Brevet FR2508160A1 — publié le 19821224

Dispositif pour déterminer la position d'un objet La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la position d'un objet et plus particulièrement un dispositif pour mesurer la position d'un objet situé à distance relativement courte du dispositif. On connaît un dispositif pour déterminer la position d'un objetcomportant un générateur d'un faisceau lumineux dirigé suivant un axe d'émission et un récepteur photoélectrique muni d'un système optique de réception de façon à présenter un champ de réception autour d'un axe de réception L'axe d'émission coupe l'axe de récep- tion à distance relativement courte du dispositif, de façon à définir un volume commun au faisceau lumineux et au champ de récep- tion. Lorsqu'on déplace un objet en l'éloignant du dispositif de manière qu'il traverse le volume commun, le récepteur délivre un signal électrique qui croit d'abord, passe par un maximum lorsque l'objet est au point de concours entre l'axe d'émission et l'axe de réception, puis décroît Ce point de concours est à une distance bien définie du dispositif L'instant o le signal de réception passe par un maximum correspond donc au passage de l'objet à cette distance. Le dispositif décrit ci-dessus présente des inconvénients En effet, il n'est pas capable d'effectuer une mesure immédiate pour une valeur fixe de la distance entre l'objet et le dispositif Pour effectuer une mesure, il est nécessaire d'effectuer un balayage op- tique qui peut être réalisé en pratique par exemple par un dépla- cement du dispositif (ou d'une partie de ce dispositif) par rapport à l'objet Il en résulte alors une complication importante du dispo- sitif. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet un dispositif pour déter- miner la position d'un objet, comportant un générateur lumineux-capable d'émettre un faisceau suivant un axe d'émission pour éclairer une surface dudit objet, un récepteur photoélectrique, un système optique convergent de mesure ayant un champ de réception -2 - présentant un volume commun avec le faisceau, ce système optique étant apte à former sur le récepteur l'image d'au moins une portion de ladite surface éclairée de manière qu'une partie de la lumière du faisceau soit diffusée par ladite portion de surface vers le récep- teur lorsque l'objet traverse le volume commun et des moyens de traitement des signaux électriques délivrés par le récepteur en réponse à une illumination par la lumière diffusée caractérisé en ce que le récepteur comporte au moins deux détecteurs photoélec- triques de mesure dont les surfaces de réception sont disposées suivant une droite coupant l'axe optique d'émission, ces deux détec- teurs de mesure recevant la lumière diffusée à travers le sytème optique de mesure dans deux champs de réception se recouvrant par- tiellement dans le volume commun, de manière que lorsqu'un détecteur de mesure délivre un signal électrique maximum l'autre détecteur de mesure délivre un signal électrique minimum, le champ de réception total du récepteur comportant ainsi, lorsque l'objet se déplace à travers le volume commun d'une distance minimale à une distance maximale du dispositif, successivement une première zone dans laquelle seul un premier détecteur de mesure délivre un signal élec- trique, une deuxième zone dans laquelle les deux détecteurs de mesure délivrent chacun un signal électrique, et une troisième zone dans laquelle seul le dernier détecteur de mesure délivre un signal électrique, la mesure étant effectuée par le premier détecteur de mesure lorsque l'objet se trouve dans la première zone et par le deuxième détecteur de mesure lorsque l'objet se trouve dans la deuxième zone, aucune mesure n'étant aucune mesure n'étant effectuée lorsque l'objet se trouve dans la troisième zone, en ce qu'il comporte en outre un détecteur photoélectrique de contrôle dont la surface de réception est disposée à proximité du récepteur, et un système optique de contrôle apte à former sur le détecteur de contrôle l'image de la surface éclairée de l'objet, ce détecteur de contrôle présentant un champ de réception contenant la totalité de cette surface éclairée quelle que soit la position de l'objet traversant le volume commun, le détecteur de contrôle déli- -3- vrant ainsi un signal électrique représentatif de la puissance totale diffusée par l'objet et en ce que lesdits moyens de traitement des signaux électriques délivrés par le récepteur comportent un circuit logique relié aux sorties électriques des détecteurs de mesure pour déterminer, à partir des signaux délivrés par ces détec- teurs, dans