FR2599139A1 - Appareil d'assistance a l'alignement axial pour les operations de commande a distance et procede connexe - Google Patents

Abstract

L'APPAREIL D'ASSISTANCE A L'ALIGNEMENT AXIAL SELON LA PRESENTE INVENTION EST UTILISE POUR DETERMINER L'ORIENTATION D'UN AXE D'UN PREMIER ELEMENT MOBILE 10 PAR RAPPORT A UN AXE D'UN DEUXIEME ELEMENT 11. CET APPAREIL COMPREND DES MOYENS 12 FORMANT INDICATEUR VISUEL REFLECHISSANT FIXE AU DEUXIEME ELEMENT ET AYANT LEUR CENTRE ALIGNE AVEC UN AXE DU DEUXIEME ELEMENT POUR REFLECHIR LA LUMIERE; UNE PREMIERE SOURCE DE LUMIERE 150 FIXEE AU PREMIER ELEMENT 10, ALIGNEE AVEC UN AXE DE CE PREMIER ELEMENT ET DIRIGEE DE FACON A FOCALISER UN FAISCEAU DE LUMIERE 205 SUR LES MOYENS 12; ET DES MOYENS VISUELS 5 FIXES AU PREMIER ELEMENT POUR DETECTER LE FAISCEAU DE LUMIERE 205 REFLECHI PAR LES MOYENS 12 PAR RAPPORT AU CENTRE DE CE DERNIER. APPLICATIONS : ENTRE AUTRES, COMMANDE D'UN ORGANE ACTIF D'UN ROBOT, NOTAMMENT DANS LES GENERATEURS DE VAPEUR FONCTIONNANT A L'ENERGIE NUCLEAIRE.

Description

APPAREIL D'ASSISTANCE A L'ALIGNEMENT AXIAL POUR LES OPERATIONS

DE COMMANDE A DISTANCE ET PROCEDE CONNEXE

Cette invention concerne un appareil de commande à distance pour aligner des objets dans l'espace, et, plus particulièrement, un appareil d'assistance à l'alignement axial et un procédé connexe pour faciliter les opérations de commande à distance. De nombreuses tentatives ont été faites pour concevoir des appareils et des procédés pour aligner deux objets à distance dans l'espace. Par exemple, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) a effectué des 10 travaux étendus dans le domaine de l'amarrage de vaisseaux spaciaux. Comme cela est exposé dans "Communications, Tracking and Docking on the Space Station", de Erwin et al., publié par le Institute of Electrical and Electronics Engineers (1982), la NASA a proposé l'utilisation d'un groupement 15 de réflecteurs triangulaire sur une cible passive afin de définir un plan et de faciliter l'amarrage d'un véhicule actif sur celle-ci. Le suivi séquentiel de chaque réflecteur à partir du véhicule actif dans l'espace permet la détermination de l'altitude entre le véhicule actif et la cible passive. Cependant, ce système connu de réflecteur triangulaire emploie nécessairement des ordinateurs, ce qui le rend par conséquent extrêmement complexe. De plus, le système est incapable d'aligner avec précision et à distance un axe

d'importance de la cible passive avec un axe d'importance du 25 véhicule actif afin de permettre un amarrage "doux".

- D'autres agencements ont été fabriqués dans la technique existante pour aligner ou amarrer de façon précise un objet par rapport à un autre. Par exemple, le brevet américain n 3 269 254, délivré à COPPER et al., expose un 30 appareil optique comportant: une source de lumière; un cube de division de faisceau; un système de lentilles et un miroir muni d'une grille, tous d'un côté de la source de lumière. La lumière venant de la source de lumière est dirigée par le cube de division de la lumière à travers le système de lentilles. La lumière est ensuite réfléchie sur le miroir afin de passer à nouveau à travers le système de lentilles et le cube de division de la lumière. Finalement, une image est formée sur le réticule de mesure afin de fournir une information concernant l'orientation d'un corps auquel le miroir est fixé, définie par l'azimuth, le langage et le roulis. Le miroir décrit dans ce brevet étant plat, si le faisceau de lumière dirigé sur le miroir est trop excentré, le faisceau de lumière peut être réfléchi 10 trop loin à l'extérieur, ce qui empêche par conséquent la formation d'une image sur le réticule de mesure. Il en résulte qu'une mesure précise de l'excentrage n'est pas possible avec ce dispositif breveté. De plus, ce dispositif breveté est sensible à la distance, c'est-à-dire que plus 15 le réticule de mesure et le miroir sont placés loin l'un

de l'autre, plus l'efficacité du dispositif est amoindrie.

Finalement, ce dispositif n'est pas adapté avec suffisamment d'efficacité pour permettre l'amarrage d'un élément par

rapport à un autre élément.

De plus, le brevet américain n 2 352 179, délivré à Bosley, utilise un jeu de quatre cellules photo-électriques comme détecteurs pour fournir des informations concernant l'orientation d'une lentille. Autrement dit, le jeu de cellules indique à partir d'une perspective à quelle distance 25 on se trouve d'une cible; mais ces détecteurs ne peuvent pas indiquer avec précision l'axe qui est défini par la

cible. Par conséquent, un tel système utilisant un jeu de quatre détecteurs est également incapable de permettre un alignement d'amarrage sur un axe d'un objet par rapport à 30 un autre.

