Brevet FR2949587A1 — publié le 20110304

PROCEDE ET INSTALLATION DE REALISATION D'ASSEMBLAGE DE PIECES METTANT EN OEUVRE LA REALITE AUGMENTEE. Domaine technique La présente invention est du domaine des techniques et matériels utilisés pour assembler des pièces les unes aux autres par soudage, boulonnage et autres et ce selon un ordre déterminé par des gammes de fabrication. Plus particulièrement, la présente invention est relative à une méthode et une installation d'assemblage assisté par ordinateur, d'éléments d'une structure tridimensionnelle. Etat de la technique antérieure. On sait qu'en vue de l'usinage et de l'assemblage de pièces, le bureau des méthodes établit des gammes de fabrication. Ces gammes de fabrication décrivent les diverses étapes de la fabrication des assemblages des pièces et sont accompagnées de plans de fabrication comportant toutes les informations nécessaires au bon déroulement des travaux d'assemblage. Ces plans de fabrication sont établis selon des normes précises, les éléments objets de ces plans y sont représentés habituellement en deux dimensions sur une ou plusieurs vues. La personne chargée de la fabrication ou de l'assemblage doit savoir, pour mener à bien sa tâche, interpréter les vues pour reconstruire mentalement en trois dimensions, l'assemblage ou la pièce qu'il doit réaliser. On connaît de l'état de la technique, des logiciels de conception assistée par ordinateur avec l'aide desquels il est possible de réaliser des modèles numériques en trois dimensions affichés sur écran. De tels logiciels sont utilisés pour établir en finalité des plans cotés de pièces ou d'assemblage à partir desquels une fabrication doit être entreprise. On connaît également de l'état de la technique des équipements qui permettent de créer à partir de modèles numériques virtuels en trois dimensions, la représentation physique ou maquette, en résine, de ce modèle. S'il est possible avec cette technique de réaliser une maquette de l'objet à fabriquer il n'est pas possible actuellement, avec cette même technique de réaliser l'objet proprement dit. On connaît également du brevet européen EP 290 809, un système de fabrication utilisant des modèles numériques en trois dimensions. Ce système utilise en outre un théodolite assisté par ordinateur pour la réalisation d'assemblages de pièces conformes aux modèles numériques. On connaît également de l'état de la technique des méthodes et des moyens de soudage assisté par ordinateur. Ainsi le brevet FR 2 678 190 montre un procédé de soudage assisté par ordinateur consistant à filmer l'opération de soudage et à traiter en temps réel l'image obtenue afin d'en extraire des paramètres propres au soudage et à corriger ces paramètres à partir de données préenregistrées. On connaît aussi du brevet européen EP1486283 un procédé de commande de soudage. Selon ce procédé les pièces sont mises en place les unes par rapport aux autres sur une base d'appui et la configuration réalisée est photographiée afin d'établir une carte photographique permettant d'identifier les points de soudure et les paramètres de soudage. Le soudage est réalisé par un robot de soudage commandé à partir des valeurs des paramètres de soudage et 15 à partir de données de niveau délivrées par des pointeurs laser. On connaît également de l'état de l'art, des techniques de réalité augmentée. Typiquement ces techniques consistent à enrichir une représentation visuelle d'un environnement réel, par des informations visuelles générées par 20 ordinateur. Dans la pratique, l'opérateur porte des lunettes de visualisation dans lesquelles sont projetées les images de l'environnement réel et de manière superposée à ces dernières, les informations d'enrichissement visuel. Afin d'éviter tout défaut de superposition, sont prévus divers moyens de calage de ces images les unes par rapport aux autres, ces moyens prenant en compte la 25 position spatiale de l'opérateur par rapport à un système de coordonné lié à l'environnement réel. Exposé de l'invention Problème technique Les méthodes de réalisation d'assemblage de pièces selon la technique 30 antérieure font encore appel à des moyens relativement complexes à mettre en oeuvre et relativement coûteux. Par ailleurs ces méthodes connues font appel à une main d'oeuvre hautement qualifiée d'un coût horaire élevé. Par ailleurs, malgré le haut degré de technicité de la main d'oeuvre utilisée, des erreurs de manipulation ou de positionnement de pièces lors des assemblages sont toujours possibles. Afin de détecter les mauvaises réalisations, sont mis en place des services de métrologie ou des services de qualité. Typiquement, ces services mènent une série de tests plus ou moins poussés qui peuvent consister soit à un simple contrôle dimensionnel ou bien en des analyses plus profondes mettant en oeuvre des techniques de