laquelle des trois zones se trouve l'objet dont la dis- tance est à mesurer, cette détermination permettant de désigner le détecteur de mesure effectuant la mesure, un circuit diviseur relié au circuit logique et à la sortie élec- trique du détecteur de contr 8 le, ce circuit diviseur étant apte à déterminer le rapport entre l'amplitude du signal électrique délivré par le détecteur de mesure désigné pour effectuer la mesure, et l'amplitude du signal électrique délivré par le détecteur de contr 6 le et un circuit de calcul capable de déterminer à partir du rapport mesuré la distance entre l'objet et le dispositif. Plusieurs formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement une partie d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 2 représente schématiquement l'autre partie de ce mode de réalisation, la figure 3 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dis- positif représenté sur les figures 1 et 2 et la figure 4 est une vue dans l'espace d'un autre mode de réali- sation du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 est représenté un boîtier 1 dans lequel est disposé une source de courant électrique 2 dont la sortie est reliée, à travers un circuit de modulation 3, à l'entrée d'un généra- teur lumineux constitué par exemple par une diode électrolumi- nescente 4 Un système optique de couplage 5 comportant deux lentilles est disposé de manière à former l'image de la surface d'émission de la diode 4 sur une face extrême 6 d'une fibre 4 - optique F 1 sortant du bottier 1 Quatre autres fibres optiques F 2, F 3, F 4 et F 5 aboutissent au bottier 1 Des systèmes optiques de couplage 7, 8, 9 et 10, analogues au sytème optique 5, forment l'image des faces extrêmes 11, 12, 13 et 14 de ces fibres respecti- vement sur les surfaces sensibles de quatre détecteurs photoélec- triques constitués par des photodiodes 15, 16, 17 et 18 La sortie électrique de la photodiode 15 est reliée à une entrée d'un circuit diviseur 19 à travers un filtre électrique 20 et un amplificateur 21 La sortie électrique de la photodiode 16 est reliée à une entrée 22 d'un circuit logique 23 à travers un filtre 24 et un amplificateur 25 De même, les sorties électriques des photodiodes 17 et 18 sont reliées à deux autres entrées 26 et 27 du circuit 23 respectivement à travers d'une part un filtre 28 et un amplificateur 29, et d'autre part un filtre 30 et un amplifica- teur 31 La sortie du circuit logique 23 est reliée à l'autre entrée du circuit diviseur 19 dont la sortie est connectée à un circuit de calcul 32. Les extrémités des fibres optiques F 1, F 2, F 3, F 4 et F 5, oppo- sées aux faces 6, 11, 12, 13 et 14, aboutissent dans un boltier 33 montré sur la figure 2 Dans le bottier 33, un système optique d'émission constitué par une lentille convergente 34 centrée sur un axe d'émission 35 est disposée devant la face extrême de sortie de la fibre F 1 Un système optique de contrôle constitué par une lentille 36 centrée sur un axe 37 est disposé devant la face d'entrée 38 de la fibre optique F 2 Un système optique de mesure constitué par une lentille 39 est disposé devant les faces d'entrée 40, 41 et 42 des trois fibres F 3, F 4 et F 5 Les faces 40, 41 et 42 sont disposées l'une à cté de l'autre sur une même droite 43 coupant l'axe d'émission 35 Le système optique 39 définit avec les faces-40, 41 et 42 trois axes de réception 44, 45 et 46. La face 38 de la fibre F 2 est disposée à proximité des faces 40, 41 et 42 des fibres F 3, F 4 et F 5 Les axes 35, 37, 44, 45 et 46 sont de préférence situés dans un même plan Comme illustré sur la figure 2 l'axe 37 passe par le point de concours entre l'axe d'émission 35 et l'axe moyen de mesure illustré sensiblement par -5 - l'axe 45, l'axe 37 étant disposé perpendiculairement au bord extrême 51 du boîtier 33, dans l'angle aigu formé par les axes 35 et 45. Le dispositif illustré par les figures 1 et 2 fonctionne de la manière suivante. La diode électroluminescente 4 émet un faisceau lumineux 47 dont l'intensité est modulée en signaux carrés à une fréquence f par le circuit de modulation 3 Ce faisceau est concentré par le système optique 5 sur la face d'entrée 6 de la fibre optique F 1 Celle-ci transmet l'énergie lumineuse vers sa face de sortie située dans le bo 5 tier 33 Cette énergie est collectée à la sortie de la fibre F 1 par la lentille 34 qui délivre un faisceau (non représenté) centré sur l'axe 35, de divergence relativement faible et de diamètre à peu près constant. La lentille 39 définit avec l'entrée des fibres F 3, F 4 et F 5 respectivement trois champs optiques de réception centrés