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) r _m de 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 F _h 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 T _h sa projection dans l’espace moteur. On note T _m 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 F _h et T _m ont été préalablement compensées. On pose par ailleurs F _t l’effort de l’espace de travail sur l’outil et les corps du robot (effort opérateur F _h exclu) et sa projection T _t sur le même espace moteur ainsi que ry le couple des frottements mécanique des articulations.

A l’équilibre, la relation mécanique suivante s’écrit : T _m + T _t + T _h + ry = 0 (1) On pose ensuite le gain d’augmentation d’ effort g _f > 1. On définit alors T _∈ le couple d’erreur dans l’espace moteur avec la relation suivante : T _∈ = — (T _m + T _h ) / g _f + T _h

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 = — (T _m + T _h ) / g _f + T _h (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 (r _t = 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 T _sat étant choisi supérieur ou égal au vecteur T _f0 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 T _sat est égal à la somme du vecteur T _f0 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 T _m 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, X _S,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 X _E,B (q), telle que : avec X E IR ⁶ 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].

^T h ^{= T} s 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.

T _sat 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 T _sat de l’ordre de T _f0 , 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 T _m est obtenue en ajoutant les termes d’anticipation : T _ref 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 T _m .

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 T _m 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 T _aw 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:

[1] B. Rooks, «The harmonious robot», Industrial Robot: An International Journal, vol. 33, n° % 12, pp. 125-130, 2006.

[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.