Dispositif pour robot de manipulation d'objets et procédé appliqué à ce dispositif |
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| 申请号 | EP00400884.3 | 申请日 | 2000-03-30 | 公开(公告)号 | EP1043114B1 | 公开(公告)日 | 2003-10-01 |
| 申请人 | CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Recherche et Développement; | 发明人 | Depeursinge, Yves; Genequand, Pierre-Marcel; El-Khoury, Mario; Hoehener, Rémy; Michel, Jean-Bernard; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | La présente invention est relative à un dispositif pour robot de manipulation d'objets et à un procédé de manipulation d'objets avec un robot équipé d'un tel dispositif. Ce procédé et ce dispositif sont particulièrement destinés aux industries de précision telles que l'industrie électronique ou l'industrie horlogère. On connaît de la demande de brevet DE 37 01 874 un système pour robot de manipulation d'objets, comprenant:
Ce système permet de manipuler des objets de grandes dimensions tels que des pièces de textile, avec des cadences relativement élevées. La présente invention a pour but de fournir un système du type susmentionné qui soit adapté à la manipulation de pièces de très faibles dimensions, et qui permette d'atteindre des cadences encore plus élevées. On atteint ce but de l'invention avec un dispositif pour robot de manipulation d'objets, comprenant:
Grâce à cette structure particulière, on obtient un dispositif dans lequel l'organe de saisie présente une très petite surface de contact avec l'objet à saisir tout en présentant des surfaces d'échange thermique avec les éléments réfrigérants locaux suffisamment importantes pour permettre de refroidir très rapidement cet organe de saisie. On obtient de la sorte un dispositif permettant de manipuler des pièces de très petites dimensions à une cadence très supérieure à celles de la technique antérieure. La présente invention a également pour but de fournir un procédé de manipulation d'objets appliqué au dispositif susmentionné et adapté à un contexte de fabrication industrielle à cadences très élevées. On atteint ce but de l'invention avec un procédé de manipulation d'objets avec un robot équipé d'un dispositif conforme à ce qui précède, remarquable en ce qu'il comprend les étapes consistant à:
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé, dans lequel:
Sur ces figures, des références numériques identiques désignent des organes ou ensemble d'organes identiques ou analogues. On se reporte à présent aux figures 1 et 2, sur lesquelles on voit que le dispositif selon l'invention comprend un carter 1 muni de préférence d'ailettes de refroidissement 3. Une paire d'éléments réfrigérants périphériques 5, 7 placés en vis-à-vis est montée à l'intérieur de ce carter. Une paire de bras 9, 11 placés en vis-à-vis est montée entre les deux éléments réfrigérants périphériques 5, 7. Une paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15 placés en vis-à-vis est montée entre les deux bras 9, 11. Un organe de saisie tel qu'une tête 17 est monté entre les deux éléments réfrigérants locaux 13, 15. Le dispositif peut comprendre un flasque 19, adjacent au carter 1, et destiné à recevoir un boîtier de protection (non représenté). De préférence, la tête de saisie 17 et la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15 sont débrayables du reste du dispositif, grâce à des moyens (non représentés) à la portée de l'homme de l'art. Le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens pour mesurer la température des deux bras 9, 11, pouvant consister en un thermocouple (non représenté). De même, le dispositif selon l'invention comprend dès moyens pour mesurer la température de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 (non représentés). Ces moyens peuvent consister en un autre thermocouple ou, de manière avantageuse, en une thermistance assurant la double fonction de thermomètre et d'élément de chauffage. Selon des variantes non représentées et décrites dans la demande de brevet français FR 2 725 651 :