autour des axes 44, 45 et 46, ces champs présentant chacun un volume commun avec le faisceau d'émission sortant de la lentille 34 Lorsqu'un objet est situé dans le volume commun au faisceau d'émission et au champ de réception de l'une des fibres, celle-ci reçoit un signal lumineux provenant de la réflexion diffuse sur l'objet d'une partie de l'énergie du faisceau d'émission illuminant l'objet Les signaux lumineux sont transmis par les fibres F 3, F 4 et F 5 et les systèmes optiques 8, 9 et 10 sur la surface sensible des photodiodes 16, 17 et 13. La lentille 36 définit avec l'entrée de la fibre optique F 2 un champ de réception centré autour de l'axe 37 Ce champ de réception est assez vaste pour contenir la totalité de la surface de l'objet illuminée par le faisceau d'émission, quelle que soit la position de l'objet dans le volume commun émission-réception La face d'entrée 38 de la fibre F 2 reçoit donc un signal lumineux dont l'am- plitude est représentative de la puissance totale d'émission compte tenu de l'albédo de l'objet Ce signal lumineux est transmis par la fibre F 2 sur la surface sensible de la photodiode de contrôle 15. Les faces d'entrée 40, 41 et 42 des fibres optiques F 3, F 4, F 5 6 - sont disposées l'une à côté de l'autre sur la droite 43 de manière que les trois champs optiques de réception centrés sur les axes 44, -7- La détermination de la distance de l'objet est fondée sur la mesure analogique du signal électrique délivré par une des photo- diodes 16, 17 et 18. Il est donc nécessaire pour déterminer la distance de désigner dans chaque cas celle de ces trois photodiodes qui doit effectuer la mesure: on convient que la mesure est effectuée par la photo- diode 18 lorsque l'objet est situé dans la zone OA, par la photo- diode 17 lorsque l'objet est dans la zone AB, et par la photodiode 16 lorsque l'objet est situé dans la zone BC, aucune mesure n'étant effectuée lorsque l'objet est situé dans la zone CD: la mesure est ainsi toujours effectuée sur la partie montante des courbes de signaux, ce qui permet d'éliminer toute ambiguïté et d'améliorer la précision de mesure, car cette partie montante a toujours une pente plus forte que la partie descendante. Le circuit logique 23 qui reçoit les signaux filtrés et ampli- fiés des trois photodiodes de mesure permet de déterminer simplement la zone dans laquelle se trouve l'objet dont la distance est à mesurer En effet, la présence d'un seul signal à l'entrée 27 du circuit 23 indique que l'objet se trouve dans la zone OA, la pré- sence simultanée de deux signaux sur les entrées 27 et 26 indique que l'objet se trouve dans la zone AB, la présence simultanée de deux signaux sur les entrées 26 et 22 indique que l'objet se trouve dans la zone BC, et la présence d'un seul signal sur l'entrée 22 indique que l'objet se trouve dans la zone CD. Il y a lieu de noter que les filtres 20, 24, 28 et 30 sont des filtres passe-bande centrés sur la fréquence f de modulation des signaux optiques d'émission Ces filtres permettent-d'éliminer les bruits optiques qui pourraient provenir de la lumière ambiante. Le signal électrique délivré par la photodiode de contrôle 15 est proportionnel à la puissance lumineuse totale diffusée par l'objet: elle tient compte de la puissance du faisceau d'émission corrigé par le coefficient de réflexion diffuse ou albédo de l'objet. Le circuit diviseur 19 effectue le rapport entre l'amplitude du signal délivré par la photodiode de mesure désignée par le 8 2508160 circuit 23 et l'amplitude du signal délivré par la photodiode de contrôle. La valeur de ce rapport est égale au rapport entre d'une part la surface de l'objet commune au faisceau et au champ de réception des photodiodes de mesure, et d'autre part la surface totale de l'objet illuminée par le faisceau d'émission Ce dernier rapport est lui- même représentatif de la position de l'objet dans la zone consi- dérée En première approximation, il suffit de diviser la largeur de la zone OA, AB ou BC dans laquelle se trouve l'objet proportionnel- lement au rapport mesuré par le circuit 19, une mesure plus précise pouvant être obtenue par un étalonnage préalable de l'appareil Le circuit de calcul 32 permet d'effectuer les opérations nécessaires pour délivrer un signal de sortie représentatif de la distance de l'objet comptée suivant l'axe de contrôle 37. Le dispositif selon la présente invention peut être appliqué notamment, dans le domaine de la robotique, à la mesure de la distance entre une pince de préhension mobile et un objet à saisir, le dispositif étant capable de délivrer un signal lorsque la pince se trouve