Brevet FR2298084A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne un dispositif d'exploration palpatoire et de reconstruction de la forme d'un objet conduisant à la reconnaissance de la surface dudit objet en l'absence de vision par un processus palpatoire d'opération sûre et commode. On sait qu'il est souvent avantageux et parfois même indispensable de pouvoir reconnaitre la forme d'un objet, et,si elle est connue, son orientation, pour pouvoir agir sur cet objet dans des atmosphères telles que l'observation visuelle est difficile ou impossible. Ces atmosphères sont par exemple, celles régnant dans les milieux sous-marins oA les variations de température et la pression élevée rendent souvent difficile toute reconnaissance par onde électromagnétique ou sonique. De plus, il est avantageux de pouvoir opérer une reconstitution systématique de la forme d'un objet par une palpation directe lorsqu'on opère en atmosphère inconnue et peut-etre dangereuse. La présente invention a précisément pour objet la -reconstitution d'iui espace à trois dimensions pour un travail sous contrle visuel à partir d'informations tactiles artifi cilles. On essaie, en utilisant le dispositif selon l'invention, de reproduire la première étape de l'analyse du processus biologique conduisant à la reconnarssance d 'un objet en absence~de vision, analyse qui met en Evidence le rôle essen triel de la peau 'au niveau de laquelle s'effectue la prise de L'information tactile.Dans ce processus, les informations tactiles sont fournies par les différents récepteurs cutanés et sont ensuite transmises au cerveau ot elles sont comparées avec de très grands nombres de données mises en mémoire. Selon l'invention, on se limite à une reconstruction visuelle de l'objet à partir des informations tactiles artificielles. Plus précisément, le dispositif selon l'invention comprend: - un palpeur mobile muni d'au moins un capteur de force fixé au palpeur, ledit capteur envoyant un signal électrique lors du contact du palpeur avec la surface de l'objet dont on veut reconnaftre la forme, - des moyens mécaniques pour orienter le palpeur dans une direction donnée et le déplacer selon trois axes perpendi culaires, - des moyens de repérage pour reconnaître à tout instant la position du palpeur, - des moyens pour inscrire sur un support un signal visible dont la position est fonction de la position du palpeur lors du contact. Ainsi, selon l'invention, après une orientation préalable du palpeur, on le déplace, soit manuellement, soit selon un cycle automatique programmé, selon trois directions perpendiculaires, pour qu'à chaque contact du palpeur avec l'objet dont on veut reconnaître la forme un signal électrique soit envoyé, signal électrique engendrant un signal sur un support matériel visible, ce dernier signal ayant des coordonnées proportionnelles à la coordonnée du palpeur lors du contact. Cette série d'indications ponctuelles permet de reconnaftre la forme de l'objet par exploration successive. Le contact du palpeur avec I 'objet dont on veut reconnaitre la forme est obtenu par un capteur de force fixé au palpeur qui envoie un signal de contact lorsque le contact du palpeur avec l'objet entrain une forte sur le palpeur supérieure à une valeur déterminée Ce capteur de force peut étre soit un mini-interrupteur placé à l'extrémité du palpeur, soit des jauges de contrainte fixées à proximité de l'ancrage du palpeur sur un support rigide, j auges qui enregistrent - toute contrainte exercée sur le palpeur lors de son contact avec ltdbiet. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le palpeur est une tige sensiblement cylindrique comportant sur sa surface un pont de jauges de contrainte alimenté électriquement en courant continu et délivrant un signal électrique proportionnel à la force exercé sur la tige du palpeur. On peut utiliser deux ponts de 3 auges--de -contrainte disposés à 900 sur la tige cylindrique du palpeur pour enregistrer selon deux directions orthogonales les composantes de la force appliquée à l'extrémité du palpeur lors au contact. Les jauges sont de prbfSrence associées électriquement pour former un pont de Wheatstone ali;enté en courant continu la mesure de la tension entre deux bornes du pont de Wheatstone indique un signal proportionnel au déséquilibre du pont, c'est-à-dire à la variation de la résistance des 3 auges, variation proportionnelle à la contrainte. Pour éviter les riuctuations aléatoires, On utilise de préférence un comparateur différentiel à seuil dont une entrée est alimentée par ia tension électrique engendrée par le déséquilibre du pont de Jauges et l'autre entrée par une tension de seuil de valeur réglable. Le réglage et ie contrôle de la tension de seuil réglable sont obtenus à l'aide d'un potentiomètre qui relie cette deuxième entrée à une source de tension fixe. Le palpeur est dépLacé par trois moteurs dans trois directions perpendiculaires ox, oY et oz et sa position est obtenue par des potentiomètres multitours de type classique alimentés en courant continu. Les tensions aux bornes des trois potentiomètres indiquent la position du palpeur selon trois directions. Ces potentiomètres sont associés mécaniquement à un système à crémaillère transformant le dépracement linéaire du chariot portant le palpeur en une rotation de leurs axes. Les moteurs utilisés sont des moteurs à courant continu à aimant permanent. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'ln- vention, le dispositif comprend un oscilloscope à écran fluorescent dont les électrodes de déflexion horizontale sont a-taquees par des tensions proportionnelies à la position selon l'axe OY du capteur et les électrodes de déflexion verticale par des tensions proportionnelles à ia position d capteur ; l'électrode Wehnelt de l'oscilloscope est alimentée par ie signal provenant du comparateur différentiel à seuil décrit précédemment, signal émis lors d'un contact du palpeur avec l'objet à détecter. D'autres caractéristiques et avantages de ì'inventlDn apparaltront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure , un schéma des organes de commande et de repérage du palpeur selon l'invention, - sur les figures 2, 3 et 4, trois exemples de réali- sation du palpeur selon l'nvention, - sur ia figure 5, un mode d'exploration palpatoire automatique, - sur les figures b à s3; ; i'agen ement des organes electroniques permettant d' obtenir la cinématique d'expijàticn palpatoire de la rigu e - sur la figure 14, un exemple d'enregistrement sur l'écran d'un oscilloscope, enregistrement reconstituant la forme d'un obJet. Sur la figure 1, on a représenté les organes de commande d'un palpeur 2 et leur mode de mise en action. Le mouvement du palpeur 2 selon trois directions OX, Oy, OZ est obtenu par trois moteurs Mx, My et Mz. Ces moteurs commandent les potentiomètres Px, Py et Pz qui envoient les informations sur la position du capteur à un organe de traitement 4 appelé sommateur attaquant sur les entrées X et Y les plaques de déflexion verticale d'un oscilloscope 6. Le dispositif comprend également les amplificateurs 8, 10 et 12, une logique de commande 14 un multi-vibrateur 16, et un interrupteur à trois contacts 18, 20 et 22 permettant de brancher le système de commande des moteurs à une logique de commande automatique 14 ou à un système de déplacement manuel comprenant un manche de commande 24 travaillant en effort par exemple et un préamplificateur 26. En 28 se trouvent deux ponts de g auges de tension fixée sur le manche de commande 24 envoyant des signaux sur les préamplificateurs 26, signaux proportionnels aux composantes selon des directions parallèles à OX et OY de force appliquée. Ces ponts de jauges commandent par 1 'intermédiaire des préamplificateurs tels que 26 avec lequel ils sont reliés, le mouvement des moteurs Mx, My lorsque les contacts 18, 20, 22 sont dans la position représentée sur la figure. En marche automatique, le multivibrateur envoie des signaux électriques récurrents commandant le mouvement des moteurs Mx, My après amplification dans les amplificateurs 8, 10.Lors du contact du palpeur 2 avec l'obJet à mesurer, soit un micro-contacteur placé à l'extrémité 30 