ES2914529T3 - Método y dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas, así como también para la generación de un modelo tridimensional de la superficie interior de un objeto hueco - Google Patents

Método y dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas, así como también para la generación de un modelo tridimensional de la superficie interior de un objeto hueco Download PDF

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Abstract

El dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos, así como también para la generación de un modelo tridimensional de objetos huecos consiste en: - cuerpo (1), - cámara (11), instalada en este y mecanismo incorporado, asimismo, la cámara (11) está conectada con el ordenador, - dos o más sondas elásticas (6), con la posibilidad de estar en la posición de tensión que permite un contacto firme con la superficie interna, asimismo, las sondas (6) incluyen indicadores (7), mientras que la cámara (11) ofrece la posibilidad de obtener la información sobre la posición precisa de los indicadores (7) y sondas (6), - el mecanismo indicado está realizado con la posibilidad de fijar el ángulo de apertura de las sondas elásticas (6) al menos en tres posiciones, y - tira plana de marcaje que contiene la imagen, asimismo los fragmentos de la imagen son únicos y no se repiten en toda la tira de marcaje, este dispositivo contiene además el ordenador, que ofrece la posibilidad de generar un modelo tridimensional de la superficie interna de objetos huecos basándose en la información indicada.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas, así como también para la generación de un modelo tridimensional de la superficie interior de un objeto hueco
La presente invención se refiere a una técnica y métodos de medición y puede ser aplicada en la industria de calzado, en particular, en dispositivos de medición de la talla de zapato de diferentes tipos: desde botas hasta sandalias. Los métodos y el dispositivo pueden ser aplicados en la industria de calzado y textil para la medición, fabricación, diseño y evaluación de la calidad de calzado (incluyendo el anatómico/ ortopédico) y prendas de vestir, así como también de productos que han de adaptarse con exactitud al cuerpo humano, tales como, plantillas ortopédicas, órtesis o prótesis. También pueden ser aplicados por particulares o comercios para la venta, compra o compra a distancia de calzado o prendas de vestir que se corresponden con particularidades reales del cuerpo del cliente.
Los métodos y el dispositivo pueden ser aplicados para la medición de otros objetos de pared fina: tuberías, sifones, diversos recipientes, canales de cualquier forma, etc. El dispositivo puede medir los siguientes parámetros: perímetro, longitud de circunferencia, desviación de la forma y geometría del perfil.
Se conoce un dispositivo para medir la superficie interna de calzado cuyo principio de funcionamiento consiste en un elemento sensible situado en una sonda conectada rígidamente con una cámara; el elemento contacta con la superficie para medir y la cámara se orienta según la imagen 2 D de marcas, situadas fuera de los límites del objeto, la imagen es variable en relación con la cámara. Simulación 3D se genera con programación [US 20100238271 A1, 23.09.2010].
Las desventajas del dispositivo conocido consisten en la presencia de tan solo una sonda; necesidad de repasar manualmente toda la superficie; distorsión de resultados debida al diferente valor de presión de la sonda; intensidad de mano de obra y larga duración de las mediciones.
Se conoce la técnica de definición de la forma tridimensional de huecos internos, tales como calzado o tubería, con la ayuda de un método óptico y un dispositivo correspondiente [US 2005/0168756 A1, 4 de agosto de 2005].
La presente invención se refiere a un método de detección óptica de la forma tridimensional de espacios internos y dispositivos para la implementación de dicho método. El principio de funcionamiento del prototipo consiste en colocación de una tira con marcaje sobre la pared interna del hueco. La cámara se coloca dentro y realiza una serie de tomas de imágenes solapadas. Las imágenes se tratan con la ayuda de fotogrametría resultante en un modelo 3D de la superficie interna.
La desventaja de esta técnica consiste en la necesidad de colocar tira con marcas por toda la superficie de la medición, que es complicada dada la necesidad de aplicar medios adhesivos con su posterior eliminación. Además, el objeto de medición puede distorsionar su forma real en caso de materiales no sólidos.
En el documento DE 19536294 A1 está descrita la técnica que incluye el desplazamiento en el espacio de un sensor tridimensional y la detección óptica de al menos tres marcadores o tres valores independientes del medio continuo.