Une application dans laquelle la mise face à face précise par commande à distance est particulièrement importante est dans les générateurs de vapeur fonctionnant à l'énergie nucléaire. Par exemple, une tache à l'intérieur 35 du générateur de vapeur avec un outil ou un effecteur d'extrémité et un robot pour recevoir l'effecteur d'extrémité s'effectue couramment comme suit. Un premier jeu de caméras positionnées dans le générateur de vapeur permet à un bras de robot conventionnel connu sous le nom de ROSA (en anglais: bras de service à commande à distance) d'être observé et déplacé à distance dans le voisinage général d'un ou de plusieurs effecteurs ou d'organe actifs d'extrémité positionnés dans le générateur de vapeur. Cependant, ces camérae re peuvent pas aligner précisément et automatiquement les axes respectifs de l'effecteur d'extrémité choisi et du ROSA,

autrement dit, elles ne peuvent pas effectuer de façon fiable 10 un alignement et un amarrage précis.

L'effecteur d'extrémité possède également une caméra montée sur celui-ci, qui est finalement utilisée pour observer à distance le site de travail durant l'accomplissement de la tâche par l'intermédiaire d'un système de 15 retour conventionnel utilisant une station d'observation à distance, des commandes et des moyens robotiques pour déplacer

le ROSA.

Il en résulte qu'un homme doit être introduit dans le générateur de vapeur pour aligner et fixer manuel20 lement l'effecteur d'extrémité sur le ROSA. Toutefois, du fait de l'exposition potentielle aux radiations, des étapes fastidieuses d'alignement et de fixation nécessaires, et des éléments relativement lourds qui sont manipulés, il est souhaitable de faire de l'alignement et de la fixation des 25 effecteurs d'extrémité sur le ROSA dans le générateur de vapeur une opération entièrement commandée à distance avec une haute fiabilité. Un besoin plus général existe également pour des moyens grâce auxquels un alignement précis puisse

être réalisé entre deux axes importants d'éléments d'amarrage 30 respectifs en utilisant une seule perspective de guidage.

visuel. Par conséquent, un objet de la présente invention est de procurer un dispositif d'alignement axial pour; d.es opérations de commande à distance et un procédé connexe qui soient capables d'aligner rapidement et efficacement l'axe d'un premier élément mobile avec un axe d'un deuxième élément, ce qui facilite par conséquent l'amarrage précis du premier

élément sur le deuxième élément.

Le dispositif décrit ici procure un dispositif d'alignement axial avec une représentation visuelle de l'orientation d'un axe d'un premier élément par rapport à un axe d'un deuxième élément et permet un déplacement rapide et précis de l'axe du premier élément de façon à ce qu'il soit situé sur la même droite que l'axe du deuxième élément, 10 si nécessaire, juste avant l'amarrage, et économise en même temps des heures de main d'oeuvre et améliore la sécurité des travailleurs, particulièrement lorsqu'il est appliqué à un générateur de vapeur fonctionnant à l'énergie nucléaire,

qui utilise uns construction simple.

L'appareil et le procédé décrits ici procurent une assistance à l'alignement axial pour une opération robotique de commande à distance et un procédé connexe qui sont capables d'aligner à distance l'axe du ROSA avec un axe d'un effecteur d'extrémité à l'intérieur d'un générateur de vapeur fonctionnant à l'énergie nucléaire, ce qui facilite par conséquent l'alignement et la fixation efficaces

de I'effecteur d'extrémité sur le ROSA.

L'invention sous sa forme générale comporte un appareil (1:) pour déterminer l'orientation d'un axe d'un premier élément mobile (10) par rapport à un axe d'un deuxi.me élément (11), comportant: (a) des moyens (12) formant indicateur visuel réUléchissant fixés au deuxième élément et ayant leur centre aligné avec un axe du deuxième élément, pour réfléchir 30 la lumière; (b) une première source de lumière (150) connectée de façon fixe au premier élément (10), alignée avec un axe du premier élément et dirigée de façon à focaliser un faisceau de lumière (205) sur les moyens (12) formant indicateur 3Y visuel réfléchissant; et (c) des moyens visuels (5), connectés au premier élément, pour détecter le faisceau de lumière (205) réfléchi par les moyens (12) formant indicateur visuel par rapport

au centre des moyens (12) formant indicateur visuel.

Comme décrit ci-dessus, l'appareil est en partie

visuel par nature et comporte principalement (1) une combinaison optique/caméra éloignée; et (2) un indicateur visuel.

La combinaison optique/caméra éloignée comporte une caméra vidéo et un laser montés sur le premier élément 10 mobile. Un miroir rassemble la lumière venant de son champ de vision devant le premier élément et la réfléchit selon

des angles droits vers un dispositif de division de faisceau.

La lumière est alors à nouveau réfléchie selon des angles droits par le dispositif de division de faisceau et recueillie 15 par l'objectif de la caméra vidéo. Le laser projette un faisceau de lumière fin à travers un expanseur de faisceau et un gabarit de lentille d'expanseur de faisceau qui donne au faisceau projeté un dessin bien défini et identifiable, tel qu'une forme en croix. Le faisceau en forme de croix 20 se réfléchit ensuite sur un autre miroir, est atténué, et passe à travers le dispositif de division de faisceau. Le faisceau continue et est réfléchi sur le miroir original et en direction du deuxième élément. Le faisceau est projeté dans l'axe du premier élément, et dans l'axe du champ de vision de la caméra vidéo, et est inversé de façon à correspondre à l'orientation initiale du dessin du gabarit de

lentille du dispositif de division de faisceau.

