FR2563333A1 - Capteur optique de commande de robot - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR OPTIQUE DESTINE A ETRE UTILISE POUR COMMANDER UN ROBOT SOUDEUR. LE CAPTEUR FOURNIT UNE DONNEE ASSOCIEE AUX HAUTEURS H DE BANDES SUCCESSIVEMENT BALAYEES A PARTIR DESQUELLES LA LUMIERE EST RENVOYEE SUR UN ENSEMBLE DE DETECTEURS SENSIBLES A LA LUMIERE. LE CAPTEUR COMPORTE UN MIROIR DE BALAYAGE 52 POSSEDANT DES SURFACES REFLECHISSANTES OPPOSEES. LA LUMIERE ISSUE D'UN LASER 31 EST REFLECHIE PAR L'UNE DES SURFACES ET UN PREMIER MIROIR FIXE 53 SUR LA PIECE. ENSUITE, LA LUMIERE EST RENVOYEE PAR LA PIECE SUR UN AUTRE MIROIR FIXE 54 QUI DIRIGE LA LUMIERE SUR L'AUTRE SURFACE DU MIROIR DE BALAYAGE, LAQUELLE LA RENVOIE SUR L'ENSEMBLE 38 DE DETECTEURS. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES ROBOTS SOUDEURS.

Description

La présente invention concerne des capteurs optiques
et, plus spécialement, des capteurs optiques utilisant un balayage
linéaire pour commander des robots.

La technologie des robots progresse régulièrement et rend les robots plus pratiques, plus économiques et plus
fiables. Aujourd'hui, on admet l'existence d'un besoin -pour des appareils de détection optique permettant de commander le fonctionnement de robots. Par exemple, on utilise des robots soudeurs pour souder des cordons suivant des trajets prescrits. Dans la technique antérieure, on réalise une telle opération en faisant d'abord passer la tête de soudage sur le trajet prescrit afin d"'apprendre" au robot la trajectoire à suivre lors du soudage à l'aide du cordon de soudure. Le fait qu'il soit nécessaire d'apprendre au robot exige le temps nécessaire pour faire passer la tête sur le trajet de soudure à suivre, un équipement permettant de mémoriser le trajet prescrit et de commander le robot afin qutil répète exactement le trajet prescrit.

On sait depuis longtemps que, si le robot pouvait 'voir" le trajet, on pourrait économiser du temps et de I'équipement, à la fois en ce qui concerne la préparation de la pièce et l'exécu- tion de la soudure. I1 pourrait ainsi être réalisé un robot plus efficace, plus fiable et moins motteux. Par conséquent, des capteurs optiques pour robots soudeurs ont été proposés.Certains des capteurs optiques aujourd'hui disponibles font balayer par un faisceau lumineux le trajet ou la ligne où l'opération de soudure doit avoir lieu La lumière diffusée par la pièce est recueillie et dirigée sur des détecteurs alumineux. S'il apparat une variation du profil de la pièce, c'est-à-dire de la hauteur de la pièce, alors la répartition spatiale de la lumière réfléchie détectée varie en fonction de la variation de hauteur.Des détecteurs sensibles à la position de la lumière sont couramment utilisés pour mesurer le mouvement de l'image provoqué par la variation de haueur. La distance résultant de la variation de hauteur est fournie à un calculateur et est utilisée pour résoudre un algorithme donnant la variation réelle de hauteur
Les problèmes liés à ce type de détection de profil sont, entre autres, qu'un balayage effectue à l'aide de miroirs de balayage par exemple implique l'existence de jeux entre pièces, une certaine hysterésis, une non-linéaritd et des frottements, tous ces éléments entraînant des erreurs dans la lecture de la hauteur. I1 faut tenir compte de ces erreurs dans la détermination de la hauteur à partir du signal reçu en provenance des détecteurs.

