材料处理中为手动操作提供帮助的迭代方法与设备

摘要

本发明涉及到在材料(24)处理中，特别是在造型艺术，设计，工业机加工，护理专业以外科手术等领域的材料处理中提供对操作员(1)手动操作的帮助和计算机辅助学习(3)的方法。该方法所依据的设备，其特征在于它主要包括：一个或几个计量系统(5)，用于连续测量工具(4)和材料(24)的位置；计算机(3)，其采集计量系统(5)所发出的数据并且把工具(4)对将要加工之材料(24)的位移结果传播至一个或几个数字模型(M3，M4，M5)；以及接口，它产生出声学的(21)和/或光学的(7)和/或触觉的(8)刺激，这些刺激通过增加操作员(1)的工作所涉及动作/反应的逼真性将信息提供给他/她。

说明书

技术领域

本发明涉及到对操作员手动操作提供帮助和计算机辅助学习的方法与设备，以便对现存造型进行复制或创生新的造型。

本发明能够归并在或安排在材料设计或处理作业线，特别是但不仅仅是造型艺术，设计，工业机加工，护理专业及外科手术领域中的材料设计或处理作业线。

本发明更加具体地涉及到基于这样一种设备的方法，这种设备为了对手动操作提供帮助和学习辅助而使用了被复制造型和处理材料的数字表示法。

依据数字模型来复制造型的问题通过使用机器人解决办法能够部分地得以解决。但是，当被复制造型的复杂性要求一些特殊的操作而且复制对象的数量与对路径或轨迹编程所需的投资相比很少时，这一技术就达到了它的限制。

另一办法是使本领域的熟练技术人员保持在复制处理回路的中心，同时向他们提供能够使它们对材料进行可靠加工所必须而足够的所有数据。

对这一办法，若干文件说明了一些设备，这些设备一方面融入了计量装置，另一方面也结合了数字对象的三维表示系统。因而，法国专利FR 2 808 366(AZERAD J.；BLANCHARD J.；MAURIN Y.)说明了虚拟逼真培训的一种方法，其由不同的单元组成；感测数据，其涉及实际手持装置的空间位置；数据对象的三维表示，其供给能够操作数字对象的数字工具。在任何时候本方法都不允许对实材进行机加工，而且更不允许在数字模型中对该实材机加工的再继续，因而使得能够在这两个领域进行概念干预。由于这个原因，不可能在材料处理中通过手动操作为整个培训提供数据。因此，这种方法不满足处理该材料的专业所表示出的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种迭代动作/信息的方法，其所依据的设备能够对手动操作提供帮助，以便使材料具有近似于数字模型的造型。诸如此类的设备有可能使对材料处理进行空间控制所需的数据性质和数据量实现最佳化。

本发明的另一目的是提出一种设备来对材料处理中的手动操作提供帮助和学习，其一方面能够进行操作方法学分析，另一方面能够以已加工材料之数字模型的方式读出结果。

为此，本发明涉及的设备，其实现了一个或多个数字模型，其中确定出如下模型：

-要得到的模型，称为“母模型”，其依据该模型(数字化数据，CAD模型)建立，并用与专业有关的数据进行放大和/或变换定标，简化，等)。

-加工或处理材料模型，称为“处理材料模型”，其依据从规定处理材料尺寸的物理量或数字数据所推导出的数据来建立。

-“工具”模型，其规定了加工工具的物理和几何参数(反应裕量，工具直径，偏心度，等等)。使用这个模型来计算工具对材料的作用，该计算的结果用来不断地更新“已加工的材料模型”。

-“操作模型”包含材料处理中工具各配置的说明。

-“已加工的材料模型”为工具在被加工材料上动作的结果。

这些模型使得本领域的熟练技术人员能够表明他们的要求并探索在机加工空间内的可供选择的办法。这些模型可以是“全同”复制或局部或全局位似，或在虚拟域以及实域中利用加或减进行变换的基础。这个系统所提供的另一种可能性是能够通过连续地测量位移而将位移考虑进去。这样由于各种不同模型的不断平衡就能够维持工具对材料的动作。

附图说明

参照附图阅读下述说明将会很好地理解本发明，附图通过非限制性实例表示出对空间内手动操作提供帮助的帮助和学习设备，其中：

-图1表示出根据本发明对空间内手动操作提供帮助的帮助和学习设备的总示意图。

-图2和3表示出根据本发明可能的视觉数据和显示实例(视频投影和监视屏)；

根据本发明，用于空间内手动操作的帮助和学习设备设计成以几种方式使用，要视应用领域而定。

第一种方式在于处理材料19不依靠“母模型”M1来进行；在这种情况下，没有任何约束的手动操作使得能够进行直接的创生处理，而由其得到的结果被存入“已加工的材料模型”M4。属于本发明的迭代方法使这一结果在修改成“母模型”M1之后能够再将其用于复制。

