Brevet FR2846413A1 — publié le 20040430

DISPOSITIF DE NUMERISATION SANS CONTACT D'UN OBJET EN 3 DIMENSIONS La présente invention concerne un dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions. On peut bien sr concevoir en dessin assisté par ordinateur un objet en trois dimensions mais il existe aussi des objets en trois dimensions déjà réalisés dont 5 il est nécessaire de prendre l'ensemble des mesures de façon à reconstituer une forme volumique. On peut prévoir un palpeur qui est relié à des capteurs en sorte d'enregistrer les déplacements et d'en déduire, par un ensemble de points, la forme volumique. Néanmoins, soit l'objet peut être trop complexe avec des points en contre10 dépouille interdisant l'usage d'un palpeur, soit l'objet est trop fragile pour qu'un palpeur puisse être déplacé à la surface dudit objet, soit encore la précision mécanique de la mesure n'est pas compatible avec le résultat recherché. L'objet de la présente invention est un dispositif permettant de numériser une surface d'un objet en trois dimensions sans contact. Le dispositif permet en un outil unique de disposer d'un moyen de mesure en 3b, autonome, fiable et dont la mise en oeuvre est simple et immédiate. On trouve en effet réunis dans ce seul outil des moyens de mesure sans contact et des moyens de repérage spatial. Le présent dispositif est maintenant décrit en détail selon un mode de 20 réalisation particulier, non limitatif, en regard des dessins sur lesquels les différentes figures représentent: - figure 1, une vue d'un schéma de principe du dispositif selon la présente invention, et - figure 2, une vue de détail d'un synoptique de fonctionnement et de traitement des informations acquises. Le dispositif doit reposer sur un support 10 parfaitement stable tel qu'un trépied ou de préférence un marbre. Ce dispositif comprend une embase 12 reposant sur le support et liée à lui de façon à obtenir une immobilisation totale. Cette embase est surmontée d'un bras 14 articulé comportant au moins 2 10 éléments 16, 18. En l'occurrence, le bras 14 comprend quatre éléments 16, 18, 20 et 22. Chaque élément est articulé par rapport aux autres avec au moins deux degrés de liberté et de ce fait chacune de ces articulations comprend au moins deux codeurs 16-1, 16-2; 18-1, 18-2; 20-1, 20-2 et 22-1 et 22-2. En ce qui concerne l'articulation de l'élément 22, il est prévu une troisième articulation 22-3. A l'extrémité de l'élément 22, il est disposé une optique 24 de focalisation d'un faisceau 26 laser généré indépendamment et transporté par une fibre optique 28. Ce faisceau laser peut être généré par une diode laser émettant en continu ou de manière puisée. Un exemple de longueurs d'ondes de travail est une plage située entre 0,4 et 1,1 pm, c'est-à-dire du visible au proche infrarouge. La puissance d'émission peut être contrôlée et adaptée en fonction des besoins. Cet élément 22 est également équipé d'un système optique 30 de numérisation 25 d'une surface S éclairée par un faisceau laser, en l'occurrence une caméra utilisant les techniques CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconducteur) ou CCb (Charge Coupled Device). Cette caméra peut travailler en couleur ou en nuances de gris. La résolution d'une telle caméra pour la présente application est de préférence du type VGA (Video Graphics Array) avec 640 pixels par 480 au moins. Pour donner un ordre de grandeur, la caméra vidéo peut enregistrer 60 images par seconde et il est mémorisé 300 points par image. L'unité 32 de traitement des informations est située dans l'embase. Ainsi l'opérateur déplace le bras manuellement sur toute la surface de l'objet. Le faisceau laser balaye cette surface et la caméra enregistre l'intersection de ce faisceau avec la surface de l'objet, c'est-à-dire une ligne. Les codeurs permettent de déterminer la position du plan laser dans l'espace de mesure tandis que des images numériques, on détermine les points de cette ligne d'intersection. Ces deux informations ont fusionnées pour obtenir les coordonnées des points et donc l'objet dans l'espace de mesure. A cet effet, des logiciels travaillant sous différents systèmes d'exploitation, notamment Windows ou Linux permettent d'ajuster, comme indiqué précédemment, la puissance du faisceau laser en fonction des surfaces numérisées et d'ajuster les temps d'intégration de la caméra. Les nuages de points peuvent aussi être prétraités par des fonctions de lissage, 20 de filtrage et/ou de génération de facettes. Ces données sont ensuite utilisées par d'autres logiciels de mesure de surfaces complexes, de contrôle dimensionnel ou de conception. Dans tous les cas, au sein du dispositif selon la présente invention, ces données numérisées et synchronisées sont transmises vers un ordinateur 34 muni