El documento US 2012/316827 A1 se refiere al sistema de medición de dimensiones y/u otras propiedades internas de calzado, prendas de vestir u otro objeto de interés. El sistema incluye un dispositivo con punta de medición. Cuando la punta se coloca dentro del objeto de interés el procesador recopila los datos sobre la posición del dispositivo para generar un modelo tridimensional de la parte interna del objeto. En el caso de que la punta incluya uno o varios sensores de presión el procesador puede recopilar datos sobre la presión y utilizar estos datos para incorporar las propiedades de extensión al modelo tridimensional.
El resultado técnico del método de medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos consiste en el aumento de la precisión, reducción de la intensidad de mano de obre y tiempo de la medición.
El resultado técnico se alcanza con la ayuda del método de medición de la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos, cuando durante el desplazamiento del dispositivo dentro del objeto de medición, la cámara, siguiendo los indicadores que se encuentran en las sondas que generan una tensión uniforme, se obtienen datos espaciales con referencia a la tira plana de marcaje. Con la ayuda de estos datos se genera un modelo tridimensional del espacio interno, cuyas dimensiones resultan de la medición del modelo tridimensional recuperado y las propiedades elásticas resultan del escaneo del mismo objeto con diferente presión y medición del módulo de la diferencia de dimensiones finales e iniciales del cuerpo deformado. El método según la invención se indica en el p. 4. El dispositivo según la invención utilizado para el método mencionado se indica en el p. 1.
El método supone la combinación de medición de contacto y medición remota de objetos 3D. El dispositivo permite obtener modelo digital tridimensional mediante la recopilación de datos sobre su forma y dimensiones. La imagen desde la cámara se utiliza para obtener los datos 3D (a la hora de recopilar la información sobre las dimensiones y la forma de la superficie dentro del campo de visión de la cámara). Como resultado se obtiene una nube geométrica de puntos de la superficie del objeto.
El aumento de la precisión se consigue, entre otro, gracias a que la sección del objeto tubular elástico se recupera simultáneamente bajo impacto de esfuerzo mecánico de extensión generado por las sondas del dispositivo.
Para que el objeto elástico obtenga su forma natural, la superficie se extiende de manera homogénea dentro de los límites de la sección medida por el sistema de sondas elásticas.
Para una introducción inicial paulatinamente del dispositivo dentro del objeto de medición se emplea un mecanismo de succión y despliegue de sondas.
Las sondas que se encuentran en un estado de tensión tienen un contacto firme con la superficie de medición, lo que, en caso de la elasticidad del material de medición, recuperará la forma inicial, aumentando así la precisión de las mediciones.
A diferencia del prototipo proponemos utilizar el material de marcaje por un lado solo. La generación del modelo 3D de la superficie interna, en nuestro caso, se realiza gracias a las imágenes de las posiciones de los indicadores en las sondas en relación con la tira plana de marcaje y no con las imágenes del objeto de la medición. Además, las sondas se encuentran dentro del espacio de medición en el estado de tensión y extienden uniformemente el material del objeto. Eso permite medir su forma inicial no deformada.
Los resultados de las mediciones de la nube de puntos que genera un archivo CAD (obj).
El mecanismo del dispositivo está dotado de sondas de medición.
La lectura de coordenadas tridimensionales en los ejes ses realiza mediante su desplazamiento por la superficie interna del objeto. El dispositivo está equipado con una cámara de video o fotos que permite obtener la información sobre la posición exacta de la punta de la sonda de escaneo en modo de tiempo real y en tres planos.
En la Figura 1 se muestra el dispositivo en la posición de la definición de la forma y las dimensiones del calzado. Los resultados técnicos del método de generación de un modelo tridimensional de la superficie interna de un objeto hueco son el aumento de la precisión, la disminución de la intensidad de mano de obra y tiempo de la medición. Esto se consigue aplicando el método que supone el desplazamiento del dispositivo dentro del objeto de medición, la cámara, siguiendo los indicadores que se encuentran en las sondas que generan una tensión uniforme, se obtienen datos espaciales con referencia a la tira plana de marcaje. Con la ayuda de estos datos se genera un modelo tridimensional del espacio interno, cuyas dimensiones resultan de la medición del modelo tridimensional recuperado y las propiedades elásticas resultan del escaneo del mismo objeto con diferente presión y medición del módulo de la diferencia de dimensiones finales e iniciales del cuerpo deformado.