De plus, l'image du laser se déplace au-dessus du détecteur lorsque le faisceau lumineux balaye des régions différentes de la pièce, même lorsque toutes ces régions se trouvent à la même hauteur. Il faut également tenir compte de ce déplacement dans la détermination de la variation de hauteur. Tous ces faits compliquent de manière non souhaitable les systèmes détecteurs, ce qui les rend plus cofiteux, plus encombrants et moins fiables.

C'est dont un but de l'invention de proposer des capteurs optiques nouveaux et perfectionnés permettant de commander des robots, dans lesquels les inconvénients ci-dessus mentionnés sont notablement réduits ou sont surmontés. Selon l'invention, des capteurs optiques sont proposés pour aider à la détermination des caractéristiques de pièces nécessaires à la commande de robots, ledit capteur optique comprenant - une source lumineuse produisant un faisceau lumineux, - un moyen de balayage qui dirige le faisceau lumineux émanant de la
source afin de balayer la pièce, et - un moyen détecteur qui détecte la lumière réfléchie par la pièce, ledit moyen de balayage comportant un moyen qui permet de diriger ladite lumière réfléchie sur ledit moyen détecteur en synchronisa tior. avec le balayage de la pièce, si bien que des variations de la position de la lumière réfléchie détectée sur le moyen détecteur sont entraînées par des variations des caractéristiques de la pièce et ne sont pas altérées par le mouvement de balayage animant le faisceau lumineux dirigé.

Selon une particularité de l'invention, le moyen de balayage comprend un miroir de balayage. On utilise le même miroir de balayage pour diriger le faisceau lumineux sur la pièce afin de balayer la pièce et pour diriger le faisceau lumineux réfléchi sur-le détecteur, en maintenant la lumière réfléchie, ou la position neutre de la lumière réfléchie, sur la même ré-gion du détecteur jusqu'à ce qu'apparaisse une variation de hauteur, de sorte que toute variation de position sur le détecteur soit due à une variation de la hauteur de la surface de la pièce.

En particulier, si le détecteur comprend un ensemble de cellules image, la position neutre du faisceau lumineux réfléchi se trouve toujours sur la même cellule image quelle que soit la région de la pièce qui est balayée.

Puisque le même miroir de balayage est utilisé pour balayer la pièce et pour balayer le détecteur, le détecteur présente les avantages suivants : 1) à part le miroir de balayage, il n'existe pas de pièce mobile; 2) il n'existe pratiquement pas de contrainte de précision dans
la commande de la position du miroir de balayage puisque la posi
tion du miroir de balayage n'a pas d'effet sur la mesure de la
hauteur; 3) le champ du détecteur est relativement petit, de sorte que
a) la lumière parasite et le bruit sont réduits,
b) les aberrations optiques sont réduites, et
c) la sensibilité géométrique est élevée, tandis qu'il est pos
sible d'utiliser des dispositifs détecteurs sensibles à la
position, qui sont plus rapides, plus petits, moins précis et
moins motteux; et 4) le traitement de données nécessaire à l'extraction du profil à
partir des mesure est extrêmement simple; par exemple, pour des
mesures portant sur des angles relativement étroits, il n'est
besoin d'aucun traitement de données, car le profil peut être
déterminé directement à partir des capteurs.

La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels
- la figure 1 est une vue simplifiée en perspective et en blocs montrant le capteur optique utilisé en relation avec un robot soudeur;
- la figure 2 est une représentation simplifiée d'un capteur de la technique antérieure; et
- la figure 3 est une représentation simplifiée du capteur de la figure 1 selon l'invention.

Sur la figure 1, le robot soudeur automatique 11 est représenté comme étant équipé d'un capteur optique 12. Un chalumeau de soudage 13 est monté sur le bras 14 du robot et se déplace suivant la direction de la flèche 16. Le bras 14 du robot n'est représenté que partiellement et est indicatif du robot lui-même. te lieu de balayage linéaire del'équipement détecteur 12 est représenté par l'aire triangulaire 17 lorsque le robot se déplace dans la direction de la flèche 16, le capteur 12 effectue un balayage linéaire qui est sensiblement perpendiculaire au trajet du cordon de soudure indiqué par la référence 18. La ligne à souder est indiquée par la référence 19 sur la piece 21.

