CAPTEURS D'EFFORTS

Afin de connaître précisément les intentions d'un humain intéragissant avec un robot, il est possible d'utiliser un capteur d'efforts qui mesurera les forces et les moments appliqués sur une poignée. L'avantage d'un tel capteur, par rapport à une peau robotique sensible recouvrant l'ensemble du manipulateur, est qu'elle permet de mesurer précisément les moments et les forces transversales appliquées plutôt que les forces normales uniquement.

Les capteurs d'efforts actuellement disponibles sont fabriqués à partir de jauges de contrainte, qui ont le défaut de produire un signal bruité. Cela est problématique dans le cadre de la coopération humain-robot puisque les algorithmes de contrôle utilisés nécessitent souvent les taux de variation des efforts. Or, dériver des signaux bruités par rapport au temps n'est souvent possible qu'en filtrant le signal, ce qui réduit les performances d'un robot coopératif. De plus, les capteurs utilisant des jauges de contraintes ont un signal qui change dans le temps lorsque les efforts demeurent constants. Ainsi, le manipulateur peut détecter une faible force appliquée sur lui et se déplacer même si personne n'y touche.

Pour ces raisons, une nouvelle technique de mesure des efforts est utilisée afin de bâtir des capteurs à partir de mécanismes compliants et de photo-interrupteurs. Un photo-interrupteur est une composante électronique comprenant une diode électro-luminescente et un photo-resistor. Il permet de mesurer l'obstruction de la lumière émise. En le combinant avec un mécanisme compliant, on obtient un capteur de force uniaxial comme celui de la figure 1.

Fig. 1 : Capteur de force à un degré de liberté basé sur un mécanisme compliant et un photo-interrupteur.

La figure suivante présente un signal de force mesuré en fonction du temps pour un capteur utilisant un photo-interrupteur et un capteur commercial. Les deux capteurs étaient placés en série lors de l'expérimentation de telle sorte que les efforts mesurés étaient les mêmes. On peut clairement voir sur la figure la différence de bruit entre les deux capteurs.

Fig. 2 : Signal de force en fonction du temps pour un capteur avec photo-interrupteur en comparaison avec un capteur commercial.

Il est possible d'assembler plusieurs capteurs uniaxiaux afin de mesurer les efforts appliqués sur une poignée. Les figures 3 et 4 présentent un assemblage de capteurs permettant de mesurer les forces appliquées dans toutes les directions ainsi que le moment par rapport à un axe vertical.

Fig. 3 : Assemblage de quatre mécanismes compliants avec photo-interrupteurs.

Fig. 4 : Poignée complète permettant de mesurer les forces en x, y et z ainsi que le moment selon un axe vertical.

Des mécanismes compliants plus compacts ont également été fabriqués afin de créer un capteur de force à 3 degrés de liberté qui possède la taille et la forme des capteurs commerciaux standards. La figure 5 présente le capteur développé, placé au poignet d'un robot PR2 de la compagnie Willow Garage alors que celui-ci utilise un crayon pour écrire sur un tableau blanc.

Fig. 5 : Robot PR2 de la compagnie Willow Garage muni d'un capteur de force à 3 degrés de liberté (travaux effectués avec la collaboration de Robotiq et du Biomimetics & Dexterous Manipulation Labory de Stanford University)

Le laboratoire a également collaboré avec Robotiq au développement d'un capteur d'effort 6 axes.