Brevet FR2480463A1 — publié le 19811016

Appareil de reconnaissance de pie ces en vrac par corrélation optique La presente invention est relative à un appareil de reconnaissance de pièces en vrac par correlation optique. Le problème à resoudre est le suivant : il sagit d'automatiser l'alimentation d'une chaîne de montage en pinces tridimensionnelles qui sont prélevées successivement dans un conteneur dans lequel elles se présentent en vrac et enchevêtrées. Une fonction préliminaire consiste donc a reconnaître comment chacune de ces pièces se présente dans le conte- neur pour en faciliter la préhension On a déja pensez à avoir recours à l'holographie pour résoudre ce profil bleme mais le solutions suggérées jusqu'à présent n Vont pas permis d'atteindre le stade industriel. Une premiere méthode consiste à utiliser la déformation d'un signal lumineux due auz caractéristiques locales de relief de la pièce à l'im- pact du Faisceau lumineux. La déformation est ensuite reconnue par un processus de corrélation en sortie d'un ensemble de filtrage spatial avec des pinces pour lesquelles on a répertorié un ensemble de filtres hologrammes correspondant aux différentes orientations. Le codage lumi- neux approprié est obtenu par l'interposition sur le faisceau optique entre la source et la piece d'une grille aux caractéristiques appropriées.Cette méthode théorique est d'une mise en application particulibrement pénible du fait du grand nombre de filtres hologrammes qu'il convient de réaliser sitôt que la pince se complique un peu et que la quantité d'informations significatives apportées par chaque corrélation est limitée. Une telle méthode implique la mase en oeuvre de moyens informatiques treks importants non compatibles avec une exploitation industrielle en temps réel. Une autre méthode (D.O.S.20.64.246) propose une reconnaissance de formes seulement à partir d'une diapositive ou d'un cliché transparent, donc dans un processus statique à partir d'une donnee primaire, une diapo sitive purement bidimensionnelle. Elle ne convient donc pas pour effectuer une reconnaissance de forme en temps réel des composants d'un ensemble tridimensionnel, évolutif, constitué, par exemple, par le contenu de pièces en vrac dans un conteneur que l'on vide progressivement. Un appareil travaillant d'après une photographie d'un tas de pièces prise à un instant donné, donc en temps différé, ne convient pas non plus pour un système travaillant en temps réel et dans lequel les paramètres varient de façon continue. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients. Suivant l'invention, l'appareil de reconnaissance de pièces en vrac par corrélation est remarquable en ce qu'il comprend - des moyens pour obtenir une première image en lumière incohérente de la surface supérieure d'une caisse renfermant des pièces en vrac - des moyens pour obtenir une seconde image en lumière incohérente d'une pièce de référence séquentiellement observée sous tous ses angles de vue - des moyens pour réaliser à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de bismuth-silicium ou de bismuth-germanium équipé d'électrodes trans parentes entre lesquelles est appliquée une haute tension créant un champ électrique générateur de photoconductivité à l'intérieur dudit cristal, la corrélation optique de deux hologrammes correspondant respectivement auxdites première et deuxieme images modulant chacune une même source de lumière cohérente d'une première longueur d'onde, lesdits moyens comprenant, dans le cas de chaque image, la succession d'une valve optique et d'une lentille formant l'hologramme dans le plan dudit cristal - des moyens pour obtenir un faisceau de lumière cohérente d'une se conde longueur d'onde modulé par la corrélation des deux hologrammes à l'intérieur dudit cristal ; et, - des moyens pour mettre en évidence les pics de corrélation optique résultants. Suivant une première caractéristique de réalisation de l'invention, les moyens pour obtenir une première image comprennent un premier moniteur de télévision relié à une caméra dont l'axe coincide avec l'axe de symétrie vertical de la caisse. Suivant une seconde caractéristique de réalisation de 1 t invention,-les moyens pour obtenir une seconde image comprennent un second moniteur de télévision relié à un organe de mémorisation et de gestion des différentes vues de la pièce de référence, Suivant une troisième caractéristique importante de réalisation de l'invention, chaque valve optique comprend l'association d'un cristal d'oxyde de bismuth-silicium ou de bismuth-germanium, d'un cristal liquide nématique fonctionnant à température ambiante et d'électrodes transparentes enserrant ledit cristal d'oxyde et ledit cristal liquide. Suivant une quatrième