du palpeur 2 envoie un signal, et/ou bien un pont de 7auges de contrainte tel que 32 envoie un signal sur la logique de commande. La logique de commande tient compte de ce contact selon un processus explicité plus loin pour modifier les potentiels électriques agissant sur la commande des trois moteurs.Lors du contact, le fil 36 envoie un signal électrique vers l'oscl- loscope 6 par la connexion 38 sur l'électrode Wehnelt, de façon à ce que lors du contact et lors du contact seulement une tache apparaisse sur i'écran de lloscllioscope dont les coordonnées X et Y sont fonction des indications des potentiomètres Px, Py et Pz selon ùn dispositif électronique qui sera également pré cfsb plus loin. Sur la figure 2, on a représenté un palpeur selon l'invention comprenant un fût cylindrique 40 muni d'une boule de contact 42 à son extrémité et des jauges de contrainte 44 et 46 disposées en pont et alimentées par les fils tels que 48. Le palpaur 40 est encastré dans un bâti rigide 50 représenté en pointillé. Lors de contacts avec la surface de l'objet 52, le capteur fléchit pour prendre la position 54 représentée en pointillé sur la figure 2, ce qui entratne une modification de la résistance des jauges de contrainte 44 et 46 et par conséquent un signal de tension correspondant au contact. Sur la figure 3, on a représenté un palpeur utilisé dans un mode de réalisation de l'invention comportant un microcontacteur à son extrémité. Ce micro-contacteur est constitué par une boule 56 fixée par un ressort 58 sur un fût cylindrique te contacteur est de type connu et ne sera pas explicité dans tout son détail, mais il permet, quelle que soit l'inclinaison de la force appliquée à la boule 56 à l'extrémité du palpeur, d'engendrer un contact entre l'organe 62 et l'organe 64 et réaliser ainsi la connexion entre les deux fils d'amenée de courant 66 et 6R. En effet, lorsque la boule 56 est poussée verticalement vers le haut le ressort 70 est comprimé sous l'6n de la tige 72 et le téton 62 arrive au contact de la partis 64, le piston isolant 74 coulissant dans le cylindre 76. De même lorsque l'effort appliqué à la boule 56 est horizontal; le téton 62 pivote et ces parties latérales viennent au contact de la lartie 64 établissant le même contact. Sur la figure 4, on a représenté un palpeur très sensible composé de deux étriers en U, à 900 ltun par rapport à l'antre ; ces deux étriers 80 et 81, comportent chacun un pont de jauges tel que 82 et 84. Ce palpeur permet de mesurer les moments de flexions selon deux directions perpendiculaires, et de donner par combinaison un signal proportionnel à la composante selon OZ de la force. Aucun contàcteur n'est alors nécessaire.Chaque étrier cohorte par exemple quatre jaugeS t deux jauges 83 et 85 disposées sur la face avant de l'étrier et deux jauges 87 et 89 sur la face arri1re. Ces quatre jauges sont disposées selon un pont de Wheatstone, ce qui offre plusieurs avantages - on augmente ainsi la sensibilité du capteur, - on annule les interactions possibles des composantes des forces autres que celle selon une direction bien précise, - on diminue dans une lare proportion la dérive les tnermique au signai obtenu. bn erret,/quatre Jauges constituant un pont de Wheatstone étant sollicitées par une même variation de température, il en résulte une auto-compensation thermique minimisant la dérive du signal. I1 va de soi qu'on peut utiliser des ponts de jauges ou des contacteurs pour s'assurer du contact et engendrer un signal lui correspondant. Dans un mode de réalisation de l'invention, on utilise un contacteur pour indiquer le contact selon l'axe OZ et des ponts de jauges disposés sur la surface d'un cylindre comportant un contacteur à son extrémité, indiquent un contact selon les axex OX et OY. Sur la figure 5, on a représenté le cycle automatique de palpation permettant de reconnaître la forme d'un objet tel que 100 vu en coupe. Le palpeur 2 est approximativement vertical et sa position initiale est telle que son extrémité est au point O origine des coordonnées X, Y et Z. Les moteurs et les potentiomètres