Cuando el dispositivo se introduce dentro del objeto de la medición, se graban las imágenes desde la cámara. En el proceso de posterior tratamiento, para cada imagen se determina la posición de los indicadores de los sensores y los fragmentos de la imagen de la tira plana de marcaje. En la Fig. 2 se muestra la imagen desde la cámara, en la imagen se ve bien la tira plana de marcaje y los indicadores lo que permite, basándose en la información obtenida, realizar un tratamiento informático de la imagen y obtener las coordenadas de los puntos del objeto de medición.
En la imagen de los indicadores de las sondas se realiza la búsqueda del canal G de color verde de la imagen en formato RGB (rojo, verde, cian). La búsqueda se realiza en dos etapas. Al comienzo, mediante un escaneo total se memorizan los píxeles de color verde. A continuación, entre estos píxeles y aplicando el método Monte Carlo, se localizan formas redondas (con un radio de 5 píxeles con las dimensiones de la imagen de 640x480 píxeles), que contienen el máximo de píxeles verdes. Después de localizar el primer indicador, los píxeles verdes que le pertenecen se eliminan de la imagen principal y se realiza la búsqueda del indicador siguiente. Cuando ya no va a ser posible encontrar la siguiente zona circular, llena de píxeles verdes, se concluye sobre el número de píxeles dentro del campo de visión.
La grabación de video finaliza cuando el número de indicadores en el campo de visión se disminuye significativamente (en particular, de 8 a 3), lo que significará el enderezamiento de sondas en la salida del dispositivo afuera del hueco de la medición.
En cada imagen los indicadores de los sensores permiten obtener la información sobre la sección de la superficie interna.
La secuencia de imágenes permite obtener múltiples secciones de la superficie interna: la nube de puntos. Para unir las secciones se utiliza una tira plana de marcaje que permite establecer con alta precisión la situación en el espacio de cada sección de medición.
Dado que los indicadores se encuentran alejados de las puntas de las sondas, se realiza la calibración previa que permite comparar la distancia entre el indicador y el centro óptico de la imagen en píxeles, con un ángulo real entre el eje de la cámara y el punto del contacto de la sonda con la superficie interna.
La imagen en la tira de marcaje presenta una combinación aleatoria de rectángulos y elipses de color negro y blanco. La distribución de figuras según las dimensiones se selecciona de tal manera que los fragmentos pequeños de la imagen sean únicos y no se repitan en la misma tira de marcaje. Esta condición de singularidad ha de cumplirse en una amplia franja de distancias características: para los fragmentos de diversas dimensiones (en particular, los fragmentos cuadrados desde 2x2 mm2 hasta 20x20 mm2).
Dado que las sondas son de una anchura determinada, estas cierran la gran parte de la imagen de la tira plana de mareaje. Asimismo, para definir la posición del dispositivo se utilizan los fragmentos de la imagen de la tira de marcaje que se encuentran entre las sondas (en particular, para la medición de la parte delantera del calzado), o bien entre las puntas de las sondas (en particular, para la medición de la parte de talón del calzado).
Para la búsqueda de fragmentos de la imagen de la tira de marcaje se utiliza el método Monte Carlo con rangos reductores que permiten determinar las coordenadas xf, yf del fragmento dentro del sistema de coordenadas de la tira de marcaje, las dimensiones del fragmento de forma cuadrada af, y relacionar estos parámetros con los parámetros del fragmento de la imagen que llega desde la cámara: coordenadas x, y y parámetros del trapecio que representan el fragmento cuadrado distorsionado visto desde el ángulo (diferencia entre el borde superior e inferior, desplazamiento horizontal del borde superior en relación con el interior, el ángulo de giro del trapecio en general). Como criterio de la unión de fragmentos de las imágenes se utiliza la suma de cuadrados de diferencias de las intensidades de los píxeles correspondientes.
Para cada toma se realiza la búsqueda de tres fragmentos de forma cuadrada de la imagen de la tira de marcadores: principal y con márgenes arriba y a la derecha en relación con el fragmento principal. Según las coordenadas xf, yf de los tres fragmentos en la franja plana de marcaje se calculan las coordenadas del centro óptico de la cámara x^, y^, z^ y los ángulos de la orientación del eje óptico de la cámara â , p^, y .^ Los 6 últimos parámetros permiten definir de manera inequívoca y con gran precisión la situación de las puntas de las sondas en el espacio y añadir puntos obtenidos para esta precisa toma a la nube común de puntos, que se corresponde con la forma de la superficie interna del objeto de medición (Fig. 3).