caractéristique de réalisation de l'invention, à la source de lumière cohérente d'une première longueur d'onde est associé un polariseur et, à la sortie de chaque valve optique, est disposé un analyseur de polarisation. Suivant une cinquième caractéristique de réalisation de l'invention, les moyens pour obtenir un faisceau de lumière coherente d'une seconde longueur d'onde modulé par la corrélation des deux hologrammes comprennent une source laser, une lentille et un analyseur d'image dont la face d'entrée coïncide avec le plan de corrélation. Suivant une sixième caractéristique de réalisation de l'invention, les moyens pour mettre en évidence les pics de corrélation résultants comprennent, associé à la sortie dudit analyseur d'image ainsi qu'à l'organe de mémorisation et de gestion des différentes vues de la pièce de référence, un ensemble de circuits électroniques permettant simultanément la localisation rapide d'un pic de corrélation optique et la détermination de l'emplacement sur la surface du vrac de la pièce donnant cette corrélation optique. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui suit et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet, on se reportera aux dessins joints dans lesquels - la figure 1 illustre un mode de réalisation de l'appareil de recon naissance de pièces en vrac suivant l'invention - la figure 2 illustre un trièdre de référence et, - la figure 3 illustre un organigramme du cycle d'exploration pour dé tection des corrélations. En se reportant à la figure 1, un objet 01 est constitué par la face avant 40 d'un premier moniteur de télévision 10 qui est relié à une caméra 13 observant verticalement la face supérieure 18 d'une caisse 17 plus ou moins remplie de pièces en vrac réellement tridimensionnelles par opposition à des pièces plates ou pseudo-plates. Un objet 02 est constitué par la face avant 42 d'un second moniteur de télévision 12 identique au premier 10, face avant 42 sur laquelle apparaît une image d'une pièce de référence séquentiellement pbservée sous tous ses angles de vue. Dans ces conditions, les objets 01 et 2 apparaissent en lumière incohérente par excitation des couches photo-émissives des écrans 40 et 42 des moniteurs 10 et 12.Une première valve optique 33 est réalisée par l'association d'un monocristal d'oxyde de bismuth-silicium sensible à la longueur d'onde d'une première source 11 d'inscription en lumière cohérente et d'un cristal liquide nématique fonctionnant à la température ambiante, le tout enserré entre deux électrodes transparentes entre lesquelles est appliquée une tension continue élevée créant un champ électrique générateur de photoconductivité à l'intérieur du monocristal. Le monocristal d'oxyde de bismuth-silicium peut être remplacé par un monocristal d'oxyde de bismuth-germanium. Ladite première valve-optique 33 reçoit simultanément le faisceau de lumière incohérente en provenance de l'objet 01 et un faisceau de lumière cohérente issu de la source laser 11.Le faisceau de lumière cohérente issu de la source laser 11 traverse un polariseur 28 avant de tomber successivement sur un miroir semi-transparent 29, des miroirs réfléchissants parallèles successifs 27 et 31 et un miroir semi-transparent 26 à la traversée duquel il se superpose au faisceau de lumière incohérente en provenance de l'objet A A A la sortie de la première valve optique 33, on obtient un faisceau de lumière cohérente dont l'amplitude est modulée par le premier objet 01. D'u.ne manière analogue, une seconde valve optique 35 identique à la première 33 reçoit, d'une part, le faisceau de lumière incohérente en provenance de l'objet 02, d'autre part, le faisceau de lumière cohérente issu de la source laser 11.Le faisceau de lumière cohérente issu de la source laser 11, qui a traversé le polariseur 28, traverse successivement la lame semi transparente 29, tombe sur un miroir 30 sur lequel il se réfléchit, puis sur une lame semi-transparente 32 sur laquelle il se réfléchit à nouveau et à la sortie de laquelle il se superpose au faisceau de lumière incohérente en provenance de l'objet avent de tomber sur la seconde valve optique 35 A la sortie de la seconde valve optique 35, on obtient un faisceau de lumière cohérente dont l'amplitude est modulée par le second objet 02. Des lentilles 22 et 239 dont les plans focaux objets correspondent aux valves optiques 33 35 respectivement et dont les plans focaux images sont confondus dans le plan du monocristal 259 forment à l'intérieur de celuiuci les holograzmes superposés des objets 01 et 02. Le monocristal 25 est également du type oxyde de bismut.hesilicium ou oxyde de bismuth g.ermanims et son plan est donc confondu avec les plans focaux images des lentilles 22 et 23.On obtient ainsi la corrélation entre les holo granules des objets 01 et O,. 