d'une 25 carte graphique et d'un écran 36 couleur pour affichage des points et pour donner une image 31 surfacique, en temps réel. Une liaison 38 filaire à haut débit du type éthernet ou une liaison sans fil bluetooth permet de transmettre les informations concernant l'ensemble des points mémorisés avec leurs coordonnées spatiales en sorte de générer une image sur l'écran en temps réel, ceci sans nécessiter un câblage spécifique. L'affichage et les calculs associés sont réalisés par l'ordinateur 34 combiné au système. Ceci conduit à l'obtention d'une image en 3b constituée d'une succession de points dont les coordonnées spatiales sont connues, avec une densité suffisante pour donner une vue surfacique de l'objet dont la digitalisation est ainsi réalisée. La figure 2 montre un synoptique de mise en oeuvre et des interactions des différents éléments. La partie A correspond au bras 14 avec ses fonctions, la partie B regroupe les fonctions intégrées à l'embase et sur cette même figure sont représentés l'unité centrale UC et l'écran EC de contrôle. L'image vidéo numérique est représentée en 40 et les codeurs sont symbolisés avec les références 42. Les coordonnées des points de la surface de l'objet dans l'espace du plan laser sont enregistrées en 44 puis transformées en 46 à partir des informations de calibration usine en une matrice 48. En 50, on enregistre les coordonnées de la position du faisceau laser dans l'espace de mesure. La liaison 52 sans fil permet de transférer les informations vers l'UC. Un logiciel 54 assure le traitement de ces informations. Une carte graphique 56 assure le traitement pour l'affichage sur l'EC. Ces informations sont recueillies et enregistrées dans une mémoire 58. Toutes les opérations sont réalisées sans contact, ce qui est un grand intérêt. Un tel dispositif travaillant sans contact est en effet particulièrement utile dans le cas de matériaux mous ou déformables comme de sièges pour automobiles, des réservoirs de véhicule, des maquettes en mousse. Un avantage est que la mesure n'est pas affectée par le manque de rigidité de la matière. De plus, une pièce très fragile ne risque pas non plus de subir des rayures ou d'autres marquages mécaniques indésirables. On peut aussi relever des surfaces complexes. De plus, on peut comparer aisément la surface relevée et numérisée au moyen du dispositif selon la présente invention avec la définition numérique obtenue lors de la conception à l'aide d'un logiciel de Dessin Assisté par Ordinateur. On peut ainsi réaliser une cartographie des écarts mais aussi faire un contrôle qualité en sortie de chaîne de fabrication. REVENDICATIONS 1. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend une embase (12) surmontée d'un bras (14) articulé comportant au moins deux éléments (16, 18, 20, 22), chaque élément ayant par rapport aux autres au moins deux degrés de liberté, une optique (24) 5 de focalisation d'un faisceau (26) laser à l'extrémité de ce bras et un système optique (30) de numérisation de l'image d'une surface éclairée par ledit faisceau laser. 2. D)ispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique (30) de numérisation 10 de l'image d'une surface éclairée par ledit faisceau laser est une caméra numérique. 3. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux codeurs (16-1, 16-2; 18-1, 18-2; 20-1, 20-2 et 22-1 et 22-2) pour chaque articulation. 4. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième codeur (22-3) associé à l'articulation du dernier élément (22). 5. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une 20 unité (32) de traitement des informations, située dans l'embase (12), apte à recueillir les coordonnées spatiales de chaque point, issues des codeurs et à les synchroniser avec les points numérisés issus de chaque image du système optique. 6. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon l'une 25 quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un ordinateur (34) muni d'une carte graphique et d'un écran (36) pour effectuer les calculs nécessaires et afficher les ensembles de points à leurs coordonnées pour donner une image 3b surfacique, en temps réel. 7. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon la 5 revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une liaison filaire à haut débit ou une liaison sans fil entre l'embase (12) avec son unité (32) de traitement et l'ordinateur (34). 8. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau 10 laser est généré indépendamment et transporté par une fibre optique (28). 9. Dispositif de numérisation sans contact d'un objet en 3 dimensions selon la revendication 8, caractérisé en ce que les longueurs d'ondes de travail du faisceau laser sont comprises entre 0,4 et 1,1 pm, sous forme d'émission continue ou pulsée.