radiographies, d'échographie, de résistance à la charge et autres techniques de contrôle destructif ou non destructif, coûteuses en soi. En tout état de cause ces techniques de contrôle interviennent après la réalisation de la pièce ou de l'assemblage, de sorte que les rapports de qualité nécessaires à l'amélioration de la fabrication interviennent trop tardivement dans la plupart des cas. Par ailleurs, ces contrôles sont toujours coûteux et l'homme de l'art cherche à minimiser leur fréquence sans pour autant nuire à la qualité de la production réalisée. Solution technique La présente invention a pour objet de résoudre les inconvénients précédemment énoncés en mettant en oeuvre une méthode d'assemblage assistée par ordinateur faisant appel aux techniques de la réalité augmentée pour guider un opérateur dans la réalisation dudit assemblage. Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'une méthode d'assemblage selon laquelle l'opérateur est guidé pas-à-pas dans la réalisation de l'assemblage. Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'une méthode d'assemblage dans laquelle une information de qualité d'assemblage est produite en temps réel par analyse des paramètres propres aux techniques utilisées pour la réalisation de l'assemblage. Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'une méthode d'assemblage apte pour chaque étape d'assemblage contrôler et 30 ajuster les réglages des machines participant à ladite étape d'assemblage. A cet effet le procédé, selon l'invention, de réalisation d'un assemblage de pièces assisté par ordinateur, faisant appel à un poste de travail, se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste : - à établir un modèle numérique en trois dimensions de chaque pièce, ce modèle comportant un référentiel qui lui est propre, ce modèle formant un gabarit virtuel de chaque pièce, - à établir un modèle numérique en trois dimensions de l'assemblage, ce modèle numérique comportant un référentiel qui lui est propre, et formant un gabarit virtuel d'assemblage, - à positionner ce modèle numérique par rapport à un référentiel du poste de travail, - à produire une image vidéo du poste de travail à l'aide d'une caméra portée 10 par l'opérateur, - à analyser l'image produite afin de déterminer la position de la caméra par rapport au référentiel du poste de travail, - à produire une image vidéo du modèle numérique ou d'une partie de ce dernier tel qu'il serait vu par la caméra s'il était réel et positionné sur le poste de travail, 15 - à superposer l'image vidéo du modèle numérique ou d'une partie de dernier à l'image vidéo du poste de travail. Ainsi l'opérateur par simple observation de l'image vidéo enrichie d'éléments de réalité augmentée qui forment un gabarit virtuel peut parfaitement réaliser l'assemblage des pièces sans pour autant devoir suivre les indications 20 données par des plans en deux dimensions comme c'est actuellement le cas. Par ailleurs, comme l'assemblage numérique ou une partie de ce dernier se superpose à l'image qu'il reçoit du poste de travail, il est à même de positionner de manière relativement précise les différentes pièces les unes par rapport aux autres. 25 En outre par comparaison entre l'image de l'assemblage réalisé et l'image du modèle numérique de l'assemblage, qui forme un gabarit virtuel, il devient possible de détecter en temps réels les défauts de réalisation et de rebuter le cas échéant l'assemblage réalisé. On évite ainsi, par des contrôles simples menés au niveau du poste de travail, de coûteux contrôles réalisés 30 ultérieurement par les services qualité. Le gabarit virtuel pourra apparaître sous la forme d'une image filaire en ce sens que seules les arêtes des pièces composant cet assemblage sont représentées. Alternativement, le gabarit virtuel pourra être représenté selon un mode surfacique, alors les surfaces des pièces composant l'assemblage seront visibles sous forme d'aplats colorés. Selon une autre caractéristique, le procédé selon l'invention consiste également à établir une chronologie des différentes étapes d'assemblage des pièces en vue de la réalisation dudit assemblage, et au cours de l'opération d'assemblage, pour chaque étape d'assemblage, à générer une image virtuelle vidéo, ou gabarit virtuel, de la pièce à introduire dans l'assemblage en cours de réalisation, à générer une image vidéo de l'état d'avancement dudit assemblage, à caler ces deux images l'une par rapport à l'autre de façon que l'image virtuelle par rapport à l'assemblage occupe l'emplacement que doit occuper la pièce à introduire dans ledit assemblage et à afficher ces deux images de manière superposée sur au moins un même écran de visualisation. Lorsque l'assemblage de la pièce sera réalisé, sera commandé l'affichage du modèle numérique de la nouvelle pièce à assembler. Grâce à cette disposition l'opérateur est guidé