2 Un second faisceau laser issu d'une source 19, de fréquence différente de celle de la premiers source 11, illumine et se réfléchit sur le monocristal 25 d'oxyde de bismuth-silicium. Pour la commodité, on peut supposer que ce second faisceau de lumière cohérente s'est réfléchi en cours de chemin sur un miroir 37. Son amplitude est modulée par les hologrammes présents dans le monocristal 25. Dans le plan focal d'une lentille 24 placée sur le faisceau réfléchi 38, on obtient la corrélation des images des objets 01 et 02. Pour profiter de l'effet des cristaux liquides contenus dans les valves optiques 33 et 35, on travaille en lumière polarisée, ce qui explique la présence d'un polariseur 28 en amont et d'un analyseur 34, 36 en aval de chaque valve optique 33, 35. Les coordonnées d'un pic de corrélation relevées dans le plan de co rélation, par exemple au moyen d'une caméra de télévision 14, défi nissent les coordonnées à la surface 18 du vrac d'une pièce dont l'orientation spatiale est celle, ou très voisine de celle, de la pièce de référence apparaissant au même instant en 02 sur l'écran 42. L'objet de référence 02, apparaissant sur l'écran 42 du deuxième moniteur 12 de télévision, peut être obtenu à partir d'un stockage du 16 avec adresse sur vidéo-disque, mémoire morte ou tout autre support, y compris bande magnétique. Le choix dépend de contingences industrielles telles que l'usure du support de stockage et le temps d'accès avec adressage compatible avec le processus.L'incrément minimal de temps pour le traitement d'une vue est de l'ordre de 80 ms avec une mémoire morte à accès aléatoire ou un vidéo-disque lu séquentiellement. Ainsi, la durée opératoire dépend de l'incrément de temps par vue et de la sophistication des algorithmes de recherche des corrélations, exploration séquentielle ou optimalisée, de l'unité de calcul pilotant le processus. l'appareil de reconnaissance de pièces suivant l'invention présente les avantages suivants : il permet une reconnaissance de pièces vraiment tridimensionnelles. Il permet une séparation, par plusieurs dizaines de mètres de câble, entre le poste de travail en atelier 17 au-dessus duquel est fixée la caméra de télévision 13 observant la caisse 17 et l'appareil de reconnaissance proprement dit qui peut être dans une enceinte fermée. Il n'y a pas de faisceau laser dans l'atelier. La caméra 13 fonctionne en lumière incohérente. On utilise un montage optique dont les composants sont usuels : caméras et moniteurs de télévision, lentilles, sources laser ou assez bon marché dans le cas des valves optiques et les monocristaux d'oxyde de bismuth-silicium. Il n'y a aucune exigence d'alignement de pièces mobiles.La résolution spatiale angulaire est uniquement fonction de la durée opératoire admissible. Il y a intérêt à prétraiter les signaux vidéo apparaissant sur les moniteurs optiques en partant du principe en s'appuyant sur la figure 2. Soit CA un axe passant par le centre de gravité G d'une piece et le point A appartenant également à cette pièce. L'orientation de cet axe est définipar rapport à un système fixe d'axes rectangulaires Gxyz par les angles : # = Gz, GA. =Cx, Ga dans lesquelles Ca est la projection de CA sur le plan défini par et Cy. Un angle de vue de la pièce est caractérisé par l'orientation# de la pièce autour de l'axe CA Ainsi, un angle de vue est entièrement défini par les angles # ;# et # Par ailleurs, a'expérience montre que l'intensité de la réponse, ou pic, de corrélation I pour une pièce observé; suivant une direction GB, B étant le point d'observation, devient inférieure à une valeur S pour toute direction GB telle que|GB, GB'| > #. Ainsi, il y a réponse à l'intérieur d'un cône d'axe GB et de demiangle au sommet Le nombre, à la surface d'une sphère de surfaces élémentaires définies par l'intersection de cette sphère avec une pyramide régulière dont le sommet est au centre de la sphère et dont la base est le carré inscrit dans le cercle limitant une calotte de demi-angle vaut avec # exprimé en degrés Le nombre de plages d'orientation autour de GB est 180 ctest-à-dire, au total, une exploration complète nécessite 2625322 opérations d'analyse, avec exprimé en degrés. a La durée de traitement par an/lyse se décompose, par exemple, en : - adressage : 4 ms, - inscription de 02 sur le moniteur : 20 ms, - formation de l'hologramme : 20 ms, - analyse corrélation : 20 ms, - traitement corrélation : 6 ms, soit au total 80 ms dans le cas considéré. En raison de la valeur totale de la durée d'analyse, il y a intérêt a réduire le nombre d'analyses dans chaque cycle d'exploration. Si à la vue de 02 correspondant autourde 2 à une orientation ≈CA, on superpose les