sont tels que le domaine d'exploration définit un parallé- lépipède rectangle dont les dimensions sont telles qutindiqui5es sur la figure.Le premier balayage s'effectue dans le plax YOZ, Le palpeur descend selon l'axe Og et s'arrête lorsque son entré mité entre en contact au point M avec le plan supportant l'objet a explorer (ou éventuellement l'objetlui-même). Ce contact déclenche un cycle élémentaire de palpation qui comprend une remontée AZ le long de OZ et une translation AY le long d'une direction parallèle a l'axe OY. Puis le palpeur redescend selon le segment 102 et s'arrête en M', fin du domaine d'exploration. Le cycle élémentaire représenté en IQ6 sKe répète ensuite, et ce n'est qu'au point désigné par A sur la figure 5 qu'un contact réel s'établit avec l'objet dont on veut déterminer la forme. Après ce contact, une information est envoyée dans le circuit de commande des moteurs pour remonter le palpeur d'une quantité AZ selon l'axe OZ à partir de A, puis de le translater de AY puis de le redescendre jusqu'au prochain contact avec l'objet. Les points correspondant aux coordonnées des points tels que A apparaissent sur l'oscilloscope, le contact du palpeur avec l'objet entrainant un signal qui actionne l'électrode Wehnelt de l'oscil-loscope. Le cycle de palpation se poursuit j'usqu'au point B oti ot contact de l'extrémité du palpeur se fait avec la partie montante de l'obJet avant la fin du cycle élémentaire selon l'axe OY. Des informations provenant du pont de jauges de flexion par exemple correspondant aux positions des points B, B', B" sont également envoyées sur l'écran de l'oscilloscope gusqu' l'apparition du signal au point C où un cycle d'opération plus normal reprend et ainsi de suite pour les points E, E', etc.Au point F, on arrive à la limite d'exploration selon l'axe OY et le palpeur reprend sa ppsition initiale en O parallèle à l'axe OZ. Puis on translate le palpeur parallèlement à lui-même d'une quantité GX telle que représentée sur la figure selon l'axe OX ; le cycle de palpation reprend pour déterminer la forme de la surface dans le plan d'abscisse x = AX. Sur la figure 6, on a représenté une partie du schéma électronique permettant de s'assurer que les valeurs des coordonnées correspondant à l'extrémité du palpeur ne dépassent pas une valeur détermlnée. Pour cela, on utilise six comparateurs différentiels tels que 110, 112, etc. comparant à une valeur préaffichée lntro- duite en 111 par exemple dans le comparateur 110, un potentiel proportionnel à la valeur de X en 127. Lorsque la valeur du potentiel correspondant à X est inférieure au potentiel de référence en 111, le palpeur peut continuer à se déplacer selon la direction OX et le signal de sortie du comparateur 110 est positif on opère de la même façon dans les autres comparateurs avec les potentiels correspondant à la position du capteur comparée, à la valeur minimum de X, la valeur maximum Y, la valeur minimum de Y, la valeur maximum de Z et la valeur minimum de Z. I1 s'ensuit des signaux tels que représentés sur les fils de la figure 6, signaux A, B, C, D, E, F logiques.Des photodiodes ou des comparateurs, tels que 115 indiquent un dépassement des coordonnées par rapport aux coordonnées maximum de déplacement du palpeur. On applique également sur les comparateurs tels que 116, 118, 120 et 122 une tension proportionnelle à une coordonnée du capteur, et des valeurs absolues des coordonnées X, valeurs maximales et minimales à ne pas dépasser, de meme que pour les coordonnées Y en 120 et 122. On sort sur les fils 124, 126, 128, 130 et 132 des signaux logiques M, N, P, Q qui seront utilisés dans la suite du circuit représenté sur la figure 7. Les entrées telles que 127 des compaaters de la iigu e 6 sont reliées au poten- tiomètre de mesure de ia position du palpeur, potentiomètre tel que PX, PY et PZ représentés sur la figure 1. Sur la figure 7, on a représenté un schéma bloc des différents organes commandant le déplacement du moteur selon les trois directions X, Y et Z, moteurs entrainant le palpeur. Le bloc 100 est un multivibrateur envoyant