pas-à-pas dans les étapes de réalisation de l'assemblage. Par ailleurs, un mauvais assemblage de la pièce pourra se traduire par la mise au rebut avant achèvement de l'assemblage ce qui est représentatif d'une économie ou bien, de préférence si cela est possible par la reprise et la correction du travail réalisé. Selon une autre caractéristique, le procédé consiste pour chacune des étapes d'assemblage à ajuster et contrôler les réglages des machines utilisées pour les travaux d'assemblage. L'opérateur se trouve ainsi déchargé de ces tâches qui peuvent s'avérer fastidieuses et délicates à accomplir. La présente invention se rapporte également à une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Ainsi cette installation se caractérise essentiellement en ce qu'elle comprend un poste de travail sur lequel l'assemblage sera réalisé dans un emplacement déterminé, un référentiel, une unité de gestion, de commande et de calcul contenant les modèles numériques en trois dimensions de l'assemblage à réaliser et des pièces composant cet assemblage, un moyen d'acquisition d'images vidéo connectée à l'unité de gestion, apte à acquérir des images de la scène de travail, et des images du référentiel, et une unité de visualisation connectée à l'unité de gestion et prévue pour être portée par l'opérateur, sur laquelle sont affichées les images de la scène de travail enrichies d'images virtuelles de réalité augmentée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le référentiel est constitué par une mire, installée au-dessus du poste de travail. Selon une autre caractéristique de l'invention, la mire est constituée par un damier comportant des cases claires et des cases sombres, lesdites cases se présentant chacune sous la forme d'un carré. Description sommaire des figures et des dessins. D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'une forme préférée de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés en lesquels : - la figure 1 est une vue d'une installation selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, selon une première forme de réalisation, - la figure 2 est une vue d'une installation selon l'invention selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue d'une installation selon l'invention selon une troisième forme de réalisation de l'invention, Meilleure manière de réaliser l'invention En figure 1 est représentée une installation selon l'invention pour la réalisation d'un assemblage 1 composé de plusieurs pièces 10, 11, 12, ces pièces pouvant être de diverses natures. Sur cette figure est également représenté le gabarit virtuel G que doit suivre l'opérateur pour la réalisation de sa tâche. Ce gabarit virtuel apparaît sous la forme d'une image filaire, en trait mixe fort. Cette installation comprend un poste de travail 2 formé essentiellement d'un établi sur lequel un opérateur va réaliser pas-à-pas l'assemblage 1. L'installation un moyen d'acquisition d'images vidéo comprenant au moins une première caméra 3 adaptée à l'acquisition d'images animées du poste de travail et plus précisément de la scène de travail et de l'assemblage en cours de réalisation. Selon une première forme de réalisation, ce moyen d'acquisition d'images vidéo comprend au moins une seconde caméra 4 adaptée à l'acquisition d'images animées d'un référentiel 6 attaché au poste de travail 1. L'installation comporte de plus une unité de gestion, de commande et de calcul 5 à laquelle sont connectées les deux caméras 3 et 4, cette unité de commande comportant des blocs mémoires renfermant le modèle numérique en trois dimensions de l'assemblage à réaliser, et les modèles numériques en trois dimensions des pièces composant ledit assemblage. Enfin, l'installation comporte une unité de visualisation 7 portée par l'opérateur, sur laquelle sont affichées les images vidéos produite par la première caméra enrichies d'images vidéos de réalité augmentée, montrant le modèle numérique de l'assemblage ou une partie de ce dernier. Cette image vidéo de réalité augmentée se superpose à l'image vidéo de la scène de travail et est positionnée parfaitement dans cette dernière de sorte que le modèle numérique est affiché dans la position qu'il occuperait s'il était réel et parfaitement positionné dans le poste de travail. Pour réaliser l'orientation du modèle numérique ou de la partie considérée de ce dernier et le recalage de ce dernier dans la scène de travail, l'unité de gestion 5 analyse l'image du référentiel 6 associé au poste de travail 2 et compare cette dernière à l'image d'un modèle du référentiel qu'elle possède en mémoire. Par comparaison de ces deux images et des déformations que présente l'image du référentiel par rapport à son modèle, l'unité de gestion 5 est apte à déterminer la position et l'orientation de la seconde caméra 4 dans l'espace et par voie de conséquence la