FR2846413A1 - CONTACTLESS DIGITIZING DEVICE OF AN OBJECT IN 3 DIMENSIONS - Google Patents
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Abstract
L'objet de l'invention est un dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend une embase (12) surmontée d'un bras (14) articulé comportant au moins deux éléments (16, 18, 20, 22), chaque élément ayant par rapport aux autres au moins deux degrés de liberté, une optique (24) de focalisation d'un faisceau (26) laser à l'extrémité de ce bras et un système optique (30) de numérisation de l'image d'une surface éclairée par ledit faisceau laser.The object of the invention is a contactless digitization device of a 3-dimensional object, characterized in that it comprises a base (12) surmounted by an articulated arm (14) comprising at least two elements (16 , 18, 20, 22), each element having with respect to the others at least two degrees of freedom, an optic (24) for focusing a laser beam (26) at the end of this arm and an optical system (30 ) digitizing the image of a surface illuminated by said laser beam.
Description
DISPOSITIF DE NUMERISATION SANS CONTACT D'UN OBJET EN 3 DIMENSIONSCONTACTLESS DIGITIZING DEVICE OF AN OBJECT IN 3 DIMENSIONS
La présente invention concerne un dispositif de numérisation sans contact d'un The present invention relates to a contactless scanning device of a
objet en 3 dimensions.3-dimensional object.
On peut bien sr concevoir en dessin assisté par ordinateur un objet en trois dimensions mais il existe aussi des objets en trois dimensions déjà réalisés dont 5 il est nécessaire de prendre l'ensemble des mesures de façon à reconstituer une It is of course possible to design a three-dimensional object in computer-assisted drawing, but there are also three-dimensional objects already produced, 5 of which it is necessary to take all of the measures so as to reconstruct a
forme volumique.volume form.
On peut prévoir un palpeur qui est relié à des capteurs en sorte d'enregistrer les déplacements et d'en déduire, par un ensemble de points, la forme volumique. A probe can be provided which is connected to sensors so as to record the displacements and to deduce therefrom, by a set of points, the volume form.
Néanmoins, soit l'objet peut être trop complexe avec des points en contre10 dépouille interdisant l'usage d'un palpeur, soit l'objet est trop fragile pour qu'un palpeur puisse être déplacé à la surface dudit objet, soit encore la précision However, either the object can be too complex with undercut dots preventing the use of a probe, or the object is too fragile for a probe to be able to be moved on the surface of said object, or even the precision
mécanique de la mesure n'est pas compatible avec le résultat recherché. measurement mechanics is not compatible with the desired result.
L'objet de la présente invention est un dispositif permettant de numériser une The object of the present invention is a device for digitizing a
surface d'un objet en trois dimensions sans contact. surface of a three-dimensional object without contact.
Le dispositif permet en un outil unique de disposer d'un moyen de mesure en 3b, The device allows a single tool to have a means of measurement in 3b,
autonome, fiable et dont la mise en oeuvre est simple et immédiate. autonomous, reliable and whose implementation is simple and immediate.
On trouve en effet réunis dans ce seul outil des moyens de mesure sans contact In fact, this single tool contains contactless measurement means
et des moyens de repérage spatial.and spatial tracking means.
Le présent dispositif est maintenant décrit en détail selon un mode de 20 réalisation particulier, non limitatif, en regard des dessins sur lesquels les différentes figures représentent: - figure 1, une vue d'un schéma de principe du dispositif selon la présente invention, et - figure 2, une vue de détail d'un synoptique de fonctionnement et de traitement The present device is now described in detail according to a particular, nonlimiting embodiment, with reference to the drawings in which the various figures represent: - Figure 1, a view of a block diagram of the device according to the present invention, and - Figure 2, a detailed view of a block diagram of operation and processing
des informations acquises.information acquired.
Le dispositif doit reposer sur un support 10 parfaitement stable tel qu'un The device must rest on a perfectly stable support 10 such as a
trépied ou de préférence un marbre. tripod or preferably a marble.
Ce dispositif comprend une embase 12 reposant sur le support et liée à lui de This device comprises a base 12 resting on the support and linked to it by
façon à obtenir une immobilisation totale. so as to obtain total immobilization.
Cette embase est surmontée d'un bras 14 articulé comportant au moins 2 10 éléments 16, 18. En l'occurrence, le bras 14 comprend quatre éléments 16, 18, 20 This base is surmounted by an articulated arm 14 comprising at least 2 10 elements 16, 18. In this case, the arm 14 comprises four elements 16, 18, 20
et 22.and 22.