vues de O2 correspondant aux orientations ( # - 2 E ) et ( # + 2 ), le nombre total d'analyses est divisé par trois. Cela nécessite que l'outil de préhension présente une plage de préhension de + et - 3 # autour de la direction spatiale qui lui est désignée. Dans le cas où = 7,50, le nombre nécessaire d'analyses est de 2 202, ce qui nécessite un temps de 176 s, soit 2'rv 54 s. Si l'on admet qu'une exploration complète met en évidence, de façon aleatoire dans le temps, de quinze à trente pièces pouvant être prises par l'ou- til, cette cadence est industriellement satisfaisante. On décrit rapidement à présent le cycle d'exploration suivi pour la détection des corrélations à l'aide de l'organigramme de la figure 3. On part de l'initialisation 100 du cycle d'exploration pour certaines valeurs +0 t0 et de # # et # . Dès qu'une corrélation est détectée, c'est-à-dire I > S, les valeurs correspondantes # #, #, x et y qui définissent entièrement les ordres pour un manipulateur chargé de la préhension des pièces sont stockées en temps réel en mémoire en 16 à la figure 1, et cela sans interruption de ltexplo- ration, sauf pendant l'occultation de la caméra 13 par le bras du manipulateur ; de la sorte, on dispose en mémoire d'un lot de données correspondant à plusieurs pièces en attente de préhension.Le cycle d'exploration effectue plusieurs itérations sur lui-même jusqu'à ce qu'aucune corrélation n'ait été détectée au cours du dernier cycle complet ; d'ailleurs, pour les dernieres pièces au fond de la caisse 17, le cycle est réduit augseules positions stables de chacune de ces dernières. Revenant à la figure 3, après initialisation 100, on passe à la phase 101 au cours de laquelle on mesure la hauteur Z du tas de pièces dans la caisse 17. Z correspond au cas ou les quelques pièces restantes m reposent sur le fond de la caisse 17. La hauteur Z est mesurée par un capteur spécial.Si Z = Z , on passe en cycle court 105 tandis que si Z est différent de Zm, ce qui est le cas général, on passe en cycle normal 103 et on parvient de ce fait à la phase d'adressage 102 correspondant à une orientation GA définie par ces coordonnées angulaires De là, on passe à la phase d'exploration active 104 durant laquelle on effectue les opérations suivantes - la vue 02 définie par ses coordonnées est projetée, la mesure de l'intensité I du pic de corrélation est effectuée, - on compare l'intensité I à une valeur de référence Si l'on constate que I est supérieur à I0, on passe à l'étape 108 qui consiste a mettre en mémoire les coordonnées correspondantes x x et y.Dans le cas contraire, on fait l'impasse sur la phase de mémorisation et l'on passe directement à l'étape 120 au cours de laquelle on compare l'indice i de e à sa valeur maximale imax Si i n'est pas égal à imax, on passe à l'étape 121 au cours de laquelle on transforme #i en #i + l et l'on retourne à la phase d'adresse 102 pour reprendre le processus précédent avec cette nouvelle valeur de Si i = imax on passe de l'étape 120 à l'étape 122 au cours de laquelle on compare l'indice j de # à se valeur maximale j .Si j n'est pas égal à jmax, on passe à l'tape 123 au cours de laquelle on transforme #j en #j+1 et l'on retourne de là à la phase d'adresse 102 pour reprendre e processus précédent avec cette nouvelle valeur de Si j = jmax, on passe de l'étape 122 à l'étape 124 pour examiner si l'on est en cycle normal. Si la réponse est OUI, on passe à l'étape 127 au cours de laquelle on compare l'indice k de # à sa valeur maximale kmax. Si k n'est pas égal à kmax, on passe à l'étape 128 au cours de laquelle on transforme # k en # k + 1 et l'on retourne de là à la phase d'adresse 102 pour reprendre le processus précédemment expose avec cette nouvelle valeur de # .Si k = k , on passe à l'étape 110 pour vérifier si le nombre de corrélations détectées pendant le cycle en cours est ou n'est pas différent de zéro. Si ce nombre est égal à zéro, cela signifie que le cycle est terminé et l'on passe à l'étape 116 correspondant à la fin du processus, sinon on revient à l'étape 100 d'initialisation pour recommencer totalement le cycle d'exploration et de détection des corrélations optiques. Au cours de l'étape 124, si l'on constate que l'on n'est pas en cycle normal, on passe à l'étape 125 au cours de laquelle on compare S à n nombre de faces stables de chaque pièce. Si l'on constate une égalité, on passe immédiatement à l'étape 110 déjà rencontrée pour vérifier si le nombre de corrélations détectées pendant le cycle en cours est, oui ou non, égal à zéro.A l'étape 125, si l'on constate que S est différent de n, on passe à l'étape 126 au cours de laquelle on transforme angle correspondant à la face stable S d'une pièce supposée avoir n faces stables, en f S + 