第二种方式在于利用“已加工的材料模型”M4的状态变换来连续地表示出工具3对材料19的动作。在这种情况下，为了进行尺寸检验，可以将“已加工的材料模型”M4与“母模型”M1加以比较，以便产生出这些误差的三维映象。这个结果的另一应用是跟踪处理随时间的演变情况。

第三种但并非独有的方式在于利用由计量系统4所提供的工具3的位置测量结果来确定产生参考操作的单元，目的是利用如机器人等自动系统来重新执行参考操作。

实际上，这种设备可以作为一种设计工具和/或教学与演示工具而予以采用。因此，它是一个由专业所预先提出的要求的问题，特别是但不仅仅是在造型艺术，设计，工业机加工，护理专业和外科手术领域中所提出的要求的问题。

例如，附图中引用的实例就示出了这种设备在造型艺术(数字化雕塑的复制)领域中的应用。可以设想，本发明并不限于这种实施方案，而恰好相反，本发明可以包括与各不同领域相关的其他可供选择的方案。

如图1所示，设备主要由下述单元组成：

-操作员1。

-工作台9，其与绝对参考系统R1，工具刻度系统16以及一套目标对象20相关联，绝对参考系统R1由三维参考系统R3模造的材料支座组成，工具刻度系统16由三维参考系统R2模造而成，一套目标对象20用于重新设置并且其分别相对于绝对三维参考系统R1加以限定。

-计算器或计算机2(微机型)，其综合模型的数据及它们的作用。

-工具3，它由三维参考系统R4模造而成，它把与工具3位置和方向有关的数据不断地传送至计算机2，三维参考系统R4安排在计量系统4上(关节臂旋转臂或跟随器)，计量系统4与三维参考系统R5相关联，三维参考系统R5相对于绝对三维参考系统R1加以确定。

-刺激发生器5，它由光刺激6，声刺激7和/或触觉刺激8的信道组成，其把操作员1在材料19上的操作作用通知给操作员1。

根据图1，微机型计算机2包括由高度集成电子电路所组成的硬件部分以及软件程序，它综合了数字模型的数据及其作用。计算机的功能限于排序，分级，计算，分类，检索，编辑以及提供出那些按二进制表示的已经预先编码的数据。

如在图1中可以看到，设备就其计量系统4而论，它由具有几个自由度的测量臂所组成，测量臂把由手动操作所引起的自由端的所有位移连续不断地通知给计算机2。根据这些数据，计算机2更新所有的模型。

计量系统4的第一个功能是用于测量法如材料参考系统R3，以及工具刻度系统16的参考系统R2等参考系统，以便对工作台9进行刻度。由于有一整套目标对象20，就可以调制计量系统4的位置，由此使得干预空间能够增加而超出其自己的工作体积。

计量系统4的第二个功能是用于连续地测量工具3相对于已加工材料19的位置与方向。

用于对材料19进行机加工的工具3与计量系统4进行刚性连接。它可以由铣刀，研磨盘，球形刮刀或任何其他机具组成，要视应用和所选的材料而定。作为测量结果，工具3的作用根据放在“处理材料模型”M2中的“母模型”M1，通过“工具模型”M3被转换成“已加工的材料模型”M4。

对一些确定应用或确定的工作阶段来说，计量系统4最好是光学或磁性“跟随器”型的定位系统。

计量系统4必须是手动，可自由操作。

在使用测量臂的情况下，为更易于操纵，计量系统4用诸如平衡器或提升装置10等可调后拉系统加以平衡，从而把增加的流动度传递给操作员的操作。这个提升装置10通过旋转吊杆11安装在测量臂的上方，旋转吊杆11的旋转轴与测量臂的基轴相一致。

在图1所示的实例中，设备由工作台9组成，它是一个刚性系统，使操作员能够调节材料支座的高度。工具刻度系统由三面体的对象16组成，其用作对安装在测量臂终端的工具3进行刻度时的参考基准。

刺激发生器5产生出后面的光刺激6，声刺激7或触觉刺激8，它们可单独或结合起来使用，刺激发生器5由操作员1通过安装在计量系统4上的装置12进行遥控。

按照一种可能性并如图2所示，光刺激可以是如在一个或多个视图13和131中所看到的数字模型的视频投影，其包括可由操作员1编程的原点和定标因子等特征，其中在工具3的所有操作期间都连续地表示出工具3，并显示成为与被加工材料空度/定标因子有关的可编程反应球14，后者的表示通过工具支承15和最短路径22的物理表示法得以放大，而最短路径22是把工具与“母模型”M1中可能最靠近的精确接触点分隔开的路径。该显示的一个重要特点是通过将某些特性诸如表面选项屏或光线调整到工具在空间操作的严格顺序而有了局部提高的分辨率21，从而使操作员1能够理解出工具3相对于“母模型”M1和由材料19所加工之造型的位置。