Chaque élément est articulé par rapport aux autres avec au moins deux degrés de liberté et de ce fait chacune de ces articulations comprend au moins deux Each element is articulated with respect to the others with at least two degrees of freedom and therefore each of these articulations comprises at least two
codeurs 16-1, 16-2; 18-1, 18-2; 20-1, 20-2 et 22-1 et 22-2. encoders 16-1, 16-2; 18-1, 18-2; 20-1, 20-2 and 22-1 and 22-2.
En ce qui concerne l'articulation de l'élément 22, il est prévu une troisième Regarding the articulation of element 22, a third is provided
articulation 22-3.articulation 22-3.
A l'extrémité de l'élément 22, il est disposé une optique 24 de focalisation d'un faisceau 26 laser généré indépendamment et transporté par une fibre optique 28. Ce faisceau laser peut être généré par une diode laser émettant en continu ou de manière puisée. Un exemple de longueurs d'ondes de travail est une plage située entre 0,4 et 1,1 pm, c'est-à-dire du visible au proche infrarouge. La puissance At the end of the element 22, there is an optics 24 for focusing a laser beam 26 generated independently and transported by an optical fiber 28. This laser beam can be generated by a laser diode emitting continuously or in a manner drawn. An example of working wavelengths is a range between 0.4 and 1.1 µm, i.e. from visible to near infrared. The power
d'émission peut être contrôlée et adaptée en fonction des besoins. can be controlled and adapted as required.
Cet élément 22 est également équipé d'un système optique 30 de numérisation 25 d'une surface S éclairée par un faisceau laser, en l'occurrence une caméra utilisant les techniques CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconducteur) ou This element 22 is also equipped with an optical system 30 for digitizing 25 a surface S lit by a laser beam, in this case a camera using the CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) techniques or
CCb (Charge Coupled Device).CCb (Charge Coupled Device).
Cette caméra peut travailler en couleur ou en nuances de gris. This camera can work in color or in shades of gray.
La résolution d'une telle caméra pour la présente application est de préférence du type VGA (Video Graphics Array) avec 640 pixels par 480 au moins. Pour donner un ordre de grandeur, la caméra vidéo peut enregistrer 60 images par seconde et il est mémorisé 300 points par image. The resolution of such a camera for the present application is preferably of the VGA (Video Graphics Array) type with 640 pixels by 480 at least. To give an order of magnitude, the video camera can record 60 images per second and 300 points per image are memorized.
L'unité 32 de traitement des informations est située dans l'embase. The information processing unit 32 is located in the base.
Ainsi l'opérateur déplace le bras manuellement sur toute la surface de l'objet. Thus the operator moves the arm manually over the entire surface of the object.
Le faisceau laser balaye cette surface et la caméra enregistre l'intersection de The laser beam scans this surface and the camera records the intersection of
ce faisceau avec la surface de l'objet, c'est-à-dire une ligne. this beam with the surface of the object, that is to say a line.
Les codeurs permettent de déterminer la position du plan laser dans l'espace de mesure tandis que des images numériques, on détermine les points de cette ligne d'intersection. Ces deux informations ont fusionnées pour obtenir les coordonnées des points et The coders make it possible to determine the position of the laser plane in the measurement space while digital images determine the points of this line of intersection. These two pieces of information were merged to obtain the coordinates of the points and
donc l'objet dans l'espace de mesure. therefore the object in the measurement space.
A cet effet, des logiciels travaillant sous différents systèmes d'exploitation, notamment Windows ou Linux permettent d'ajuster, comme indiqué précédemment, la puissance du faisceau laser en fonction des surfaces To this end, software working under different operating systems, in particular Windows or Linux makes it possible to adjust, as indicated above, the power of the laser beam as a function of the surfaces
numérisées et d'ajuster les temps d'intégration de la caméra. digitized and adjust the integration times of the camera.
Les nuages de points peuvent aussi être prétraités par des fonctions de lissage, 20 de filtrage et/ou de génération de facettes. Point clouds can also be preprocessed by smoothing, filtering and / or facet generation functions.
Ces données sont ensuite utilisées par d'autres logiciels de mesure de surfaces This data is then used by other surface measurement software
complexes, de contrôle dimensionnel ou de conception. complex, dimensional control or design.