1 correspondant à la face stable suivante et lton retourne de là à la phase d'adressage 102 pour reprendre la totalité du processus précédemment exposé avec cette nouvelle valeur de Quand on se trouve a l'étape 110 pour vérifier le nombre de corréla tions N détectées pendant le cycle en cours, si l'on constate que ce c nombre est nul, on passe à l'étape 116 correspondant à la fin du cycle d'exploration séquentielle de pièces en vrac, Dans le cas contraire, on repasse à la phase d'initialisation 100 à partir de laquelle on ramène à zéro le nombre Nc de corrélations dans 106 par la liaison 112. REVENDICATIONS 1. Appareil de reconnaissance de pièces en vrac par corrélation optique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour obtenir une première image en lumière incohérente de la surface supérieure d'une caisse renfermant des pièces en vrac - des moyens pour obtenir une seconde image en lumière incohérente d'une pièce de référence séquentiellement observée sous tous ses angles de vue - des moyens pour réaliser à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de bismuth-silicium ou de bismuth-germanium équipé d'électrodes trans parentes entre lesquelles est appliquée une haute tension créant un champ électrique générateur de photoconductivité à l'intérieur dudit cristal, la corrélation optique de deux hologrammes correspondant respectivement auxdites première et deuxième images modulant chacune une mème source de lumière cohérente d'une première longueur d'onde, lesdits moyens comprenant dans le cas de chaque image la succession d'une valve optique et d'une lentille formant l'hologramme dans le plan dudit cristal - des moyens pour obtenir un faisceau de lumière cohérente d'une se conde longueur d'onde modulé par la corrélation des deux hologrammes à l'intérieur dudit cristal ; et, - des moyens pour mettre en évidence les pics de corrélation optique résultants. 2. Appareil de reconnaissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir une première image comprennent un premier moniteur de télévision relié à une caméra dont l'axe coincide avec l'axe de symétrie vertical de la caisse 3. Appareil de reconnaissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir une seconde image comprennent un second moniteur de télévision relié à un organe de mémorisation et de gestion des différentes vues de la pièce de référence, 4.Appareil de reconnaissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque valve optique comprend l'association d'un cristal d'oxyde de bismuth-silicium oxyde bismuth-germanium sensible à la longueur d'onde de la source d'inscription en lumière cohérente de ladite première longueur d'onde, d'un cristal liquide nématique fonctionnant à température ambiante et d'électrodes transparentes enserrant ledit cristal d'oxyde et ledit cristal liquide. 5. Appareil de reconnaissance suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'à la source de lumière cohérente d'une première longueur d'onde est associé un polariseur et qu'à la sortie de chaque valve optique est disposé un analyseur de polarisation. 6. Appareil de reconnaissance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour obtenir un faisceau de lumière cohérente d'une seconde longueur d'onde modulé par la corrélation des deux hologrammes comprennent une source laser, une lentille et un analyseur d'image dont la face d'entrée coïncide avec le plan de corrélation. 7. Appareil de reconnaissance suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour mettre en évidence les pics de corrélation résultants comprennent, associé à la sortie dudit analyseur d'image ainsi qu'à l'organe de mémorisation et de gestion des différentes vues de la pièce de référence, un ensemble de circuits électroniques permettant simultanément la localisation rapide d'un pic de corrélation optique et la détermination de l'emplacement sur la surface du vrac de la pièce donnant cette corrélation optique. ABRECE DESCRIPTIF Appareil de reconnaissance de pièces en vrac par corrélation optique Une caméra (13) observe la surface supérieure (18) d'une caisse (17) contenant des pièces en vrac et forme une image (O1) sur l'écran d'un premier moniteur T5t (10). On forme simultanément l'image (02) sur l'écran d'un second moniteur TV (12) d'une pièce de référence. On forme les holograaBes des images O1 et 02 sur un cristal de bismuth-silicium (25) par l'intermédiaire de deux valves optiques (339 35). On éclaire le cristal de bismuth-silicium t25) en lumière cohérente à partir d'une source (19) et le faisceau lu"Jneux correspondant est modulé par la corrélation tas deux hologrammes à l'intérieur dudit cristal (25). On met en évidence (14, 15) les pies de corrélation correspondants. (Se reporte-r a la figure 1).