Le déplacement du robot est représenté comme étant commandé par un microprocesseur 22 fonctionnant à l'aide d'utl équipement de commande indiqué dans son ensemble par la référence 23.

La position de la tête de soudage, qui est déterminée par le capteur, est fournie au microprocesseur via un circuit de réaction 26. La donnée obtenue pendant l'opération de balayage s'accumule et est traitée dans un circuit 27 pour être transmise au microprocesseur et, finalement, à l'équipement de commande 23.

I1 faut comprendre qu'il s'agit là d'un schéma de principe grossier, de sorte que certains équipements, par exemple l'interfacer ne sont pas représentés et sont incorporés dans le microprocesseur 22. Le microprocesseur contient également les mémoires et les horloges nécessaires. La figure 1 n'a pour fonction que de monter le capteur en relation avec le robot soudeur et son équipement de commande.

La figure 2, se rapportant à la technique antérieure, est une représentation simplifiée d'un équipement de détection optique selon la technique antérieure utilisé pour balayer des pièces afin d'obtenir des mesures de hauteur servant à commander les robots soudeurs. Une source de faisceau lumineux, indiquée par la référence 31, fournit un faisceau lumineux qui est dirigé sur un miroir de balayage 32. Le miroir est représenté comme se déplaçant sur une distance angulaire afin de balayer des pièces et, ainsi, déterminer des différences de hauteur, comme la hauteur h, sur la pièce.La faisceau lumineux émanant de la source 31 frappe le miroir 32 et est dirigé par ce dernier de façon à suivre le trajet 33 et frapper la pièce au niveau d'un coin 34 (ou point P) suivant un certain angle d'incidence, qui est défini par l'angle e par rapport à la perpendiculaire 35. Une partie du faisceau 33 qui est diffusée et réfléchie en 36 suivant l'angle e par rapport à la perpendiculaire 35 est recueillie par un objectif 37 et est dirigée sur un détecteur optique 38 qu'il frappe au point neutre D. Le faisceau 33 est déplacé par le miroir de balayage mobile 32 et est représenté sous la forme du faisceau 41 en trait interrompu qui frappe la partie inférieure de la pièce au point 34' (point P').

Le faisceau est réfléchi par le point 34' comme indiqué par la référence 42. Cette partie du faisceau, qui arrive sur l'objectif 37, est concentrée de façon à former une image sur le détecteur 38 en un point D', qui est écarté du point D. La distance DD' est liée à la différence de hauteur h approximativement suivant l'équation
DD' = mli sin e. Le parametre m est le grossissement optique, lequel est égal au rapport de la dis tance du centre de l'objectif au point D par la distance du centre de l'objectif au point 34.Le centre de l'objectif est représenté par un point B et la référence 34 est également désignée comme étant le point P, Ainsi, l'équation donnant la distance devient DD' = h (BD/BP) sin a. On détermine facilement la distance DD' à partir du nombre de cellules image traversées par l'éclairement. On calcule facilement cette distance, puisque la distance entre les centres des cellules image est connue.

Comme noté dans la description précédente, les problèmes liés au procédé de balayage de la figure 2 sont, entre autres, qu'il faut tenir compte de l'existence de jeux entre les pièces. De plus, la distance DD' est également fonction du déplace- ment du miroir 32, même sur une pièce où h a une valeur constante.