L'indicateur visuel est monté sur le deuxième élément de façon à ce que son axe optique soit situé sur 30 la même ligne que l'axe du deuxième élément. L'indicateur visuel peut être construit comme un cylindre creux avec des parois internes qui sont non-réfléchissantes. Un miroir est monté sur la surface intérieure arrière du cylindre, perpendiculaire à l'axe de symétrie du cylindre. Une surface avant 35 constituée principalement de matériau diffusant la lumière

est montée parallèlement au miroir de l'indicateur visuel.

Une petite fenêtre transparente est construite au centre de la surface avant. Un dessin en forme de croix est formé sur la surface avant, ainsi qu'une marque de repérage qui permet le centrage et l'alignement par rapport au repérage Une rotation non axiale du premier élément vers la droite de la perspective de l'opérateur aura pour résultat un point de laser rétroprojeté à droite du centre sur la surface avant de l'indicateur visuel. D'autre part, la rotation du premier élément vers la gauche de la perspective de l'opérateur fera apparaître le point à gauche du centre sur la surface avant. Finalement, lorsque l'opérateur centre le point rétroprojeté sur la surface avant de l'indicateur visuel en déplaçant de façon appropriée le premier élément, la lumière du laser sera reflétée exactement dans l'axe de la forme en croix projetée, dans la direction opposée. Cela 15 fera apparaître brillant le centre de l'indicateur visuel lorsqu'il sera observé par la caméra vidéo. Une indication positive d'un alignement précis est ainsi obtenue et le premier élément peut être amarré de façon sûre et précise

au deuxième élément.

Cet appareil d'assistance à l'alignement axial commandé à distance et ce procédé connexe relativement simples et peu coûteux permettent par conséquent de réaliser un alignement précis entre deux axes importants séparés en utilisant une seule perspective de guidage visuel. L'appareil et le procédé sont très précieux pour des opérations d'équipements automatiques commandés à distance, y compris pour' l'amarrage,

le raccordement et l'entraînement mécaniques précis.

On peut avoir une compréhension plus détaillée 30 de l'invention à partir de la description qui suit d'une

réalisation préférée donnée à titre d'exemple et devant être comprise conjointement avec les dessins joints, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique partielle en 35 coupe transversale de l'appareil d'assistance à l'alignement axial commandé à distance selon une réalisation de la présente invention; la Fig. 2 est une vue en perspective de la réalisation préférée de l'indicateur visuel selon une réalisation de la présente invention; la Fig. 3 est une vue prise le long de la ligne 5 3-3 de la Fig. 1, illustrant en particulier le gabarit de lentille d'expanseur de faisceau selon une rgàlis-ation de la présente invention; la Fig. 3a est une vue schématique dela. fonction de l'indicateur visuel selon la présente invention, illus10 trant en particulier une représentation non axiale; la Fig. 3b est une vue schématique de la fonction de l'indicateur visuel selon la présente invention, illustrant en particulier une représentation dans l'axe; la Fig. 3c est une vue schématique de la fonction 15 de l'indicateur visuel selon la présente invention, illustrant en particulier une autre représentation non axiale; laFig. 4aest unevue dedevant d'uneautre réalisationde l'indicateur visuel selonla présenteinvention, illustrant en particulier une lentille plane-sphérique convexe; 20 la Fig. 4b est une vue de côté de la lentille plane-sphérique convexe montrée en Fig. 4a; la Fig. 5 est une vue schématique illustrant l'effet visuel de la lentille plane-sphérique convexe montrée dans les Fig. 4a et 4b; la Fig. 6 est une vue schématique illustrant l'effet visuel d'inclinaison non axial de l'indicateur visuel; la Fig. 7 est une vue schématique d'une deuxième autre réalisation de l'indicateur visuel de la présente invention, illustrant en particulier une lentille de Fresnel avec une représentation non axiale; et

la Fig. 8 est une vue schématique de l'autre réalisation montrée en Fig. 7 avec une représentation non axiale.

Le dispositif d'alignement axial selon une réalisation préférée de la présente invention est illustré de façon schématique en Fig. 1 et est globalement désigné par le numéro de référence 1. Le dispositif d'alignement axial 1 est visuel par nature et comporte d'une manière générale deux parties: une combinaison optique/caméra éloignée 5;

et un indicateur visuel 12.

D'une manière générale, la combinaison optique/ caméra éloignée 5 est montée de façon stratégique sur un premier élément mobile 10 commandé à distance de façon à permettre l'observation d'une opération avec son champ de vision (ou perspective) centré sur un axe d'un deuxième élément 11 qui est important pour l'opération (par exemple - un axe de commande d'outil ou d'effecteur d'extrémité, comme cela sera exposé en détail par la suite). L'indicateur visuel 12 est fixé au deuxième élément 11 en tant que cible et est aligné avec un axe physique important du deuxième 15 élément 11. L'alignement des deux axes indépendants des premier et deuxième éléments 10 et 11, respectivement, est important dans tout type d'opération d'amarrage à distance, et tout aussi fondamental que l'engagement d'une vis dans un trou fileté. La simplicité de cette invention rend son 20 application intéressante et peu coûteuse pour une large gamme d'utilisations dans des systèmes automatiques, y compris dans la robotique commandée par l'homme, et dans

les opérations de vision par une machine totalement automatiques.

