : avec
On retrouve alors bien l’équilibre « naturel » des forces : représente le gain d’anti-emballement de l’intégrateur de la boucle d’augmentation des efforts 100, nécessaire afin que l’intégrateur stoppe son intégration dès lors que la saturation entre en action. Il est avantageusement choisi ainsi :
Enfin sont les gains proportionnels de la boucle d’amplification d’effort, correspondant aux deux ports d’interaction précités. Leur réglage permet d’optimiser la stabilité et la bande passante de la boucle d’amplification d’effort, comme précisé dans la publication [10]
La consigne d’effort Tm est obtenue en ajoutant les termes d’anticipation : Tref de la loi de commande additionnelle optionnelle, de modélisation des frottements et de la gravité.
L’inventeur a implémenté la loi de commande d’efforts avec la fonction de saturation qui vient d’être décrite, dans des contrôleurs de robots industriels de la gamme TX2_90 et TX2_60L de la société Staubli. La performance de la co-manipulation a été éprouvée. Les fonctionnalités de contraintes virtuelles, limite de vitesse et espace de travail limité ont été combinées avec succès sans pertes de performances.
Une variante de la loi de commande selon l’invention est montrée sur le schéma de la figure 4. Cette variante s’applique à des actionneurs qui ne peuvent pas être commandés directement en effort. Il peut s’agir par exemple d’ actionneurs hydrauliques ou pneumatiques munis de servo-valves.
Ici, la consigne de vitesse en sortie de la boucle d’amplification d’effort 100 pilote alors directement les actionneurs, qui doivent donc être équipés d’une mesure d’effort Tm .
Pour un actionneur hydraulique, la consigne peut être celle d’un servo débit hydraulique avec une mesure de pressions des vérins.
Comme schématisé sur la figure 4, la mesure d’effort Tm est ainsi utilisée pour calculer l’estimation des efforts sur le corps du robot d’une part, et dans le calcul de la saturation et de l' anti-emballement Taw d’autre part.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Les actionneurs peuvent comprendre avantageusement des servo-moteurs. De manière générale, les actionneurs peuvent comprendre des moteurs électriques à courant continu à rotor sans fer ou des moteurs sans balais, des moteurs à courant continu classiques, des alliages à mémoire de forme, des actionneurs piézoélectriques, des polymères actifs, des actionneurs pneumatiques ou hydrauliques. Les actionneurs peuvent encore comprendre sur un ou plusieurs éléments ou corps du robot des freins. Ces freins pourront ainsi être des freins à disques, des freins à poudre ou des freins à fluides magnéto ou électro rhéologiques. Les actionneurs peuvent également comprendre des actionneurs hybrides comprenant à la fois un moteur et un frein ou des dispositifs d' actionnement antagonistes et/ou des dispositifs à raideur variable. Lorsque les actionneurs comprennent des réducteurs associés par exemple à des moteurs, les réducteurs pourront être de tout type et être par exemple des réducteurs à engrenages simples ou épicycloïdaux, à un ou plusieurs étages, des réducteurs de type "Harmonie Drive" (marque déposée) ou des réducteurs à vis à billes ou des cabestans à câbles. En lieu et place de réducteurs réversibles, on pourra avoir des réducteurs non réversibles comme des réducteurs à roue et vis sans fin.
Liste des références citées:
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[2] P. Hamon, M. Gautier et P. Garrec, «New dry friction model with load- and velocitydependence and dynamic identification of multi-DOF robots», IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1077-1084, 2011.
[3] W. S. Newman et Y. Zhang, «Stable interaction control and coulomb friction compensation using natural admittance control», Journal of Robotic Systems, vol. 11, n° %l l, pp. 3-11, 1994.
[4] W. S. Newman, «Stability and performance limits of interaction controllers», Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 114, n° %14, pp. 563-570, 1992.
[5] J. E. Colgate, «The Control of Dynamically interacting Systems», PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1988.
[6] N. Hogan, «Controlling impedance at the man/machine interface», IEEE International Conference on Robotics and Automation, Proceedings, vol. 3, pp. 1626-1631, 1989.
[7] F. Geffard et e. al., «On the use of a base force/torque sensor in teleoperation», Proceedings 2000 ICRA. Millennium Conference. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Symposia Proceedings, vol. 3, pp. 2677-2683, 2000.
[8] A. Albu-Schaefferet C. Ott, «A Unified Passivity Based Control Framework for Position, Torque and Impedance Control of Flexible Joint Robots», The International Journal of Robotics Research, vol. 26, 2007.
[9] R. B. e. al., «The KUKA-DLR Lightweight Robot arm - a new reference platform for robotics research and manufacturing», ISR 2010 (41st International Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics), pp. 1-8, 2010.
[10] X. Lamy et e. al., «Human force amplification with industrial robot: study of dynamic limitations», IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)., 2010.