Ainsi, l'effet direct du déplacement du miroir 32 lors de l'opération de balayage sur une pièce ayant un paramètre h de valeur constante doit être soustrait de le distance DD' pour que la distance de déviation, due aux variations de la hauteur ha soit isolée. Pour permettre une soustraction précise de la partie de DDt qui est due au balayage du miroir 32, il faut déterminer avec précision le déplacement réel du miroir 32. On utilise généralement un engrenage sans jeux ou à système de commande à réaction pour obtenir les mesures précises nécessaires -à la commande du robot. Ceci est vrai dans le cas où lton utilise un moteur pas à pas et une boite de vitesses.Si on utilise un dispositix de balayage à galvanomètre, les problèmes correspondants sont les suivants
1) non-linearite,
2) derive de zéro avec la température, et
3) hystérésis.

La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation préféré de l'invention. Sur cette figure, la pièce est montrée en position horizontale. I1 appartint au domaine de i invention de positionner- la pièce horizontalement ou bien sous tout angle convenable par rapport a l'horizontale. On voit qutune source 31 de faisceau lumineux dirige un rayonnement lumineux, via un premier objectif 31, sur un caté d'un miroir de balayage 52 revttu sur ses deux faces. Le faisceau 33, après réflexion par le miroir de balayage 52, vient frapper un miroir 53 qui dirige le faisceau, indiqué par 33', surun point P de la pièce 35.La pièce réfléchit une partie de la lumière, comme indiqué par la référence 42, sur un miroir 54 qui dirige la lumière, indiqué par la référence 42', sur l'arrière du miroir de balayage 52. Depuis l'arrière du miroir de balayage, la lumière, indiquée par la référence 57, est dirigée, via un deuxième objectif 56, sur un moyen photodétecteur 38.

Tandis que le-miroir de balayage balaye la pièce en effectuant des mouvements de rotation dans un sers et dans autre, des images virtuelles de l'avant et de l'arrière du miroir de balayage sont respectivement projetées derrière le miroir 53, en A, et derrière le miroir 54, en B. Les miroirs 53 et 54 font fonction de miroirs de renvoi.

Avec une semblable disposition le miroir de balayage 52 fait qu'une image de la pièce balaye le détecteur en synchronisation avec le balayage de la pièce par le faisceau lumineux. Dans le mode de réalisation preféré, la source 31 du faisceau lumineux est un laser dont le faisceau est concentré au centre de la pièce par l'objectif 51.

L'image du miroir de balayage 52 est formée par les deux miroirs 53 et 54 symétriquement placés en triangle, si bien qu'il sont chacun écartés d'un même angle par rapport à la verticale. Lorsque le miroir de balayage effectue un mouvement d'aller et retour, le faisceau lumineux, qui est de préférence un faisceau laser, est réfléchi par la surface postérieure du miroir de balayage et l'image du détecteur est réfléchie par la surface postérieure du miroir de balayage. Ainsi, les deux images tournent effectivement d'angles égaux grâce aux deux miroirs imaginaires placés en A et B. Le point P, qui se trouve à l'intersection des rayons venant des deux mirois imaginaires,décrit un cercle dont le centre C se trouve sur l'axe de symétrie de l'instrument, å une distance R du point P.La distance R est définie par l'équation

L est la distance à P de l'axe optique des deux miroirs de renvoi et 28 est l'angle de parallaxe, c > est-B-dire l'angle formé entre les lignes centrales des faisceaux allant à la pièce et en revenant, c'est-à-dire 33' et 42'.

L'objectif 51 forme l'image du laser sur le point P de la pièce 35. L'objectif 56 forme l'image du point P sur un détecteur optique, qui peut être par exemple, mais non nécessairement, constitué d'un réseau de diodes linéaire, placé en 38. Tous les points de la surface de la pièce, qui se trouvent à une hauteur h au-dessus ou au-dessous du cercle auront une image sur une cellule image qui est écartée par rapport à la cellule image centrale d'un nombre de cellules image qui est déterminé par l'équation

où p est la distance existant entre les centres des cellules image,
e est le demi-angle de parallaxe, Lest la distance nominale, et m
est égal au grossissement optique en P, comme ci-dessus indiqué.