Dans tous les cas, au sein du dispositif selon la présente invention, ces données numérisées et synchronisées sont transmises vers un ordinateur 34 muni d'une 25 carte graphique et d'un écran 36 couleur pour affichage des points et pour In all cases, within the device according to the present invention, this digitized and synchronized data is transmitted to a computer 34 provided with a graphics card and a color screen 36 for displaying the points and for
donner une image 31 surfacique, en temps réel. give a surface image 31, in real time.
Une liaison 38 filaire à haut débit du type éthernet ou une liaison sans fil bluetooth permet de transmettre les informations concernant l'ensemble des points mémorisés avec leurs coordonnées spatiales en sorte de générer une A high-speed wired link 38 of the ethernet type or a bluetooth wireless link makes it possible to transmit information concerning all the points stored with their spatial coordinates so as to generate a
image sur l'écran en temps réel, ceci sans nécessiter un câblage spécifique. image on the screen in real time, without requiring specific wiring.
L'affichage et les calculs associés sont réalisés par l'ordinateur 34 combiné au système. Ceci conduit à l'obtention d'une image en 3b constituée d'une succession de The display and the associated calculations are carried out by the computer 34 combined with the system. This leads to obtaining a 3b image consisting of a succession of
points dont les coordonnées spatiales sont connues, avec une densité suffisante pour donner une vue surfacique de l'objet dont la digitalisation est ainsi réalisée. points whose spatial coordinates are known, with sufficient density to give a surface view of the object whose digitization is thus achieved.
La figure 2 montre un synoptique de mise en oeuvre et des interactions des Figure 2 shows a block diagram of implementation and interactions of
différents éléments.different elements.
La partie A correspond au bras 14 avec ses fonctions, la partie B regroupe les fonctions intégrées à l'embase et sur cette même figure sont représentés Part A corresponds to arm 14 with its functions, part B groups the functions integrated into the base and in this same figure are represented
l'unité centrale UC et l'écran EC de contrôle. the central unit UC and the control screen EC.
L'image vidéo numérique est représentée en 40 et les codeurs sont symbolisés The digital video image is represented at 40 and the coders are symbolized
avec les références 42.with references 42.
Les coordonnées des points de la surface de l'objet dans l'espace du plan laser sont enregistrées en 44 puis transformées en 46 à partir des informations de The coordinates of the points on the surface of the object in the space of the laser plane are recorded at 44 and then transformed into 46 from information from
calibration usine en une matrice 48. factory calibration in a matrix 48.
En 50, on enregistre les coordonnées de la position du faisceau laser dans At 50, the coordinates of the position of the laser beam are recorded in
l'espace de mesure.the measurement space.
La liaison 52 sans fil permet de transférer les informations vers l'UC. Un logiciel 54 assure le traitement de ces informations. Une carte graphique 56 assure le The wireless link 52 makes it possible to transfer the information to the CPU. Software 54 handles the processing of this information. A graphics card 56 provides
traitement pour l'affichage sur l'EC. processing for display on the EC.
Ces informations sont recueillies et enregistrées dans une mémoire 58. This information is collected and recorded in a memory 58.
Toutes les opérations sont réalisées sans contact, ce qui est un grand intérêt. All operations are carried out without contact, which is of great interest.
Un tel dispositif travaillant sans contact est en effet particulièrement utile dans le cas de matériaux mous ou déformables comme de sièges pour automobiles, des Such a contactless device is in fact particularly useful in the case of soft or deformable materials such as seats for cars,
réservoirs de véhicule, des maquettes en mousse. vehicle tanks, foam models.
Un avantage est que la mesure n'est pas affectée par le manque de rigidité de la matière. De plus, une pièce très fragile ne risque pas non plus de subir des An advantage is that the measurement is not affected by the lack of rigidity of the material. In addition, a very fragile piece is not likely to suffer from
rayures ou d'autres marquages mécaniques indésirables. scratches or other undesirable mechanical markings.
On peut aussi relever des surfaces complexes. We can also identify complex surfaces.
De plus, on peut comparer aisément la surface relevée et numérisée au moyen du dispositif selon la présente invention avec la définition numérique obtenue lors In addition, it is easy to compare the surface surveyed and digitized by means of the device according to the present invention with the digital definition obtained during
de la conception à l'aide d'un logiciel de Dessin Assisté par Ordinateur. of the design using Computer Aided Drawing software.
On peut ainsi réaliser une cartographie des écarts mais aussi faire un contrôle We can thus carry out a mapping of deviations but also make a control
qualité en sortie de chaîne de fabrication. quality at the end of the production line.
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