按照另一种可能性，声音刺激由可调整声音7(图3)发送并在头戴式耳机71(图1)中接收；这些声音的频率和幅度均可调节。在材料处理期间，根据工具及其后备装置M3至“母模型”M1中计算出的可能最近的精确接触点间的距离连续地确定出频率。频率与距离定标可由操作员编程。幅度可相对于工作台环境中的声音水平可进行手动调节。

按照又一种可能性。触觉刺激8可以由后拉力产生，后拉力与工具及其后备装置M3距“母模型”M1中所计算的可能最靠近的精确接触点间的距离有关。

后拉力可以用由置于操作员1手腕或计量系统4上的手镯组成的系统予以保证，并通过柔性连接18与一电动机构连接，电动机构逐步地施加后拉力直至工具3的终端到达“母模型”M1包络上的一点。

据此，本发明涉及到了为处理材料而对操作员手动操作提供帮助和学习的方法，一方面其包括下述单元：

-要得到的造型(称为“母模型”M1)的数字表示，

-加工或处理材料的数字表示，其与绝对三维参考系统R1(称为“加工或处理材料模型”M2)有关，

-从定标步骤得到的工具(称为“工具模型”M3)的数字表示，

-要变换的材料19，其与绝对三维参考系统R1有关，

-所述设备中的数据和动作装置，

另一方面，它还包括下述步骤：

步骤1：建立“母模型”M1的目的是将所复制体积的几何包络转化成可由计算机操作的三维坐标。所建立的数字模型可以根据对每个专业的要求而进行放大，简化或扇形分区。此步骤可不依赖于其他步骤进行。

步骤2：利用在绝对三维参考系统R1中的测量结果，工作台9的定标使得一方面能够确定材料支座的三维参考系统R3和工具定标系统的三维参考系统R2，另一方面能够确定计量系统的三维参考系统R5。

步骤3：“处理材料模型”M2的建立要么通过获取预先存在的外部体积来达到，要么通过确定与被复制体积外包络相对应的要加工的体积来达到。

步骤4：工具3的定标在于依赖在绝对三维参考系统R1中定标系统的预置参考表面16以便确定“工具模型”M3的某些参数，如长度和偏心度，以及确定如反应球等其他参数。这就必须对工作台9进行定标。

步骤5：“母模型”M1相对于“处理材料模型”M2的位置使得要得到的造型之数字表示的计算机辅助定位能够在处理材料块的数字表示之内。要得到的造型对材料方块的位置，方向和比例的参数化能够进行快速定位以便产生出全同的(比例1/1)或放大的(比例＞1)或缩小的(比例＜1)复制品。使用这种办法，在工作期间，或者必须遵照被复制体积尺寸(全同，放大，缩小)或者遵照材料的体积将“母模型”M1画在“处理材料模型”M2之中以便在其中最好地画出被复制的体积。

步骤6：材料的处理可以根据两种可能的办法进行：通过直接雕刻建立造型，其要求完成三个步骤，即步骤2，3和4，或复制，其要求四个步骤，即步骤1，2，3和4。由于操作员1已预选调整了他/她作为回应所希望具有的刺激5(6，7和8)，工具3在空间中的位置和方向就由计算机2连续不断地进行处理，计算机2根据对各不同模型M1，M2，M3和M4所了解到的信息来计算出工具3对材料19作用的特征量(碰撞，最小距离，扫描体积)。这一作用然后被转换成发送给操作员的刺激5的形式。由于多视图显示器6的作用，除其他许多东西外，操作员还能够在任何时候一方面了解到工具3相对于要得到的造型M1的位置，另一方面通过“已加工材料模型”M4的演变也了解到工具对材料的作用。

操作员在任何时候都可以中止材料的处理来分析由已加工材料M4和操作M5的数字模型所提供的结果和/或根据所进行之处理的演变来改变工具3和/或将转换他的/她的工作状态的所有数据存入到计算机2。

改变工具3涉及到进行工具3的定标(参见步骤3)，以便确定新工具3的参数。此步骤一旦完成，所确认的变化就会自动传播并且能够恢复材料19的处理。

操作员1必须对材料19完成与他的/她的专业日常所完成之操作相同的操作。为了达到材料的优质处理所必须应对的主要困难之一是从材料所要得到的造型的脑力转换，这必须由操作员连续不断地完成。由于发送给操作员的各不同刺激与工具相对于材料的位置相配，操作员就接收到对他的/她的操作所进行的帮助，其质量与工作环境的周边状况无关。这就使操作员解除了脑力转换工作，使得他/她能够集中处理已显而易见的材料。设备具有的测量装置能够学习其中包括用于培训，教学，操作分析或机器人系统编程的操作。