El resultado técnico del empleo del dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos, así como también para la generación del modelo tridimensional de la superficie interna de productos huecos son el incremento de la precisión, la disminución de la intensidad de mano de obra y tiempo de la medición.
El resultado técnico se obtiene mediante el empleo del dispositivo que consiste en cuerpo con cámaras instaladas, dos o mas sondas con indicadores y una tira plana de marcaje.
En la Figura 4 se muestra el cuerpo 1, el eje 2, el bloque de lentes 3, la llave 4, el mango 5, la sonda 6 con indicador 7, los semiaros de tope 8 y fijación 9, la lente 10, y la cámara 11, conectad al ordenador. El dispositivo posee el mecanismo que permite fijar el ángulo de apertura de sondas elásticas con el fin de recuperar la forma de superficies elásticas de la medición.
La tira plana de marcaje en forma de una plantilla para medir el calzado sirve para posicionar en el espacio la imagen obtenida desde la cámara y se muestra en la Figura 5.
La imagen para la tira plana de marcaje donde esta imagen mencionada se genera como la combinación aleatoria de rectángulos negros y blancos y elipses de diferentes tamaños se muestra en la Figura 6.
La sonda que se muestra en la Figura 7, es de forma compleja e incluye la cola que recibe el movimiento del mango; el eje que se encuentra en los alojamientos del cuerpo respecto al cual se gira este; el árbol de forma prominente orientada en el lateral hacia el eje cuyo comienzo es flexible, con el fin de generar un esfuerzo de contacto en el momento de la apertura de las sondas, en el extremo se encuentra la parte redondeada que impide dañar el material y mejora el contacto; en la parte dura del árbol se sitúan una o varias prominencias para sensores cuya situación en el espacio tridimensional se monitorea con una cámara incorporada al mecanismo.
El software permite transformar la nube de puntos capturados en el modelo tridimensional de la superficie interna de medición.
El dispositivo funciona de la manera siguiente. Con el desplazamiento del mango 5 hacia el lado opuesto del objetivo 10, las colas de las sondas 6 se mueven en las ranuras del bloque de lentes 3 y disminuyen el ángulo de apertura de sondas hasta su contacto entre si. Asimismo, la llave 4, gracias a las propiedades elásticas, se encuentra en tensión sobre la superficie del cuerpo 1. Con la posición de sondas 6 recogidas el dispositivo se introduce dentro del objeto de medición. Con el desplazamiento del mango 5 hacia la lente 10, las sondas 6 se abren hasta formar el esfuerzo necesario determinado por la ranura en el cuerpo 1, donde se cierra la llave 4, que impide la flexión de las sondas cuando el mango es liberado del esfuerzo. La cámara 11 conecta la grabación y transmite al ordenador la posición de los indicadores 7 en relación con la tira de marcaje. Cono la ayuda del mango 5, el dispositivo se extrae del objeto de medición, asimismo las sondas 6, gracias al esfuerzo generado en estas, entrarán en un firme contacto con la superficie de medición. Después de las mediciones la cámara se desconecta. El ordenador transforma la información obtenida generando un modelo tridimensional de la superficie interna medida.
En las Figuras 8, 9 y 10 se muestra la posición del dispositivo durante su desplazamiento por la superficie interna del objeto de la medición (calzado). En la Figura 8 se muestra la medición de la punta del calzado con la ayuda del dispositivo. En la Figura 9 se muestra la medición del talón del calzado con la ayuda del dispositivo. Para mostrar la posición del dispositivo dentro del calzado se ofrece el corte longitudinal del calzado. En la Figura 10, en la sección longitudinal, se muestra la medición de la parte media del calzado con la ayuda del dispositivo. En la Figura 11 se muestra la posición de las sondas del dispositivo durante la medición de la parte de la punta del calzado con la parte superior transparente. En la figura se observa que en todas las posiciones las sondas con indicadores entran en un firme contacto con la superficie interna del calzado.
En las Figuras 12 y 13 se muestra que la zona de aplicación no se limita con el calzado y que el dispositivo es capaz de medir las superficies internas de prendas de vestir (mangas), así como también objetos tecnológicos como, por ejemplo, las tuberías.