Plus particulièrement, la combinaison optique/ caméra éloignée 5, comportant une caméra vidéo 100 et une première source de lumière 150, telle qu'un laser 200, est montée sur le premier élément mobile 10 de telle façon que

la caméra vidéo 100 ait une vue claire pour l'opération 30 désirée.

Comme montré en Fig. 1, le premier élément 10 est configuré, par exemple, sous la forme d'un dispositif de fixation d'amarrage percé de façon conique conçu pour être adapté sur le deuxième élément 11 configuré, par exemple, 35 sous la forme d'un pendant conique mâle. Un premier miroir 302 rassemble la lumière venant de son champ de vision devant le premier élément 10 et la réfléchit selon des angles droits vers un dispositif de division de faisceau 301. Après avoir été atténuée d'au moins 50% par rapport à son intensité d'origine, la lumière est à nouveau réfléchie selon des angles droits par le dispositif de division de faisceau 301 et recueillie par l'objectif 103 de la camera

vidéo 100.

Le premier miroir 302 peut être mobile, par

l'intermédiaire d'un élément d'articulation 303 tel qu'un appareil mû par une articulation, un ressort ou un moteur.

Un tel élément d'articulation 303 sera utilisé si le premier miroir 302 n'est pas placé suffisamment loin à l'intérieur du premier élément 10 pour éviter d'être endommagé par le

deuxième élément 11 durant l'amarrage.

La lumière rassemblée par le premier miroir 302 15 est délivrée soit par l'éclairage ambiant, soit par une deuxième source de lumière 160. Dans la réalisation préférée, la deuxième source de-lumière 160 comprend une disposition de sources lumineuses 101, 102 qui projettent de la lumière dans la direction opposée à celle depuis laquelle la lumière 20 est rassemblée, fournissant par conséquent une illumination à champ large centrée sur le champ de vision de la caméra

vidéo 100.

Une barrière amovible arrêtant la lumière 304, telle qu'une paroi noire, peut être placée sur les côtés opposés du dispositif de division de faisceau 301 par rapport à la caméra vidéo 100 afin d'obstruer toute vue d'interférence que la caméra vidéo 100 pourrait recevoir par l'intermédiaire du dispositif de division de faisceau 301. Grâce à l'utilisation d'une telle barrière 304, la vue de la 30 caméra vidéo 100 peut être temporairement limitée à la

perspective opérationnelle d'alignement uniquement.

Le laser 200 projette un faisceau de lumière fin à travers un expanseur de faisceau 201 et un gabarit de lentille d'expanseur de faisceau 202 avec une forme en croix 35 203 formée à l'intérieur de celui-ci, qui donne au faisceau

projeté un dessin bien défini et identifiable en forme de croix dans la réalisation préférée, lorsqu'il frappe fina-

lement une surface située au-delà du dispositif de fixation 10. La Fig. 3 est une vue agrandie du gabarit de lentille d'expanseur de faisceau 202 montré en Fig. 1. Comme on le voit, le gabarit 202 comporte également une marque de repérage 204 qui facilite l'alignement des quadrants formés par la forme en croix 203 avec les quadrants formés sur l'indicateur visuel 12 décrit ci-dessous. La Fig. 3 est une vue agrandie du gabarit de lentille d'expanseur de faisceau 202 montré

en Fig. 1.

A partir du gabarit 202, le faisceau en forme de croix est réfléchi par un deuxième miroir 300, est à nouveau atténué, et passe à travers le dispositif de division de faisceau 301. Le faisceau continue et est réfléchi sur le premier miroir 302. Finalement, le faisceau est projeté par 15 le premier miroir 302 dans le premier élément 10, dans l'axe du premier élément 10 (sur le même axe que celui du champ de vision de la caméra vidéo 100), et est corrigé, c'est-àdire inversé, de façon à correspondre à l'orientation originale du dessin du gabarit de lentille d'expandeur de faisceau 20 202. La forme en croix projetée qui en résulte procure alors des moyens pour obtenir un alignement angulaire et pour établir une intersection entre les axes des premier et

deuxième éléments 10 et 11, comme cela ne sera pas exposé.

L'indicateur visuel 12 est responsable de la suppression de l'erreur angulaire. Une réalisation de l'indicateur visuel 12 est montrée en Fig. 2 et est désignée par le numéro de référence 400. Cet indicateur visuel 400 est monté sur le deuxième élément 11 de telle sorte que son axe optique soit situé dans le même axe que celui du deuxième 30 élément 11. Cette réalisation de l'indicateur visuel 400 est construite avec un cylindre creux 401, formé soit en perçant un trou dans la surface du deuxième élément 11, soit en formant une pièce rapportée avec un matériau cylindrique. On a trouvé par l'expérimentation que le rapport 35 d'une profondeur "D!' du cylindre 401 à un diamètre "A" du

cylindre 401 de 1 sur 1 donnait des résultats favorables.

Les parois internes du cylindre 401 doivent être non-réflé-

chissantes. Un troisièmemiroir 402 est monté sur la surface intérieure arrière du cylindre 401, perpendiculaire à l'axe de symétrie du cylindre 401. Une surface avant 406 est montée parallèlement au miroir 402 et est constituée principalement 5 d'un matériau diffusant la lumière, par exemple d'une surface dépolie. Une petite fenêtre transparente 403 est formée au centre de la surface avant 406, ainsi qu'une marque de repérage 405, ce qui permet le centrage et l'alignement de repérages

La fonction de l'indicateur visuel 400 est expliquée 10 par référence aux Fig. 3a à 3c.