des signaux selon les fils 102, 104, 106, 108 et 110 dans un organe de traitement 112 comportant une connexion avec un micro-interrupteur situé sur le palpeur. L'organe 114 comprend un organe de mesure du contact par sauge d'extension, organe relié au bloc 112 par les connexions 116 et 118. En sortie de l'organe 112, par les voies 120, 122, 124, 104, 128, 130, 106, 110, 116, 118, on envoie des signaux de commande sur l'organe 140, organe logique commandant le déplacement du palpeur selon l'axe OZ par l'ln- termédiaire de l'organe 142 Par l'lntermédlaire de la voie 113, on commande le déplacement du palpeur par l'organe 144. Selon l'axe OY , le déplacement du palpeur selon l'axe OX est commandé par l'organe 146. Les organes 142, 144, 146 sont de constitution électronique équivalente. Sur la figure 8, on a représenté le multivibrateur de l'invention de type classique délivrant les signaux &commat; et O par l'intermédiaire de différentes bascules telles que représentées sur la figure. Le multivibrateur est connecté au bloc 112 par les voies 102, 104, 106, 108 et 110 ; l'électrode Wehnelt d'un oscilloscope de visualisation est attaquée par la voie 150 lorsque la logique transmet l'indication qu'un contact du palpeur avec l'objet est établi. Les valeurs des résistances sont telles que représentées sur la figure. L'organe 152, SN 74 73 est une bascule "JK" fabriquée par National Semi Conductor. Sur la figure 9, on a représenté un organe de mesure du contact selon l'invention comportant un pont de Wheatstone constitué par quatre 3auges, pont alimenté entre les deux bornes 154 et 156 par une alimentation continue non représentée sur la figure, la jauge d'extensométrie étant représentée en 158 par exemple dans le pont mais située physiquement sur le palpeur tel que représenté sur la figure 2 par exemple ; il délivre un signal entre les bornes 160 et 162 lors du déséquilibrage du pont provoqué par la variation de la résistance de chaque Jauge entraîné par le contact du palpeur avec l';bjet. Cette tension est appliquée sur un amplificateur 164, suivi d'un second comparateur 166 comparant la tension de sortie de l'amplificateur 164 à une tension de référence de valeur réglable par l'intermédiaire de la résistance 168.Après le passage à travers le transistor 170, le signal est envoyé par les voies 117 et 119 dans le bloc de trai tent électronique 112. Sur la figure 10, on a représenté le bloc de traitement électronique 112 de la figure 7 comportant divers amplifi capteurs et organes de traitement du signal que l'on n'explicitera pas puisque de nature évidente pour l'homme de l'art. Ces organes pennettent d'introduire le signal provenant du micro-interrupteur établissant un contact en 180 et réalisant dans cette variante une confirmation redondante de l'indication du contact fournie par la jauge d'extensométrie. Le bloc 112 est relié au bloc 140 de commande logique représenté sur la figure 11 par les voies 120, 122, 124, 104, 128, les sorties 200, 202 sont reliées au bloc de commande 142 déterminant le déplacement des moteurs de coziainde du palpeur selon la direction OZ. De même la voie 113 du bloc 144 de la figure 11 détermine la commande du palpeur selon la direction OY. Sur la figure 12, on a représenté un des organes tels que 142, 144 et 146 commandant les moteurs du déplacement du palpeur. Selon un schéma très classique, ces organes comportent deux amplificateurs en cascade, commandés par deux montrées logiques, par tle dans le cas de l'organe 146 par les entrées logiques n et N obtenues précédemment. La sortie 147 est reliée au moteur Mx.. Sur laXfigure 13, on a représenté les différents signaux logiques de sortie dans les différents points des circuits électroniques indiqués sur les figures précédentes. L'examen de ces courbes permet aisément de déterminer le rle précis de chaque élit dans les circuits. Sur la figure 14, on a représenté les points obtenus sur l'oscilloscope tels que 200 permettant de visualiser la forte de I 'objet 100 par une série d'explorations selon des plans d'abscisse constante. L'effet de perspective sur l'écran de l'oscilloscope etc obtenu, selon une technique classique, en inventant d'une haleur fixe pour chaque plan d'observation les valeurs des coordonnées X et Y sur 1 'oscilloscope. Il va de soi que l'exemple de réalisation électronique n'a été donné qu'à titre d'exemple indicatif et que de multiples variations peuvent être apportées à ce dispositif sans sortir en aucune façon. de l'esprit de l'invention. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif d'exploration palpatoire et de reconstruction de la forme d'un obJet, caractérisé en ce qu'il comprend - un palpeur mobile muni d'au moins un capteur de forces fixé au palpeur, ledit capteur envoyant un signal électrique lors du contact du palpeur avec la surface de l'objet dont on veut reconnaître la forme, - des moyens mécaniques pour orienter le palpeur dans une direction donnée et le déplacer selon trois axes perpendiculaires, - des moyens de repérage pour connaître à tout ins- tant la position du palpeur, - des moyens pour inscrire sur un support un signal visible dont la position est fonction de la position du palpeur lors du contact. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palpeur est une tige sensiblement cylindrique équipée sur sa surface latérale d'un pont de 7auges d'extensométrie, et envoyant un signal électrique proportionnel à la force exercée sur l'extrémité dudit palpeur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jauges d'extensométrie sont associées en un pont de Wheatstone alimenté en courant continu. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un contacteur activé lors du contact du palpeur avec la surface dudit objet. 5. DispxoRsitif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend un comparateur différentiel à seuil dont une entrée est alimentée par la tension électrique engendrée par le pont de jauges, et l'autre entrée par une tension de seuil de valeur réglable par un potentiel mètre reliant cette deuxième entrée à une source de tension fixe. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend trois moteurs de commande de la position du palpeur dans trois directions perpendiculaires OX, OY et OZ et des potentiomètres alimentés en cou rant continu, la tension aux bornes desdits potentiomètres étant proportionnelle aux coordonnées X, Y et Z dudit palpeur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un oscilloscope à écran fluorescent et à mémoire dont les plaques de déflexion horizontale sont attaquées par des tensions proportionnelles à la position OY du capteur et les plaques de déflexion verticale par des tensions proportionnelles à la position OZ du capteur et en ce que l'électrode Wehnelt est reliée et alimentée par le signal, provenant du comparateur différentiel à seuil, émis lors d'un contact du palpeur avec l'objet à détecter. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le palpeur est constitué par une tige cylindrique et de deux étriers en forme de U sur lesquels sont disposées les jauges de contrainte selon la configuration de la figure 4. 9. Procédé pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on dispose l'axe du palpeur selon une direction OZ, en ce qu'on déplace le palpeur selon cette direction OZ jusqu'à ce que le palpeur soit en contact avec l'objet dont on veut déterminer la forme, en ce qu'on envoie lors de ce contact un signal électrique agissant sur l'intensité d'un faisceau électronique arrivant sur l'écran d'un oscilloscope, les coordonnées du point d'impact du faisceau sur l'écran étant proportionnelles aux coordonnées, dans un plan YOZ, du capteur lors du contact, en ce qu'on déplace ensuite le palpeur selon OZ d'une quantité aZ puis en ce qu'on déplace le palpeur d'une quantité nY selon la direction OY perpendiculaire à OZ, puis selon l'axe OZ, jusqu'au nouveau contact du palpeur avec l'objet et en ce qu'on réitère le processus ensuite réalisant ainsi un balayage point par point de la section de l'objet dans le plan YOZ, en ce qu'on recommence ensuite la série de mesures et d'enregistrement dans des plans parallèles à YOZ d'abscisse ox, 2Ex...