El dispositivo es capaz de fijar las sondas en varias posiciones, al menos, en tres: brazos cerrados, semicerrados y abiertos completamente (ángulo 100°). Eso permite abrir las sondas con un esfuerzo necesario. Cuando el mismo objeto de material elástico se mide con un esfuerzo diferente se puede determinar sus propiedades elásticas, en particular, el valor de la deformación absoluta que es igual al módulo de la diferencia de las dimensiones iniciales y finales de un cuerpo deformado. Asimismo, con la ayuda del dispositivo se puede medir las propiedades elásticas durante la extensión de diversos tipos de cuero, textil y demás materiales. En las Figuras 14 y 15 se muestra la medición de la elasticidad de un puño de la manga. En la Figura 14, con una tensión alta y en la Figura 15 con una tensión baja. En las Figuras 16 y 17 se muestra la imagen desde la cámara durante la medición de la elasticidad de un puño de la manga. En las Figuras 16 y 17 se observa que la sección compuesta de tres puntos de indicadores en la Figura A es mayor que en la Figura B. El dispositivo permite también controlar la calidad de la superficie y detectar defectos visibles con la extensión de un material elástico. En la Fig. 18 se muestra la imagen desde la cámara en la cual se observa la costura de una camisa. Cuando el dispositivo se introduce en una manga, la tela se tensa y la costura también, de esta manera todos los defectos pueden ser controlados a través de la cámara.

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. El dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos, así como también para la generación de un modelo tridimensional de objetos huecos consiste en:
- cuerpo (1),
- cámara (11), instalada en este y mecanismo incorporado, asimismo, la cámara (11) está conectada
con el ordenador,
- dos o más sondas elásticas (6), con la posibilidad de estar en la posición de tensión que permite un contacto firme con la superficie interna, asimismo, las sondas (6) incluyen indicadores (7), mientras que la cámara (11) ofrece la posibilidad de obtener la información sobre la posición precisa de los indicadores (7) y sondas (6),
- el mecanismo indicado está realizado con la posibilidad de fijar el ángulo de apertura de las sondas elásticas (6) al menos en tres posiciones, y
- tira plana de marcaje que contiene la imagen, asimismo los fragmentos de la imagen son únicos y no se repiten en toda la tira de marcaje,
este dispositivo contiene además el ordenador, que ofrece la posibilidad de generar un modelo tridimensional de la superficie interna de objetos huecos basándose en la información indicada.
2. Dispositivo, según el punto 1 de la fórmula en el cual la tira de marcaje tiene forma de la plantilla para medir el calzado.
3. Dispositivo según el punto 1 de la fórmula, en el cual la sonda (6) contiene la cola, los ejes que se encuentran en los alojamientos del cuerpo (1) y el árbol de forma prominente.
4. El método de medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos empleando el dispositivo para medir la forma, las dimensiones y las propiedades elásticas de la superficie interna de objetos huecos según cualquiera de los puntos 1-3 de la fórmula incluye:
- introducción de la tira plana de marcaje dentro del objeto hueco que se mide;
- introducción del dispositivo conectado al ordenador dentro del objeto de la medición;
- generación de un estado tenso en la superficie interna del objeto de la medición mediante la apertura de sondas elásticas (6) hasta obtener un firme contacto con la superficie interna;
- mediante el desplazamiento del dispositivo por la superficie interna del objeto hueco que se mide, se obtienen datos espaciales en relación con la tira plana de marcaje, según las imágenes registradas desde la cámara (11),
- generación digital de un modelo tridimensional del espacio interno del objeto hueco según los datos espaciales obtenidos, asimismo, las dimensiones del espacio interno se obtienen como resultado de la medición del modelo tridimensional recuperado; la generación del modelo tridimensional incluye:
- definición de la posición de los indicadores (7) de las sondas (6) en las tomas de la imagen,
- cálculo de la posición de los puntos y del número total de los puntos de contacto de las sondas (6) con la superficie interna mediante un algoritmo matemático,
- obtención del conjunto de secciones actuales de la superficie interna en forma de un conjunto de puntos;
- detección de elementos de la tira plana de marcaje en las imágenes de video,
- detección de coordinadas actuales y la orientación angular del dispositivo en relación con la tira plana de marcaje, - vinculación de la zona actual de la superficie con el sistema de coordenadas;
- unificación de secciones obtenidas para la serie de tomas y
- generación de un modelo tridimensional de la superficie interna en forma de una nube de puntos, y
- obtención de propiedades elásticas como resultado del escaneo de un objeto hueco con diferente fuerza y medición del módulo de la diferencia entre las dimensiones iniciales y finales del cuerpo deformado.
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