LaFig. 3aiilustre lepremier casde rotationnon axiale (d+) de l'indicateur visuel 400 par rapport à l'axedu premier élément 10à ladroite dela perspectivede l'bpérateur, ce qui a pour résultat un point rétroprojeté 407à droite-du

centre (<+)sur la surface avant406 de l'indicateur visuel 400.

D'autre part, la Fig. 3c montre le deuxième cas de rotation non axiale (d) de l'indicateur visuel 400 par rapport à l'axe du premier élément 10 à la gauche de la perspective de l'opérateur, ce qui a pour résultat un point 20 rétroprojeté 408 à gauche du centre (o-) sur la surface

avant 406.

Finalement, la Fig. 3b illustre le troisième cas, dans lequel la lumière du laser 200 est réfléchie exactement dans l'axe de la forme en croix projetée, dans la direction 25 opposée. Cela va faire apparaître brillant le centre de

l'indicateur visuel 400 lorsqu'il sera observé par l'intermédiaire de la caméra vidéo 100.

Le laser 200 est conventionnel, tel qu'un laser à gaz ou à semiconducteurs, et est inclus de façon à fournir 30 une lumière collimatée et cohérente avec laquelle l'axe du dispositif de fixation 10 soit visuellement indiqué. Toutefois,-la première source de lumière 150 peut par contre être une source de lumière collimatée moins coûteuse et moins cohérente (par exemple une lampe à incandescence, une 35 diode électro-luminescente, etc.). Une structure de visée en forme de croix ou avec une autre forme doit aussi être physiquement disposée dans le chemin de vision de la caméra vidéo 100. Une telle deuxième source de lumière 160 doit être optiquement alignée avec l'axe optique de la caméra vidéo 100 et à l'intérieur de la plage de focalisation de la caméra vidéo 100. La lumière venant de celle-ci doit -également être suffisamment vive pour produire l'effet

désiré avec l'indicateur visuel 12, comme exposé ci-dessus.

Dans tous les cas, un point brillant doit être projeté sur la première surface avec-laquelle l'axe du premier élément 1l 10 vient en intersection, marquant clairement le centre du champ de vision de la caméra vidéo 100, ces axes étant

situés sur la même droite.

Il faut également noter qu'un faisceau en forme de croix n'est pas absolument nécessaire pour le fonction15 nement correct de la présente invention. Un faisceau en forme de croix facilite la découverte du point au centre de l'indicateur visuel 12 autour duquel le premier élément tourne afin de créer un alignement axial, comme cela est exposé cidessous. Une forme en croix est également bénéfique 20 avec la réalisation préférée de l'indicateur visuel 12, c'est-à-dire un cylindre avec un miroir au fond de celui-ci (Fig. 2). Un autre dessin d'alignement (autre que le dessin en forme de croix) peut être utilisé en concevant de façon appropriée le gabarit 202, tant qu'il possède une partie centrale illuminée. Un autre dessin d'alignement, par exemple,

est un type de dessin en eil-de-boeuf.

L' expanseur de faisceau 201 n'est pas non plus

nécessaire au fonctionnement correct de la présente invention.

Evidemment, s'il est-retiré, le gabarit 202 sera également retiré. L'effet visuel du point créé avec l'indicateur visuel du type à cylindre 12 ne sera cependant pas aussi prononcé

si ces éléments 201 et 202 sont retirés.

Il faut également comprendre que les positions de la caméra vidéo 100 et des composants liés au laser 200, 35 201, 202 peuvent être inversées. Le laser 200 se réfléchira alors dans le dispositif de division de faisceau 301 et la caméra vidéo 100 obtiendra sa vision à partir du deuxième

miroir 300.

Comme décrit ci-dessus, le procédé préféré pour la visée est "au centre", ce qui se réalise en faisant effectivement regarder la caméra vidéo 100 le long de l'axe du deuxième élément 11. Cependant, la présente invention se prête également àune visée avec la caméra'vidéo 100 regardant une cible"excentrée" tout en sachant o se trouve l'axe du premier élément 10 par rapport à l'axe de la caméra vidéo et en introduisant une erreur prédéterminée qui est une

erreur magnifiée en ce qui concerne l'axe de rotation du 10 premier élément 10.

De plus, deux dispositifs ou appareil d'assistance d'alignement axial 1 peuvent être utilisés avec une cible unique, de telle sorte que lorsque chaque appareil I vient en

alignement comme exposé ci-dessus, un point unique soit 15 défini dans l'espace.

Comme indiqué ci-dessus, la présente invention a

une application particulière dans un générateur de vapeur.

Dans un générateur de vapeur, le ROSA est un outil puissant qui effectue des tâches difficiles. En consé20 quence, les surfaces de raccordement du ROSA et des effecteurs d'extrémité doivent respecter exactement les tolérances de dimension. Par conséquent, il important de ne pas seulement localiser l'effecteur d'extrémité, mais d'aligner également avec précision le ROSA avec la partie de raccordement de l'effecteur d'extrémité afin d'amarrer l'effecteur d'extrémité avec l'extrémité du ROSA sans dommage. Il en résulte

que le but critique est d'être capable d'aligner avec précision l'axe du ROSA avec l'axe de l'effecteur d'extrémité.