à une distance prédéterminée de l'objet, de façon à déclen- cher à cet instant un système automatique de préhension Dans ce cas, on dispose sur la pince le bottier 33 particulièrement léger et compact, le bottier 1 restant fixe et relié au bottier mobile 33 par les fibres souples F 1 à F 5. Mais bien entendu, il est possible aussi de réaliser un dispo- sitif de mesure selon l'invention ne comportant qu'un seul bottier, dans lequel les fibres optiques et les systèmes optiques de couplage seraient supprimés, la diode électroluminescente et les photodiodes étant alors disposées directement, respectivement devant le système optique d'émission et les systèmes optiques de contrôle et de mesure. A titre indicatif, il est possible de réaliser un dispositif selon l'invention, du type de celui représenté sur les figures 1 et 2, capable de mesurer des distances d'objets situés dans une plage comprise entre 70 et 90 mm du dispositif, avec une précision de mesure de l'ordre de 0,1 millimètre. -9- Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'inven- tion remplacer certains moyens techniques par des moyens équiva- lents. C'est ainsi que le nombre des détecteurs de mesure n'est pas limité à trois, mais il est au moins égal à deux. D'autre part, il est possible de réaliser un appareil compre- nant plusieurs sous-ensembles identiques au dispositif représenté sur les figures 1 et 2 A titre illustratif, la figure 4 représente un appareil comprenant un bottier fixe 52 connecté à un bottier mobile 53 par un faisceau de fibres optiques 54 Sur une face 66 du bottier mobile 53, sont disposées trois rangées superposées 55, 56 et 57 de systèmes optiques Sur la rangée supérieure 57 on trouve successivement un système optique d'émission 58, un système optique de contrôle 59 et un système optique de mesure 60, ces éléments faisant partie d'un premier sous-ensemble identique à celui repré- senté sur les figures 1 et 2 Les autres éléments de ce premier sous- ensemble sont séparés en deux groupes disposés dans la partie supé- rieure des bottiers 52 et 53, ces deux groupes étant connectés entre eux par cinq fibres optiques 61, 62, 63, 64 et 65 analogues aux fibres F 1 à F 5 du dispositif illustré par les figures 1 et 2 L'ap- pareil comporte en outre deux autres sous-ensembles identiques au premier et disposés respectivement dans les parties médiane et infé- rieure des bottiers 52 et 53, les systèmes optiques d'émission et de réception de ces deux sous-ensembles étant alignés respectivement sur les rangées 56 et 57 de la face 66 du bottier 53. Un tel appareil permet de mesurer la distance de trois points d'un même objet, ce qui peut être utile lorsque l'objet à une forme irrégulière. REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour déterminer la position d'un objet, comportant un générateur lumineux capable d'émettre un faisceau suivant un axe d'émission pour éclairer une surface dudit objet, un récepteur photoélectrique, un système optique convergent de mesure ayant un champ de réception présentant un volume commun avec le faisceau, ce système optique étant apte à former sur le récepteur l'image d'au moins une portion de ladite surface éclairée de manière qu'une partie de la lumière du faisceau soit diffusée par ladite portion de surface vers le récep- teur lorsque l'objet traverse le volume commun et des moyens de traitement des signaux électriques délivrés par le récepteur en réponse à une illumination par la lumière diffusée, caractéri 4 é en ce que /le récepteur comporte au moins deux détecteurs photoélectriquesde mesure ( 18, 17, 16, F 5, F 4, F,) dont les surfaces de réception ( 42, 41, 40) sont disposées suivant une droite ( 43) coupant l'axe optique d'émission ( 35), ces deux détecteurs de mesure recevant la lumière diffusée à travers le sytème optique de mesure ( 39) dans deux champs de réception se recouvrant partiellement dans le volume commun, de manière que lorsqu'un détecteur de mesure délivre un signal élec- trique maximum l'autre détecteur de mesure délivre un signal élec- trique minimum, le champ de réception total du récepteur comportant ainsi, lorsque l'objet se déplace à travers le volume commun d'une distance minimale à une distance maximale du dispositif, successi- vement une première zone (OA) dans laquelle seul un premier détec- teur de mesure ( 18) délivre un signal électrique, une deuxième zone (AB) dans laquelle les deux détecteurs de mesure délivrent cha- cun un signal électrique, et une troisième zone (CD) dans laquelle seul le dernier détecteur de mesure ( 16) délivre un signal élec- trique, la mesure étant