On note que, pour de petites valeurs de la hauteur h (inférieures à 3 mm dans le mode-de réalisation préféré), cette équation se
ramène à DD'/p à partir de l'équation définissant la-distance DD'.

Le point zéro ou neutre de la mesure pout tout angle de balayage p est défini en h = R(l-cos 2p3, où 8 est l'angle de rotation du
o 213), faisceau quittant le miroir de balayage 1 par rapport à s position nulle au centre du balayage..

Dans un mode de réalisation préfére, le dispositif de balayage de la figure 3 utilise une distance L = 270 mm et un angle = 10". Le laser employé est un laser au GaAs travaillant à 904 nm, et la distance focale de l'objectif 51 est de 16 irna.

Comme les autres lasers à diodes à injection hétérodyne, ce laser projette une ligne étroite et longue lorsqu'il est concentré sur une cible. La laser est aligné de façon que cette ligne soit perpendiculaire au plan du papier sur la figure 3. Il est parfois préférable de faire appel à un réseau de diodes linéaire "Reticon RL 256 -C/17" et de choisir un laser projetant une courte ligne de 1,5 mm, par exemple, au niveau de la pièce, la mesure de hauteur convergeant avantageusement sur une telle distance. Ceci évite les problèmes liés à la mesure d'une tres petite aire de la pièce, laquelle peut avoir un coefficient de réflexion trop faible.La surface émettrice du laser est alignée de telle maniere que sa plus grande longueur(d'environ 0,2 mm) est parallèle à la direction d'avance du robot suivant le cordon de soudure, son image projetée sur le cordon étant parallèle au cordon. La plus courte longueur, qui est d'environ 0,002 wm, est ainsi perpendiculaire au cordon et fournit une résolution maximale de balayage. La dis tance focale de l'objectif 56 est de 40 mn. L'objectif 56 est un objectif photographique Pentax d'ouverture f/2,8. En raison des aberrations de l'objectif, l'image ponctuelle du laser sur le détecteur (un détecteur CCD 133 fabriqué par Fairchild) couvre quatre cellules image (jusqu'à SOZ de la puissance).La distance entre lignes centrales des cellules image est de 0,013 mn. Avec un équipement tel que ci-dessus défini, on note que la mesure de la hauteur h est virtuellement indépendante de l'angle de balayage p.

L'erreur de déviation est inférieure à 1 cellule image pour des points situés jusqu'à 12,5 mm de part et d'autre de la ligne centrale et est inférieure à 5 cellules image pour des points situés jusqu' 25 mn de part et d'autre de la ligne centrale. La profondeur de champ se révèle alors appropriée et, au moyen de cet objectif, l'Intensité maximale de a lumière tombant sur la cellule image située au centre du faisceau ne descend pas à moins de la moitié pour des hauteurs comprises dans les limites de + 25 mm de la hauteur fîducielle. La reproductibilité des mesures de hauteur est meilleure que 0,1 mn.

I1 vient donc d'être décrit un capteur simple, efficace et précis pour robots soudeurs. Le dispositif de balayage du capteur décrit ci-dessus surmonte les problèmes normalement rencontrés avec les dispositifs de balayage, tels que la nonlinéarité et l'hystérésis ou l'existence de jeux entre pièces, par exemple. De plus, le détecteur peut être extrêmement petit et simple, et fournir néanmoins des mesures précises. Si la valeur de ss est d'environ 2 ou 30, il fl'est pas nécessaire d'effectuer des calculs pour résoudre l'algorithme déterminant la hauteur. La hauteur est proportionnelle à la distance mesurée le long de l'ensemble de cellules image éclairées, de sorte qu'une constante doit simplement être placée dans l'équation de détermination de la hauteur t partir du nombre de cellules image éclairées. Lorsque l'angle dépasse 30, on résout facilement, avec précision et de maniere fiable, l'algo- rithme selon l'invention.