Il faut couramment une demi-heure environ à un 30 homme pour fixer manuellement un effecteur d'extrémité au ROSA comme décrit ci-dessus. Il faut quatre secondes avec la présente invention, car la caméra vidéo 100 permet à l'opérateur d'observer la scène dans son ensemble et de commander le ROSA avec précision pour l'alignement et le 35 couplage. Il en résulte que la présente invention élimine le besoin d'une caméra auxiliaire conventionnelle sur

l'effecteur d'extrémité.

Plus particulièrement, chaque effecteur d'extrémité comportera un indicateur visuel 12 sur celui-ci. L'indicateur visuel 12 sera monté de façon centrale ou coaxiale sur l'effecteur d'extrémité, c'est-à-dire par rapport à l'axe 5 par rapport auquel il doit être aligné, et également à un plan qui est perpendiculaire à l'axe. De préférence, des moyens de connexion, tels que de l'époxy, seront utilisés

pour monter l'indicateur visuel 12 sur l'effecteur d'extrémité. Tous autres moyens de connexion qui ne sont pas affectés 10 par les radiations conviendront également.

La caméra vidéo 10 est ensuite focalisée sur l'indicateur visuel 12 après que le ROSA (qui est l'équivalent du premier élément mobile 10) soit arrivé au voisinage de l'effecteur d'extrémité par l'intermédiaire du jeu de caméras disposées de façon conventionnelle dans le générateur de vapeur, comme exposé ci-dessus. Une fois qu'il est à cet endroit, l'assistance à l'alignement axial 1 décrite cidessus est utilisée pourdétecter, le cas échéant, quelle orientation non axiale existe. Si une orientation non axiale est observée sur l'indicateur visuel 12 par l'intermédiaire de la caméra vidéo 100 comme montré dans les Fig. 3a et 3c, le ROSA doit être déplacé jusqu'à ce que l'indicateur visuel 12 indique la condition d'alignement axial

montrée en Fig. 3b, auquel moment un ordre d'amarrage est 25 donné au ROSA.

Autrement dit, une fois que l'opérateur a détecté qu'il y a un mauvais alignement, un circuit de commande conventionnel permet à l'opérateur de déplacer le ROSA dans un sens ou dans l'autre. Comme montré en Fig. 1, le circuit 30 de commande comporte un écran de visualisation 700 connecté électriquement à la caméra vidéo 100 et une station de commande robotique 800 avec un joystick (non représenté) ou poignée pour commander les deux modes de fonctionnement du ROSA,

c'est-à-dire la rotation ou la translation, par l'intermé35 diaire d'un mécanisme d'articulation-conventionnel 900.

Une fois que le ROSA est ajusté sur un point dans l'espace, il peut s'étendre jusqu'à ce point en se basant sur les

mouvements de 6 axes commandés par le logiciel connu de la station de commande robotique 800 que commande le joystick.

L'opérateur peut simplement déplacer le ROSA jusqulà ce que les deux images correspondent, comme montré en Fig. 3b, 5 après quoi l'ordre d'amarrage est donné et le ROSA s'amarre tout droit en direction de la cible, c'est-à-dire du deuxième

élément 11.

La présente invention procure par conséquent un outil avec retour visuel, à commande par l'homme à distance, 10 pour l'utilisation dans un générateur de vapeur. En conséquence, il n'y a plus aucun besoin d'un homme dans le générateur de vapeur, ce qui améliore la sécurité des travailleurs. De plus, la fixation est plus rapide, c'est-à-dire que la coordination entre l'oeil et la main de l'opérateur 15 est immédiate grâce à un retour précis. Enfin, l'opération décrite ci-dessus, avec un opérateur pour comparer les points lumineux et pour déplacer le ROSA peut même être

effectuée par un ordinateur, si nécessaire.

Les Fig. 4 à 8 illustrent d'autres réalisations 20 selon la présente invention, qui vont être décrites à présent. A la place d'un indicateur visuel cylindrique 400, comme décrit ci-dessus par rapport aux Fig. 2 et 3a à 3c, une lentille peut être utilisée comme indicateur visuel 25 12. Par exemple, comme montré dans les Fig. 4a et 4b, une lentille 510 peut être utilisée avec une forme en croix 520 et une marque de repérage 540 formée sur celle-ci, et avec un miroir 530 monté à l'arrière. Par conséquent, lorsqu'une source de lumière collimatée frappe cette lentille 510, deux points brillants peuvent être vus avec la caméra vidéo 100. La Fig. 5 est une vue schématique illustrant l'effet visuel de la lentille plane-sphérique convexe 510 montrée dans les Fig. 4a et 4b. Comme montré en Fig. 5, un 35 premier point rétroprojeté 552 est formé par la qualité réfringente de la lentille 510 et du miroir réfléchissant 530. Ce point 552 apparaft de façon caractéristique comme "flottant" dans l'espace devant la lentille 510. Le deuxième point 554 est une image virtuelle provoquée par les propriétés

réfléchissantes de la surface avant de la lentille 510.

Comme le montrent les tracés de rayons de la Fig. 5, le deuxième point 554 apparaîtra suspendu à l'intérieur de la

lentille 510 elle-même.