La partie 23 de la tête de saisie 17 destinée à être interposée entre les deux éléments réfrigérants locaux 13, 15 peut être plate, et son extrémité 21 destinée à saisir les objets peut être cylindrique, comme cela est représenté. Typiquement, la longueur de cette tête est située entre 5 et 10 mm, et la surface de son extrémité 21 est de l'ordre du millimètre carré. Cette tête est formée dans un matériau à conductivité thermique élevée, tel que le cuivre ou le diamant synthétique, ou une combinaison de ces deux matériaux. Chacun des éléments réfrigérants périphériques 5, 7 et locaux 13, 15 peuvent être formés par des éléments à effet Peltier, connus de l'homme de l'art. Les deux bras 9, 11 sont formés dans un matériau à conductivité thermique élevée, tel que le cuivre. Le dispositif selon l'invention est destiné à être fixé sur un robot 25 par tout moyen approprié à la portée de l'homme du métier. Les paires d'éléments réfrigérants périphériques 5, 7 et locaux 13, 15, les éléments de chauffage et le robot 25 sont reliés par un faisceau de câbles électriques à un circuit de commande (non représenté). Ce circuit de commande comprend, tout d'abord, des moyens pour maintenir les deux bras 9, 11 à une température sensiblement constante. Ces moyens peuvent comprendre, typiquement, une boucle d'asservissement comparant la température effective des deux bras 9, 11 telle qu'elle est mesurée par le thermocouple susmentionné à une température de référence, et fournissant en sortie un signal d'activation de la paire d'éléments réfrigérants périphériques 5, 7 de manière à atteindre ladite température de référence. Ce circuit de commande comprend par ailleurs des moyens pour adapter la température de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 aux différentes opérations à effectuer. Ces moyens peuvent comprendre, tout d'abord, un générateur de signal périodique de position P qui passe de 0 à 1 à partir du moment où la tête de saisie 17 est placée au dessus de l'objet à saisir, et qui repasse à 0 une fois que cet objet a été saisi, transporté et déposé. Dans l'exemple choisi, la période du signal P est d'environ 6 secondes. Ce signal est représenté sur le graphe de la figure 3, sur l'axe des abscisses duquel on a reporté le temps mesuré en secondes (ceci vaut également pour les graphes mentionnés ci-après). Les moyens d'adaptation de la température de la tête de saisie 17 aux différentes opérations à effectuer comprennent par ailleurs un générateur de consigne de température C (voir figure 4), dont la valeur fixe la température que doit atteindre la tête de saisie 17 pendant les phases de saisie, de transport et de dépôt de l'objet concerné. Lorsque le signal de position P passe de 0 à 1, c'est-à-dire au moment où la tête de saisie 17 arrive au dessus de l'objet à saisir, la consigne de température C passe d'une température d'attente Ta, située en dessous d'une température de gel/dégel Tgd, à une température de saisie Ts, inférieure à Ta. La température de gel dégel/Tgd est la température à laquelle une substance située à l'interface entre l'extrémité 21 de la tête 17 et l'objet à saisir se solidifie ou liquéfie. Cette substance peut être par exemple de l'eau provenant de l'humidité ambiante, ou, en variante, de l'eau amenée jusqu'à l'extrémité 21 par les moyens susmentionnés, éventuellement sous forme pulvérisée. Pendant le transport de l'objet par la tête de saisie, la consigne de température C passe de la température Ts à une température de transport Tt supérieure à la température d'attente Ta et inférieure à la température de gel/dégel Tgd. Lorsque le signal P repasse à 0, c'est-à-dire lorsque que l'objet transporté est arrivé à destination, la consigne de température C grimpe jusqu'à la température de gel/dégel Tgd. Un court instant plus tard (environ 1 seconde dans l'exemple choisi), une fois que l'objet transporté a été déposé, la consigne de température C repasse à la température d'attente Ta. Lorsqu'on utilise l'humidité ambiante ou de l'eau liquide ou pulvérisée comme substance d'interface entre la tête de saisie et l'objet à saisir, les températures mentionnées ci-dessus peuvent valoir, typiquement:
Enfin, les moyens d'adaptation de la température de la tête de saisie 17 aux différentes opérations à effectuer comprennent des moyens pour porter cette tête à la température de la consigne de température C. Ces moyens peuvent comprendre, typiquement, une boucle d'asservissement comparant la température effective de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 telle qu'elle est mesurée par le thermocouple (ou par la thermistance) susmentionné(e) à la consigne de température C, et fournissant comme signal de sortie un signal d'activation de la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15 ou un signal d'activation des éléments de chauffage susmentionnés (thermistance, résistance, bobine, fibre optique), de manière à atteindre ladite température de consigne C. Par ailleurs, le circuit de commande susmentionné comprend des moyens pour piloter les déplacements du robot 25 au cours des manipulations. Ces moyens peuvent comprendre un générateur de signal de déplacement D (voir figure 5), dont la valeur indique quand il faut déplacer le robot 25 de sa position de saisie de l'objet concerné vers sa position de dépôt de cet objet, et inversement. Le signal D passe de 0 à 1 lorsque la consigne de température C passe de la température de saisie Ts à la température de transport Tt, c'est-à-dire lorsque la tête de saisie 17 a saisi l'objet. Le signal D repasse de 1 à 0 lorsque la consigne de température C passe de la température de gel/dégel Tgd à la température d'attente Ta, c'est-à-dire lorsque la tête de saisie 17 a déposé l'objet. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention découle directement de ce qui précède. Avec la boucle d'asservissement de la paire d'éléments réfrigérants périphériques 5, 7, on maintient les deux bras 9, 11 sensiblement à la température de gel/dégel Tgd. On maintient ainsi la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15 dans un environnement dont la température est également située au voisinage de la température Tgd. Les ailettes de refroidissement 3 du carter 1 permettent d'évacuer vers l'extérieur la chaleur dégagée par la paire d'éléments réfrigérants périphériques 5, 7. Selon une variante possible, on peut chasser les calories évacuées par un flux d'air engendré par exemple par un dispositif à vortex. Avec la boucle d'asservissement de la paire d'éléments réfrigérants locaux et des éléments de chauffage susmentionnés (thermistance, résistance, bobine, fibre optique), on adapte la température de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 aux différentes opérations de saisie, de transport et de dépôt de l'objet concerné, selon les principes exposés ci-après. Lorsqu'il est prévu d'amener une substance d'interface telle que de l'eau jusqu'à l'extrémité 21, la succession d'opérations décrites ci-après comprend l'étape préalable consistant à asperger l'objet à saisir avec cette substance. Lorsque la consigne de température C passe de la température d'attente Ta à la température de saisie Ts, on active la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15. On gèle ainsi l'interface entre cette tête et l'objet à saisir, ce qui permet de les solidariser entre eux. Lorsque les éléments réfrigérants locaux 13, 15 sont des éléments à effet Peltier, on réalise cette activation en leur appliquant ponctuellement un courant électrique « de refroidissement » I1, dont la mesure en ampères est représentée sur le graphe de la figure 6. Du fait que la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15 est placée dans un environnement dont la température avoisine en permanence la température Tgd, l'activation de ces éléments permet d'abaisser très rapidement la température de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 en dessous de la température Tgd. On notera ici qu'un phénomène de surfusion peut apparaître lorsqu'on abaisse brutalement la température de l'extrémité 21 de la tête de saisie 17, empêchant ainsi de geler l'interface. Les risques pour que ce phénomène survienne augmentent lorsqu'on utilise un liquide d'interface sous forme pulvérisée. Le recours à un matériau tel que le diamant synthétique pour revêtir l'extrémité 21 de la tête de saisie 17 ou pour former l'intégralité de celle-ci permet de s'affranchir du phénomène de surfusion. Selon une variante, on peut s'affranchir de ce phénomène en associant certains additifs, comme l'iodine, au liquide d'interface. Lorsque la température de consigne C passe de la température de saisie Ts à la température de transport Tt, on laisse augmenter la température de la tête de saisie 17 d'elle-même, sous l'effet de la température de l'air ambiant. Pour ce faire, on n'active ni la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15, ni les éléments de chauffage susmentionnés. Etant donné que la température de transport Tt est inférieure à la température de gel/dégel Tgd, on est sûr que l'interface entre la tête de saisie et l'objet reste gelée, et donc que cette tête peut se déplacer sans que cet objet risque de se décrocher. Lorsque la température de consigne C passe de la température de transport Tt à la température de gel/dégel Tgd, on active les éléments de chauffage susmentionnés. On liquéfie ainsi l'interface entre cette tête et l'objet transporté, ce qui permet de déposer cet objet à l'endroit voulu. Selon une variante envisageable lorsque les éléments réfrigérants locaux 13, 15 sont des éléments à effet Peltier, on peut chauffer la tête de saisie 17 en appliquant à ces éléments un courant électrique « de chauffage », de sens opposé à celui du courant « de refroidissement » susmentionné. Cette option présente l'inconvénient d'entraîner une usure plus rapide de ces