effectuée par le premier détecteur de mesure ( 18) lorsque l'objet se trouve dans la première zone et par le deuxième détecteur de mesure ( 17) lorsque l'objet se trouve dans la deuxième zone, aucune mesure n'étant effectuée lorsque l'objet se trouve dans la troisième zone, en ce qu'il comporte en outre un détecteur photoélectrique de contrôle ( 15, F 2) dont la surface de réception ( 38) est disposée à proximité de celle du récepteur, et un système optique de contrôle ( 36) apte à former sur le détecteur de contrôle l'image de la surface éclairée de l'objet, ce détecteur de contrôle présentant un champ de réception contenant la totalité de cette surface éclairée quelle que soit la position de l'objet traversant le volume commun, le détecteur de contrôle délivrant ainsi un signal élec- trique représentatif de la puissance totale diffusée par l'objet et en ce que lesdits moyens de traitement des signaux électriques délivrés par le récepteur comportent un circuit logique ( 23) relié aux sorties électriques des détec- teurs de mesure pour déterminer, à partir des signaux délivrés par ces détecteurs, dans laquelle des trois zones se trouve l'objet dont la distance est à mesurer, cette détermination permettant de dési- gner le détecteur de mesure effectuant la mesure, un circuit diviseur ( 19) relié au circuit logique et à la sortie électrique du détecteur de contrôle, ce circuit diviseur étant apte à déterminer le rapport entre l'amplitude du signal électrique déli- vré par le détecteur de mesure désigné pour effectuer la mesure, et l'amplitude du signal électrique délivré par le détecteur de contrôle et un circuit de calcul ( 32) capable de déterminer à partir du rapport mesuré la distance entre l'objet et le dispositif. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur comporte un émetteur lumineux ( 4), un premier sys- tème optique de couplage ( 5) reliant la sortie de l'émetteur à une première extrémité d'une première fibre optique (F 1), et un système optique d'émission ( 34) disposé à la deuxième extrémité de la pre- mière fibre optique pour délivrer ledit faisceau le détecteur de contrôle comporte une cellule photoélectrique de contrôle ( 15), un deuxième système optique de couplage ( 7) reliant la surface sensible du détecteur de contrôle à une première extré- mité d'une deuxième fibre optique (F 2), ledit système optique de contrôle étant disposé à la deuxième extrémité de la deuxième fibre 12 - optique, le premier détecteur de mesure comporte une première cellule pho- toélectrique de mesure ( 18), un troisième système optique de cou- plage ( 10) reliant la surface sensible de la première cellule photo- électrique de mesure à une première extrémité d'une troisième fibre optique (F 5), le deuxième détecteur de mesure, comporte une deuxième cellule photoélectrique de mesure ( 17), un quatrième système optique de cou- plage ( 9) reliant la surface sensible de la deuxième cellule photoé- lectrique de mesure à une première extrémité d'une quatrième fibre optique (F 4), les deuxièmes extrémités des troisième et quatrième fibres optiques étant disposées suivant ladite droite ( 43), les systèmes optiques d'émission de contrôle et de mesure ainsi que les deuxièmes extrémités des première, deuxième, troisième et qua- trième fibres optiques étant disposés dans un premier bottier ( 33), le circuit de calcul, le circuit diviseur, le circuit logique, l'émetteur lumineux, les cellules photoélectriques de mesure et de contrôle, les premier, deuxième, troisième et quatrième systèmes optiques de couplage ainsi que les premières extrémités des pre- mière, deuxième, troisième et quatrième fibres optiques étant dis- posés dans un deuxième bottier ( 1) relié au premier bottier ( 33) par lesdites première, deuxième, troisième et quatrième fibres optiques. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens ( 3) pour moduler à une fréquence fixe l'intensité du faisceau émis par le générateur lumineux et trois filtres électrique passe-bande, centrés sur la fréquence fixe, un premier filtre ( 20) étant branché entre la sortie élec- trique du détecteur de contrôle et le circuit diviseur, un deuxième filtre ( 30) étant branché entre la sortie électrique du premier détecteur de mesure et le circuit logique, et un troisième filtre ( 28) étant branché entre la sortie électrique du deuxième détecteur de mesure et le circuit logique. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur lumineux est une diode électroluminescente ( 4). 13 - / Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cellules photoélectriques ( 15 à 18) sont des photodiodes.