Si l'axe optique de la lentille 510 est aligné avec celui de la caméra vidéo 100 montrée en Fig. 1, les deux points 552 et 554 apparaîtront superposés sous la forme 10 d'un point 550. Si le faisceau de laser projeté est centré et indexé comme décrit précédemment grâce à l'utilisation de la forme en croix 520 et de la marque de lentille 540, un alignement précis sera obtenu lorsque les points 552, 554 sont superposés de façon à former un point unique 550. 15 La Fig. 5 est une vue schématique illustrant l'effet d'inclinaison visuel par rapport à l'axe de la lentille 510. Comme montré en Fig. 5, si l'axe de la lentille 510 est incliné d'un certain angle par rapport à celui de la caméra vidéo 100, les points 552, 554 apparaîtront comme 20 des points séparés. Le point virtuel 554 tendra à rester près du centre de la lentille 510, tandis que l'autre point 552 se déplacera dans une direction indiquant la direction de l'inclinaison. Comme décrit ci-dessus, le déplacement du premier élément 10 par rapport au deuxième élément 11 25 renfermant la lentille 510 amènera finalement la coincidence des axes respectifs et l'apparition du point unique 550. La surface avant de la lentille 510 peut être rendue légèrement brillante de façon à améliorer l'intenY0 sité du point virtuel 554 par rapport à l'intensité du point rétroprojeté 552. Cette réalisation de lentille 510 de l'indicateur visuel 12 fonctionne exceptionnellement bien

même sans l'utlisation d'un laser; seule une source de lumière vive collimatée est nécessaire, un projecteur, 35 exemple.

Une autre réalisation différente de l'indicateur visuel 12 est montrée dans les Fig. 7 et 8, à savoir une lentille de Fresnel 510. Une lentille de Fresnel n'est pas

courbe en réalité, mais elle donne une apparence courbe.

Autrement dit, une lentille de Fresnel est fondamentalement une lentille affaissée, mais le modèle optique d'une lentille de Fresnel est un plan courbe. En conséquence, l'opérateur ne verra pas deux points sur la lentille de Fresnel, mais il verra seulement un point unique. L'image brillante unique 10 qui est vue est équivalente au point 554 qui se déplaçait

à l'intérieur de la lentille 510 montrée dans les Fig. 4 à 6.

En conséquence, avec la lentille de Fresnel 510, le centre de celle-ci doit être indiqué avec une certaine référence visuelle, c'est-à-dire une forme en croix 620 ou des index 15 présents physiquement sur la surface de la lentille de Fresnel. La fonction de la lentille de Fresnel 510 est similaire à celle de la lentille 510 de l'autre réalisation décrite cidessus en relation avec les Fig. 4 à 6. Autrement 20 dit, la Fig. 7 est une vue schématique illustrant en particulier une lentille de Fresnel avec une représentation dans l'axe et la Fig. 8 est une vue schématique de la lentille de Fresnel 510 montrée en Fig. 7 avec une représentation non axiale. La forme en croix 620 et une marque d'index 640 25 sont formées sur la surface avant de la lentille de Fresnel 610, et une surface brillante 630 est formée sur la surface arrière de la lentille 610. Seul un point unique 650, similaire au point 552 montré en Fig. 5, apparaît devant la

lentille de Fresnel 610.

Lorsque l'axe optique de la lentille de Fresnel 610 est aligné avec l'axe de vision de la caméra vidéo 100 montrée en Fig. 1, le point 650 apparaît centré sur la lentille de Fresnel 610 comme montré en Fig. 7. D'autre part, lorsque l'axe optique de la lentille de Fresnel 610 35 n'est pas aligné avec l'axe de vision de la caméra vidéo , le point 650 est excentré par rapport à la lentille de Fresnel 610 et indique la direction de l'inclinaison par rapport à l'axe. Comme exposé ci-dessus, l'orientation dans l'axe peut être obtenue en déplaçant le premier élément par rapport au deuxième élément 11 grâce au circuit de commande. Une considération importante dans la détermination du fait que l'on utilise une lentille courbe en verre 510 ou une lentille de Fresnel 610 est le fait que plus l'ouverture est grande, plus l'indication d'écartement par rapport à l'axe sera importante (cela est linéairement proportionnel). 10 Plus l'ouverture est grande, plus il y a de surface pour

déplacer les deux points.

Aux fins de la fabrication, une lentille de Fresnel 610 sera probablement plus facile à monter et à protéger que la lentille en verre 510. La lentille de Fresnel 610 étant 15 essentiellement plate et peu coûteuse à réaliser, elle est intéressante pour de nombreuses applications, sauf peut-être dans les radiations d'un générateur à vapeur fonctionnant à l'énergie nucléaire. Par conséquent, on doit comprendre que chaque réalisation de l'indicateur visuel 12 satisfait aux objets de la présente invention, même si une réalisation peut être choisie plutôt qu'une autre pour une application particulière. Ce qui précède est considéré comme illustratif uniquement des principes de l'invention. De plus, de nombreux 25 changements et modifications pouvant facilement être trouvés par les personnes du métier, on ne souhaite pas limiter l'invention à la construction et au fonctionnement exacts montrés et décrits. Par exemple, la présente invention pourrait être utilisée par un robot de soudage pour mettre 30 en place et pour souder avec précision une zone en se basant sur les lectures d'un indicateur visuel situé sur ou à

proximité de la zone à souder. De plus, bien que la description ci-dessus mette l'accent sur le fait que la présente invention est principalement conçue comme une assistance à 35 la commande à distance d'une machine par un être humain,

cette invention prévoit également la commande de la machine

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par des moyens formant ordinateur assistés par l'invention décrite ici, tels qu'un contrôle d'environnement utilisant un retour de vision par ordinateur. En concéquence, toutes

modifications appropriés et équivalents peuvent être utilisés.

tout en restant dans le cadre de la présente invention.