éléments. Le fait de laisser augmenter la température de la tête de saisie à partir de la température de saisie Ts permet d'anticiper le chauffage de cette tête jusqu'à la température Tgd, et ainsi de liquéfier de manière quasi instantanée l'interface entre la tête et l'objet lorsqu'on souhaite déposer ce dernier. Lorsque la consigne de température passe de la température de gel/dégel Tgd à la température d'attente Ta, on active à nouveau la paire d'éléments réfrigérants locaux 13, 15. Lorsque les éléments réfrigérants locaux 13, 15 sont des éléments à effet Peltier, on réalise cette activation en leur appliquant à nouveau ponctuellement un courant « de refroidissement » I2 représenté sur la figure 6. Le fait d'abaisser la température de la tête de saisie 17 jusqu'à la température d'attente Ta permet d'anticiper le refroidissement de cette tête jusqu'à la température de saisie Ts, et ainsi de geler de manière quasi instantanée l'interface entre la tête et l'objet lorsqu'on souhaite saisir ce dernier. Selon une variante envisageable lorsque les éléments réfrigérants locaux 13, 15 sont des éléments à effet Peltier, pour amener rapidement la tête de saisie 17 à la température voulue sans pour autant être pénalisé par son inertie thermique, on peut prévoir que les intensités des courants « de refroidissement » et « de chauffage » susmentionnés puissent prendre sélectivement une valeur absolue importante Imax ou faible Imin, selon respectivement que l'écart entre la température effective de la tête et la consigne de température C est important ou non. Pour piloter les déplacements du robot 25 entre l'endroit où l'objet concerné doit être saisi et l'endroit où il doit être déposé, on utilise le signal de déplacement D. Lorsque ce signal vaut 1, on déplace le robot 25 de l'endroit où l'objet a été saisi vers l'endroit où il doit être déposé. Lorsque ce signal vaut 0, on fait l'inverse. Comme on peut le comprendre à présent, le dispositif selon l'invention permet, de par sa structure, de prévoir une tête de saisie 17 qui présente une petite surface de contact avec l'objet à saisir tout en présentant des surfaces d'échange thermique avec les éléments réfrigérants locaux 13, 15 suffisamment importantes pour permettre de refroidir très rapidement cette tête de saisie. On obtient de la sorte un dispositif permettant de manipuler des pièces de très petites dimensions à une cadence très supérieure à celles de la technique antérieure. Comme on l'a vu, d'autres facteurs contribuent à raccourcir les cycles de refroidissement/chauffage de la tête de saisie 17 :
On remarquera également que la géométrie du dispositif selon l'invention se prête facilement à des opérations de montage et de démontage de la tête de saisie. Ainsi, contrairement aux systèmes de la technique antérieure, on peut remplacer une tête de saisie par une autre (différente ou identique, selon les cas) sans avoir à remplacer l'intégralité du dispositif. Tous ces avantages rendent le dispositif selon l'invention particulièrement adapté à un contexte de fabrication industrielle de précision à cadences très élevées. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. C'est ainsi par exemple que l'on pourrait utiliser des moyens mécaniques (doigt commandé par un électro-aimant, flux d'air comprimé...) ou des ultrasons en combinaison avec les moyens de chauffage susmentionnés pour contribuer au décrochement de l'objet transporté de la tête de saisie. C'est ainsi également que l'on pourrait prévoir des moyens destinés à détecter une chute prématurée de l'objet transporté. Etant donné qu'il a été constaté qu'une telle chute entraînait une brusque variation de température dans la tête de saisie, lesdits moyens pourraient comprendre un circuit permettant de détecter de telles variations de température. C'est ainsi également que l'on pourrait prévoir des moyens destinés à éviter tout contact physique entre la tête de saisie et l'objet à prendre. De tels moyens peuvent s'avérer nécessaires lorsque l'objet à saisir est extrêmement fragile. Ces moyens pourraient comprendre, par exemple, une fibre optique située à l'intérieur de la tête de saisie et permettant d'observer des variations d'indices de réfraction dans l'interface entre cette tête et l'objet à saisir. Selon une autre variante, ces moyens pourraient comprendre un circuit de détection des variations de température occasionnées par la mise en contact du liquide d'interface avec la tête de saisie juste avant la préhension de l'objet (un tel circuit serait analogue à celui mentionné ci-avant). |
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