Bien entendu, l'homme de l'art sera an mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la descrip.ion vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de 1! invention.

Claims (10)

R E V E N D I C A T I O N S

1 - Capteur optique destiné à être utilisé pour mesuser des caractéristiques d'une pièce, ledit capteur optique étant caractérisé en ce qu'il comprend une source (31) produisant un faisceau lumineux; un moyen de balayage (51, 52, 53, 54 56) qui dirige ledit faisceau lumineux afin de balayer ladite pièce (35); un moyen détecteur (38) qui détecte la lumière dudit faisceau lumineux réfléchi par la pièce; le moyen de balayage comportant un moyen (52, 53, 54) qui dirige ledit faisceau réfléchi sur ledit moyen détecteur en synchronisation avec le balayage de la pièce par les faisceaux lumineux dirigés, de sorte qu des variations de la position de la lumière réfléchie détectée sur le moyen détecteur ne sont sensiblement liées qu'à des variations des caractéristiques de la pièce.

2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques de la pièce sont des variations de hauteur (h).

3 - Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de balayage comprend un miroir de balayage (52) et en ce que ce même miroir de balayage dirige également la lumière réfléchie sur le moyen détecteur.

4 - Capteur selon la revendication 3 caractérisé en ce que le moyen de balayage est un prisme.

5 - Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 å 4, caractérisé en ce que le moyen de balayage comprend en outre un premier miroir de renvoi (53) qui dirige ledit faisceau lumineux venant du miroir de balayage sur la pièce et un deuxième miroir de renon (54) qui dirige la lumière réfléchie par la pièce sur le détecteur.

6 - Capteur selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que le miroir de balayage possède des première et deuxième surfaces réfléchissantes opposées, ladite première surface réfléchissant le faisceau lumineux venant de la source sur ledit premier miroir pliant, et ladite deuxième surface réfléchissant la lumière venant de la pièce sur le moyen détecteur.

7 - Capteur optique permettant de détecter des caractéristiques de hauteur sur une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend : une source (31) produisant un faisceau lumineux; un moyen détecteur (38) qui reçoit la lumière dirigée dans sa direction, des emplacements dudit moyen détecteur qui reçoivent la lumière étant associés à des hauteurs différentes; et un moyen de balayage (51, 52, 53, 54, 56) qui reçoit le faisceau lumineux afin de balayer successivement des aires croissantes de la pièce (35), pouvant être définies en cellules image, à l'aide du faisceau lumineux et qui dirige la lumière sur le moyen détecteur, de sorte que la lumière est reçue par le moyen détecteur en un emplacement associé à la hauteur de la cellule image balayée, le moyen de balayage comportant un miroir de balayage (52) doté d'une première et d'une deuxième surface réfléchissante opposées, la lumière émanant de la source étant réfléchie sur ladite pièce par la première surface, et la lumière étant dirigée sur le moyen détecteur par la deuxième surface, si bien qu'une image d'une cellule image balayée se forme sur le moyen détecteur en synchronisation avec le balayage de la cellule image.

8 - Capteur selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit moyen de balayage comporte un premier miroir fixe (53), dont la position peut être réglée pour réfléchir la lumière reçue en provenance de la première surface du miroir de balayage sur ladite pièce, et un deuxième miroir fixe (z4) qui est positionné de façon à réfléchir la lumière réfléchie en provenance de la pièce sur le moyen détecteur.

9 - Capteur selon la revendication 7 ou 8, caracté- risé en ce que le moyen de balayage comporte un premier objectif permettant de concentrer le faisceau lumineux émanant de la source

sur la cellule image balayée et un deuxième objectif (56) permettant

de concentrer la lumière issue de la cellule image sur le moyen -ddtecteur.

térisé en ce que ladite source de faisceau lumineux est un laser.

10 - Capteur selon la revendication 7, 8 ou 9, carac