Claims (14)

Revendications

1. Appareil (1) pour déterminer l'orientation d'un axe d'un premier élément mobile (10) par rapport à un axe d'un deuxième élément (11), caractérisé en qu'il comprend: (a) des moyens (12) formant indicateur visuel réfléchissant fixés au deuxième élément et ayant leur centre aligné avec un axe du deuxième élément, pour réfléchir la lumière; (b) une première source de lumière (150) connectée de façon fixe au premier élément (10), alignée avec un axe du premier élément et dirigée de façon à focaliser un faisceau de lumière (205) sur les moyens (12) formant indicateur visuel réfléchissant; et (c) des moyens visuels (5), connectés au premier élément, pour détecter le faisceau de lumière (205) réfléchi 15 par les moyens (12) formant indicateur visuel par rapport

au centre des moyens (12) formant indicateur visuel.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre: (d) des moyens pour déplacer le premier élément par rapport au deuxième élément afin d'aligner les axes des premier et deuxième éléments en fonction du faisceau de

lumière détecté par les moyens visuels.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens formant indicateur visuel réfléchissant 25 comportent: (I) un cylindre creux, dont les parois internes sont non-réfléchissantes, (II) un miroir monté sur la surface arrière du cylindre, perpendiculaire à l'axe de symétrie du cylindre, 30 et (III) une surface avant diffusant la lumière montée parallèlement au miroir et ayant une petite fenêtre transparente, une forme en croix, et une marque d'index formée

sur celle-ci,-

l'agencement étant tel que, lorsque le faisceau de lumière de la première source de lumière frappe les moyens formant indicateur visuel, des premier et deuxième points lumineux sont visibles avec les moyens visuels, et, si l'axe optique des moyens formant indicateur visuel est aligné avec celui des moyens visuels, les premier et deuxième points lumineux apparaissent superposés et l'alignement axial des premier et deuxième éléments est réalisé, et, si les premier

et deuxième points lumineux ne sont pas superposés, l'aligne10 ment axial n'est pas réalisé.

4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport de la profondeur de cylindre au diamètre

de cylindre des moyens formant indicateur visuel est approximativement de I sur 1.

5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant indicateur visuel comportent: une lentille courbe en verre comportant une forme en croix et une marque d'index formée sur la surface avant de celle-ci, et-un miroir monté à l'arrière, l'agencement étant tel que, lorsque le faisceau de lumière de la première source de lumière frappe la lentille, les premier et deuxième points lumineux sont visibles avec les moyens visuels, et, si l'axe optique de la lentille est aligné avec celui des moyens visuels, les premier et deuxième points lumineux apparaissent superposés

et l'alignement axial des premier et deuxième éléments est réalisé, et, si les premier et deuxième points lumineux ne sont pas superposés, l'alignement axial n'est pas réalisé.

6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant indicateur visuel comportent: une lentille de Fresnel ayant une forme en croix et une marque d'index formée sur la surface avant et un miroir formé sur la surface arrière de celle-ci, l'agencement étant tel que, lorsque le faisceau de lumière de la première source de lumière frappe la lentille de Fresnel, un point lumineux unique est visible avec les moyens visuels, et, si l'axe optique de la lentille de Fresnel est aligné avec l'axe de visée des moyens visuels, le point lumineux apparaît centré sur la surface de la lentille de Fresnel et l'alignement axial des premier et deuxième éléments est réalisé, et, si le point lumineux est 5 excentré par rapport à la lentille de Fresnel, l'alignement

axial n'est pas réalisé.

7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la première source de lumière comporte un laser.

8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le laser projette un faisceau de lumière à travers un expanSeur de faisceau et un gabarit de lentille d'expanseur de faisceau, ce qui donne au faisceau de lumière projeté un dessin bien défini qui est ensuite réfléchi par un miroir et passe à travers un dispositif de division de faisceau 15 afin d'être réfléchi par un autre miroir dans l'axe du premier élément, et, en même temps, dans l'axe du champ de vision des moyens visuels, et inversé afin de correspondre à l'orientation originale du dessin du gabarit de lentille

d'expanseur de faisceau.

9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le gabarit de lentille d'expanseur de faisceau

crée un faisceau de lumière en forme de croix.

10. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens visuels comportent une caméra vidéo 25 montée sur le premier élément, son champ de vision étant

centré sur l'axe du deuxième élément.

11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens visuels comportent de plus une deuxième

source de lumière pour illuminer le champ de vision de la 30 caméra vidéo.

12. Procédé pour aligner à distance un axe d'un premier élément mobile par rapport à un axe d'un deuxième élément par commande à distance pour mettre face à face les deux éléments, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes 35 suivantes: (a) montage de moyens formant indicateur visuel réfléchissant pour réfléchir la lumière sur le deuxième élément, en alignement avec un axe du deuxième élément; (b) direction d'un faisceau de lumière provenant d'une première source de lumière alignée avec un axe du deuxième élément afin qu'il frappe l'indicateur visuel; et (c) détection du faisceau de lumière réfléchi par

les moyens formant indicateur visuel.

13.. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte de plus l'étape consistant à transmettre

à distance le faisceau de lumière détecté.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte de plus l'étape consistant à déplacer

le premier élément par rapport au deuxième élément en fonction 15 du faisceau de lumière détecté et transmis.