Geometric synthesis of force and torque limiting modules for serial robot safety

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 octobre 2023)L'interaction physique humain-robot constitue un mode d’opération prometteur pour plusieurs applications où la force et l’endurance des robots peut être combinée aux capacités d’adaptation et de jugement des humains. Toutefois, l’interaction physique humain-robot soulève des questions au niveau de la sécurité. Les standards généralement acceptés dans le domaine de la robotique prescrivent un seuil de force statique maximale de 150 N et une puissance maximale de 80 W afin de considérer une situation donnée comme étant sécuritaire. Cette thèse propose la synthèse de mécanismes robotiques sériels qui soient intrinsèquement sécuritaires pour l’interaction physique humain-robot. Le concept proposé consiste à inclure un ensemble de limiteurs de forces ou de couples passifs avec des seuils constants dans la structure même du robot afin de limiter les efforts possibles à l’effecteur. Lorsque la force ou le couple appliqué à l’un des limiteurs dépasse la valeur seuil prescrite, celui-ci est déclenché, entraînant ainsi un mouvement qui vise à protéger les humains contre les forces excessives. Il est bien connu que la relation entre les efforts articulaires et les efforts à l’effecteur d’un robot varie en fonction de la configuration. Afin de pallier cet effet, il est proposé d’inclure un nombre de limiteurs supérieur au nombre d’articulations actionnées. Ainsi, la synthèse de modules de limiteurs de forces isotropes est présentée afin d’obtenir des forces transmises suffisantes tout en assurant la sécurité. Plusieurs modules de limiteurs de forces isotropes plans sont proposés et utilisés pour analyser les caractéristiques de robots sériels à deux degrés de liberté. En plus de modéliser les forces de contact à l’effecteur, les forces de contact le long des membrures ainsi que la puissance de collisions potentielles sont analysées. Des exemples de manipulateurs sériels et leur analyse statique sont présentés. Ensuite, le concept d’espace de force isotrope est généralisé afin d’inclure les modules tridimensionnels. Des architectures possibles de modules isotropes spatiaux sont proposés et les conditions requises pour assurer l’isotropie des efforts à l’effecteur sont obtenues. Des manipulateurs sériels spatiaux à trois degrés de liberté incluant un module isotrope sont proposés afin de démontrer l’efficacité du concept. Les forces maximales possibles le long des membrures sont aussi étudiées. Des limiteurs de forces et de couples sont montées sur la structure du robot afin de s’assurer que les forces de contact sont limitées en tout point du robot. Une analyse de la puissance est également présentée. Finalement, la mise en œuvre pratique de l’approche proposée dans la thèse est considérée. Deux types de limiteurs de forces ou couples sont proposés. Leur design est compact et permet de produire une limitation bi-directionnelle des efforts en utilisant un ressort unique. Le premier type de limiteur ne retourne pas à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés puisque la résistance aux efforts externes diminue drastiquement lorsque le seuil d’activation est dépassé. À l’opposé, le second type de limiteur retourne automatiquement à sa configuration initiale lorsque les efforts externes sont retirés. Il est démontré que les architectures de limiteurs proposées peuvent être intégrées au design de membrures de robots grâce à leur simplicité et leur compacité. Des prototypes de modules isotropes sont alors construits et testés expérimentalement afin de démontrer leur possible utilisation pratique.Physical human-robot interaction is a desirable paradigm for many applications where the strength and endurance of robots can be combined with the adaptability and judgement of human beings. However, physical interaction between humans and robots leads to safety concerns. Robotics standards state that, as a sufficient condition for allowing human-robot collaboration, the static force and the dynamic power at the tool centre point must not exceed150 (N) and 80 (W), respectively. This dissertation proposes a synthesis approach to build intrinsically safe serial robotic mechanisms for applications in human-robot cooperation. In this concept, a number of passive torque and force limiters with constant force thresholds are included in the structure of a serial manipulator in order to limit the feasible forces at the tool centre point of the end-effector. Once the torque/force at any one of the limiters exceeds the prescribed maximum threshold, the corresponding clutch is triggered, thus protecting humans from injury. It is well known that the relationship between the joint torques/forces and the achievable end-effector forces is configuration dependent. In order to alleviate this effect, i.e., the variationof the joint to Cartesian force mapping, it is proposed to include more clutches than actuated joints. Hence, the design of isotropic force modules is addressed to produce proper force capabilities while ensuring safety. Several planar isotropic force modules are first proposed and used to analyze the force capabilities of two-degree-of-freedom planar serial robots. In addition to modelling the contact forces at the end-effector, the forces that can be applied bythe robot to its environment when contact is taking place elsewhere along its links are also analyzed as well as the power of potential collisions. Examples of planar serial manipulator architectures and their static analysis are given. Then, the concept of isotropic force space is extended from planar modules to spatial modules. Possible architectures of spatial isotropic modules are proposed and the conditions required to ensure isotropy of the forces at the end-effector are derived. Three-degree-of-freedom spatial manipulators including a proposed spatial isotropic module are designed to demonstrate the effectiveness of the concept, and the maximum contact forces along the links are then studied. Force and torque limiter are distributed along the structure of the manipulator in order to ensure that the forces applied at any point of contact along the links are bounded. A power analysis is also presented in order to support the results obtained. Finally, the implementation of the proposed approach in a real application is addressed. Two types of passive clutch mechanisms are designed. Both are compact and produce a bi-directional limiting behaviour using a single extension spring. One is referred to as the no-return limiter. The mechanism does not return to its original configuration even if the extern alload is removed since its resisting torque drops rapidly once the limiter is triggered. The other one is the elastic return limiter, which can bring the robot links to their original positions after an applied excessive force is removed. The proposed architectures can be integrated in the design of robotic links since they are simple and compact. Then, some prototypes equipped with force and torque limiters are built and tested experimentally to illustrate a possible practical implementation of the concept