[11] K. Hashtrudi-Zaad et S. E. Salcudean, «Analysis of Control Architectures for Teleoperation Systems with Impedance/Admittance Master and Slave Manipulators», The International Journal of Robotic Research, vol. 20, n° % 16, pp. 419-445, 2001. [12] A. Micaelli, « Téléopération et télérobotique, chapitre 6, asservissement et lois de couplage en téléopération », Hermès science, 2002.

Claims

Revendications
1. Robot de co-manipulation (1) comprenant :
- une chaîne cinématique d’éléments mécaniques (2 à 5) comprenant un élément d'extrémité proximale formant une base (2) du robot et un élément d'extrémité distale (3), les différents éléments étant montés mobiles les uns par rapport aux autres de sorte que l'élément d'extrémité distale soit mobile par rapport à l’élément d'extrémité proximale;
- un outil (6,7) et/ou un préhenseur, destiné à être manipulé par un opérateur humain, l’outil et/ou le préhenseur étant lié à l’élément d’extrémité distale de sorte qu’il ait les mêmes degrés de liberté que l’élément d’extrémité distale ;
- des moyens de commande d'au moins une partie de la première chaine d'éléments comprenant : des actionneurs agencés sur la chaîne pour réaliser tous les mouvements relatifs entre les différents éléments de chaîne et/ou pour appliquer un effort entre eux, des moyens de mesure de déplacement des éléments les uns par rapport aux autres, le cas échéant des moyens de mesure des efforts appliqués par les actionneurs, un unique capteur d'efforts multiaxe (8), agencé entre l'élément d'extrémité distale et l’outil et/ou le préhenseur, pour mesurer des efforts exercés sur ceux-ci, un contrôleur (10) pour commander les actionneurs à partir des mesures effectuées par les moyens de mesure de déplacement, le cas échéant des moyens de mesure des efforts appliqués par les actionneurs et par les mesures du capteur d’efforts multiaxe, selon une loi de commande implémentée dans le contrôleur, ladite loi commande comprenant :
- une boucle d’augmentation d’effort (100) configurée pour amplifier au niveau des articulations du robot, des efforts appliqués sur l’outil ou le préhenseur et mesurés par le capteur d’efforts multiaxe ce, pour au moins pour certains degrés de liberté de l’extrémité distale, la boucle d’augmentation d’effort comprenant un comparateur pour soustraire, au produit du gain intégral Ki de la boucle, le produit du gain anti-emballement Kaw, et un intégrateur qui reçoit le résultat du comparateur pour fournir les vitesses de consigne des différents éléments de la chaîne,
- une boucle de vitesse interne (101) de gain proportionnel Kv qui reçoit la consigne de vitesses de la boucle d’augmentation d’effort, pour fournir les couples de référence sans saturation des différents actionneurs, - une fonction de saturation (102) de la boucle de vitesse interne, le terme de saturation Tsat étant choisi supérieur ou égal au vecteur ry0 des coefficients de frottement sec des actionneurs,
- une composante anti-emballement retournée sur l’entrée de l’intégrateur de la boucle d’amplification d’effort, obtenue par le produit de la correction d’effort appliquée par la saturation et le gain Kaw, de sorte que dès que la saturation est effective, l’intégrateur de la boucle d’augmentation d’effort interrompe son intégration.
2. Robot de co-manipulation selon la revendication 1, le produit du gain anti-emballement Kaw étant égal à Kv 1.
3. Robot de co-manipulation selon la revendication 1 ou 2, le terme de saturation Tsat étant égal à la somme du vecteur rf0 plus deux fois sa valeur d’incertitude.
4. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes, les actionneurs pouvant être directement commandés par le contrôleur, la fonction de saturation étant directement appliquée en sortie de la boucle de vitesse interne.
5. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications 1 à 3, les actionneurs ne pouvant pas être directement commandés en effort, les efforts appliqués Tm par les actionneurs étant alors mesurés et considérés dans le calcul de la saturation.
6. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes, les actionneurs comprenant des servo-moteurs.
7. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes, les moyens de mesure de déplacement des éléments les uns par rapport aux autres comprenant des capteurs de position absolue.
8. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes, le contrôleur étant configuré pour implémenter au moins une loi de commande additionnelle choisie parmi une commande en réalisation de contraintes mécaniques virtuels programmables, une commande en limitation de la vitesse articulaire et/ou cartésienne, une commande en restriction de l’espace de travail, une commande de télé-opération avec ou sans retour d’effort.
9. Robot de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes, le capteur d'efforts multiaxe (8) étant agencé entre la poignée (7) de l’outil et l’outil (6), pour mesurer uniquement les efforts appliqués à la poignée.
10. Utilisation d’un robot industriel de co-manipulation selon l’une des revendications précédentes en tant que robot d’assistance à une intervention chirurgicale, ou en tant que robot d’assemblage, de manipulation de charges lourdes, ou de programmation par démonstration.
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