position de l'opérateur par rapport au poste de travail. Ainsi par ce biais, l'unité de gestion 5 peut calculer l'orientation et la position du modèle numérique par rapport à la première caméra 3. Les première et seconde caméra 3, 4 sont portées par un casque 8 à l'usage de l'opérateur et sont de préférence montées de manière ajustable en position sur ce casque. La liaison entre ces caméras 3, 4 et l'unité de gestion 5 pourra être du type filaire, mais de préférence, pour une meilleure souplesse d'utilisation, la liaison sera du type Hertzien. Selon la forme préférée de réalisation, le référentiel 6 attaché au poste de travail 2 est installé fixement au-dessus du plan de travail 2 et est constitué par une figure géométrique comportant des zones claires et des zones foncées. De préférence, cette figure géométrique sera constituée par un damier dont les cases présenteront chacune un contour carré. On a précédemment décrit une installation pour laquelle le référentiel 6 est installé fixement au-dessus du poste de travail 2, mais selon une variante d'exécution ce référentiel 6 sera installé fixement sur ce poste de travail. Dans ce cas de figure, le moyen d'acquisition d'images vidéos est une caméra 3 portée par le casque 8 à l'usage de l'opérateur, apte à acquérir en continu des images vidéos du poste de travail 2 et des images vidéo du référentiel 6. Une telle disposition sera adoptée lorsque les risques de perte d'image du référentiel seront inexistants ou très faibles. On a précédemment décrit une installation selon laquelle le référentiel 6 10 est fixe par rapport au poste de travail 2. Selon une variante d'exécution, le référentiel 6 est attaché au casque 8 à l'usage de l'opérateur. Dans ce cas de figure le moyen d'acquisition d'images vidéos comprend une caméra 3 fixée sur le casque et apte à acquérir en continu des images du poste de travail et une seconde camera 4 fixe par rapport au poste de travail et apte à acquérir des 15 images du référentiel 6 installé sur le casque 8. Avantageusement le casque 8 pourra être équipé d'au moins un inclinomètre 9 connecté par voie hertzienne ou filaire à l'unité de gestion et de contrôle et de commande 5. L'information d'inclinaison qu'il est apte à générer peut compenser avantageusement, pendant une brève période, l'absence 20 d'image du référentiel 6 due par exemple à une occultation de ce dernier. Ainsi malgré cette occultation, l'affichage du gabarit virtuel G ne se pas interrompue. L'unité de visualisation 7 sera constituée par deux écrans fixés à l'ossature d'une paire de lunettes destinées à être portée par l'opérateur ou bien intégrées dans le casque 8. 25 Selon une forme pratique de réalisation, le ou chaque outil 10 dont est équipé le poste de travail 2 est doté d'un repère 11 constituant référentiel et le moyen d'acquisition d'images vidéos est apte à acquérir des images vidéo de ce repère 11 afin de déterminer la position de l'outil 10 dans l'espace. Ainsi la ligne d'action de cet outil pourra être affichée sous forme de réalité augmentée dans 30 l'unité de visualisation portée par l'opérateur. Par ailleurs le gabarit virtuel G affiché dans l'unité de visualisation 7 pourra présenter sous forme de figures géométriques colorées ou non, sous forme de cibles et autres, les zones devant être intersectées par la ligne d'action de l'outil. Ainsi, s'agissant par exemple de la formation d'un perçage à réaliser sur l'assemblage, sera affiché l'axe du foret et le gabarit virtuel G pourra présenter un point d'entrée du perçage et un point de sortie. Ainsi, l'opérateur pourra positionner correctement l'outil. De même un mauvais positionnement de l'outil pourra être détecté et signalé et si l'opération à réaliser avec cet outil est malgré tout entreprise, la pièce pourra être rebutée avant de subir d'autres interventions d'usinage. L'invention telle que décrite trouve notamment son application dans tout genre de travaux d'assemblage. Elle peut notamment être utilisée lors de travaux de soudage par exemple lors des opérations de pointage des pièces. Elle peut aussi être utilisée en vue de la fabrication des matériaux composites pour lesquels les différents plis doivent adopter des orientations différentes. II va de soi que la présente invention peut recevoir tous aménagements et variantes du domaine des équivalents techniques sans pour autant sortir du cadre du présent brevet. REVENDICATIONS1/ Procédé de réalisation d'un assemblage de pièces assisté par ordinateur, mettant en oeuvre la réalité augmentée, caractérisé en ce qu'il consiste : - à établir un modèle numérique en trois dimensions de chaque pièce, ce modèle comportant un référentiel qui lui est propre, ce modèle formant un gabarit virtuel de chaque pièce, - à établir un modèle numérique en trois dimensions de l'assemblage, ce modèle numérique comportant un référentiel qui lui est propre, et formant un 10 gabarit virtuel d'assemblage, - à positionner ce modèle numérique par rapport à un référentiel du poste de travail, - à produire une image vidéo du poste de travail à l'aide d'un moyen d'acquisition d'image, 15 - à analyser l'image produite afin de déterminer la position du moyen d'acquisition d'image par rapport au référentiel du poste de travail et positionné sur le poste de travail, - à produire une image vidéo du modèle numérique ou d'une partie de ce dernier tel qu'il serait vu par la caméra s'il était réel, 20 - à superposer l'image vidéo du modèle numérique ou d'une partie de dernier à l'image vidéo du poste de travail. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste : - à établir une chronologie des différentes étapes d'assemblage des pièces en vue de la réalisation dudit assemblage, et au cours de l'opération d'assemblage, 25 pour chaque étape d'assemblage, à générer une image virtuelle de la pièce à introduire dans l'ensemble composé en cours de réalisation, à générer une image de l'état d'avancement dudit ensemble composé, à caler ces deux images l'une par rapport à l'autre de façon que l'image virtuelle par rapport à l'assemblage occupe l'emplacement que doit occuper la pièce à introduire dans 30 ledit assemblage et à afficher ces deux images de manière superposée sur au moins un même écran de visualisation.3/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il consiste pour chacune des étapes d'assemblage à ajuster et contrôler les réglages des machines utilisées pour les travaux d'assemblage. 4/ Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter en temps réel les défauts de réalisation de l'assemblage par comparaison entre l'image de l'assemblage réalisé et l'image du modèle numérique de l'assemblage. 5/ Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un poste de travail (2) sur lequel l'assemblage sera réalisé dans un emplacement déterminé, un référentiel (6) , une unité de gestion, de commande et de calcul (5) contenant les modèles numériques en trois dimensions de l'assemblage à réaliser et des pièces composant cet assemblage, un moyen d'acquisition d'images vidéo connectée à l'unité de gestion, apte à acquérir des images de la scène de travail, et des images du référentiel (6), et une unité de visualisation (7) connectée à l'unité de gestion (5) et prévue pour être portée par l'opérateur, sur laquelle sont affichées les images de la scène de travail enrichies d'images virtuelles de réalité augmentée. 6/ Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le 20 référentiel (6) est attaché au poste de travail (2), ce référentiel étant fixe par rapport audit poste. 7/ Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le référentiel (6) est constitué par une mire. 8/ Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la 25 mire (6) est constituée par un damier comportant des cases claires et des cases sombres, lesdites cases se présentant chacune sous la forme d'un carré. 9/ Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le référentiel (6) est installé au-dessus du poste de travail (2) et que le moyen d'acquisition des images vidéos comprend une première 30 caméra (3) portée par un casque (8) à l'usage de l'opérateur, apte à acquérir en continu des images vidéos du poste de travail (2) et de l'assemblage réalisé sur ce dernier et une seconde caméra (4) portée par le casque, apte à acquérir en continu des images vidéos du référentiel (6) attaché à ce poste de travail (2).10/ Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le référentiel (6) est installé fixement sur le poste de travail (2) et que le moyen d'acquisition d'images vidéos est une caméra (3) portée par un casque (8) à l'usage de l'opérateur, apte à acquérir en continu des images vidéos du poste de travail et de l'assemblage réalisé sur ce dernier et des images vidéo du référentiel (6). 11/ Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le référentiel (6) est attaché à un casque (8) prévu pour être porté par l'opérateur, et que le moyen d'acquisition d'images vidéos comprend une caméra (3) fixée sur le casque et apte à acquérir en continu des images du poste de travail et de l'assemblage réalisé sur ce dernier et une seconde camera (4) fixe par rapport au poste de travail (2) et apte à acquérir des images du référentiel. 12/ Installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée par au moins un inclinomètre (9) installé fixement sur le casque (8). 13/ Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, dont le poste de travail (2) est équipé d'au moins un outil (10) caractérisée en ce que ledit outil (10) est doté d'un repère (11) constituant référentiel et que le moyen d'acquisition d'images vidéos est apte à acquérir des images vidéo de ce repère (11) afin de déterminer la position de l'outil dans l'espace.