L'engin d'intervention virgule une nouvelle génération de téléopérateurs

Commissariat à l’Energie Atomique - DPr/STEPPA - CEN/Saclay B.P. n° 2 - 91190 Gif sur Yvette

Résumé

Le nom de l’engin VIRGULE est constitué des initiales de : Véhicule d’intervention Radioguidé Utilisable en Laboratoire et à l’Extérieur.

Cet engin est constitué d’un véhicule téléguidé, capable de se déplacer sur tout terrain, portant une paire de télémanipulateurs et des caméras de télévision. On appelle un tel engin : téléopérateur, car son emploi revient à remplacer, dans le milieu hostile ou à distance, un opérateur qui pourrait y effectuer directement son travail ; un bon téléopérateur permetterait ainsi de remplacer le mieux possible l’opérateur travaillant directement.

L’engin VIRGULE est équipé d’une paire de télémanipulateurs maître-esclave à asservissement électronique, type MA 22, capables d’exercer en toute direction un effort de 120 newtons (= 12 kg) et de soulever 40 kg dans certaines positions. Ce nouveau modèle de manipulateur a été étudié spécialement pour cet usage sur véhicule mais pourra évidemment être utilisé dans les laboratoires chauds.

On appelle « Maître-esclave » les manipulateurs qui sont couramment utilisés dans ces laboratoires et ont pour particularité dans leur version à commande purement mécanique de reproduire à l’aide de leurs pinces tous les mouvements imprimés par la main de l’opérateur à leur poignée, et inversement de restituer au niveau de cette poignée les efforts appliqués ou subis par la pince. De même, le manipulateur MA 22 réalise cette reproduction des mouvements et le retour d’effort sans liaison mécanique directe.

Pour cela, il est optimisé pour donner dans un poids réduit une force maximale et une inertie minimale. Il est actionné par des moteurs couples spéciaux contrôlés par des amplificateurs à haut rendement dans une boucle d’asservissement bilatérale qui permet, comme il est dit précédemment, la copie de mouvement, d’une part, et le retour d’effort, d’autre part.

Le véhicule-support possède quatre roues, dispose d’une extrême souplesse d’évolution et son essieu avant, extensible, lui permet, en position large, d’affronter des terrains très accidentés en toute stabilité et, en position rétractée, de passer par la largeur d’une porte normale (0,80 m). Le véhicule peut se déplacer en ligne droite dans toute direction par rapport à son axe propre ; de plus, il peut pivoter autour d’un centre de rotation quelconque et non pas seulement par rapport à un centre de rotation situé sur son essieu arrière, comme sur les véhicules habituels.

Le pilote commande toutes les évolutions du véhicule à partir d’une poignée identique à celle des manipulateurs, poignée à trois degrés de liberté commandant simultanément les déplacements en avant et en arrière, la rotation à droite ou à gauche, et la direction du déplacement en ligne droite. Ces mouvements seront d’ailleurs commandés par la poignée de l’un des deux manipulateurs mis hors service pendant les déplacements du véhicule.

La commande de l’engin VIRGULE nécessite, d’une part, la transmission de signaux analogiques (valeur des positions des bras du manipulateur ou des roues du véhicule) et des signaux tout ou rien commandant divers circuits. L’ensemble est transmis du poste de commande au véhicule après codage digital par un système comportant 24 canaux analogiques dont 16 utilisables en permanence pour les deux manipulateurs ou un manipulateur et le véhicule. Il y a de plus 16 canaux analogiques dans le sens véhicule - poste de commande, et la transmission des images de télévision.

La transmission peut être réalisée après ce codage soit par deux câbles coaxiaux de faible diamètre, soit par liaison radio.

Dans sa première version, l’engin VIRGULE, d’un poids de 500 kg environ est capable de monter des escaliers, et sa batterie lui accorde une autonomie de 4 heures environ. A l’intérieur d’un bâtiment, VIRGULE peut, à l’aide de ses propres manipulateurs, se brancher pour la charge de ses batteries sur le secteur; pour le travail en terrain découvert, un apport d’énergie peut être réalisé à l’aide d’un autre véhicule à l’étude portant un groupe électrogène à moteur à essence. L’usage de piles à combustible est envisagé.

Le véhicule proprement dit poursuit ses essais depuis juillet 72, le premier manipulateur MA 22 est actuellement en cours d’essai, la télécommande digitale sera essayée sur le véhicule en juin 1974, le second manipulateur est prévu fin 1973 le montage d’ensemble est prévu en 1974 ; en 1975, l’équipement de télévision doit être réalisé.

Abstract

VIRGULE is a French acronym for “ radio-controlled rescue vehicule capable of operating over rough terrain either indoors or outdoors ”.

This machine is a remote controlled vehicule carrying one pair of telemanipulators and TV cameras. Such a machine is now called teleoperator, as it replaces a man to work into an hostile environment. A good teleoperator makes possible to replace the operator as much as possible, this operator being still in the control loop. — VIRGULE is equipped with one pair of MA 22 compact bilateral servo master slave manipulators, capable of exerting a 120 newtons force in any direction and of lifting up to 40 kg in certain positions.

This new manipulator is especially tailored for this vehicle but will be also very useful for hot laboratories. We can recall that “ master slave ” manipulators, as usually utilized in these laboratories in pure mechanical types, reproduce with their tong all motions exerted by the operator at the handle, and they feed back at the handle level all efforts applied by and/or to the tong. The electronic MA 22 model is doing the same without any mechanical link.

This new model is optimized in mass and in capacity-to-inertia ratio. Its high torque low inertia DC motors are driven by high efficiency (low heat dissipation) amplifyers into a fully symetrical bilateral servo loop.

The four wheeled vehicle has an extreme flexibility and its wider front axle is giving a good stability in rough terrain, but can be retracted to a door width (0,80 m). The vehicle can move straight in any direction (referred to its own axis) and can steer about any center of rotation,controlled by a single control handle with three degrees of freedom. These handle will be one manipulator handle as only one arm can be operated while the vehicle is moving (one only operator can operate one master arm and the vehicle rate control handle).

A 24 channel digital communications link is used for control, a 16 channel one for manipulators feed back, which can be transmitted on the same frequency whith TV signals.

These links may be radio or thin coaxial cable. On this first version (devoted to nuclear teleoperations and/or explosive hazard) the teleoperator for earth operation weights around 500 kg, and is capable of climbing stairs.

Batteries provide four hours (500 watts average) autonomous operation ; power mains (indoors) and an extra gasoline-engine-driven generator on an ancillary vehicle (outdoors) can be used for long operation. Use of Fuel cells is planned.

Vehicle is working since july 1972 - First MA 22 is on testing stage now (October 1975). The digital link is to be tested in june 1974. Second arm is planned for end of 1973. Full assembly is to be tested in 1974 - 1975 is for operational stage with TV.