PAR COMBINAISON D'ENTITÉS DE SIMULATION AINSI QUE PLATEFORME HYBRIDE DE MISE EN OEUVRE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L'invention se rapporte à un procédé d'apprentissage à l'utilisation sécuritaire de machines stationnaires de coupe, en particulier pour différentes catégories de découpe du bois, mais aussi d'autres matériaux non métalliques: matériaux plastiques, synthétiques ou composites, panneaux de mousse rigide, etc. Ce procédé fait intervenir en interaction des entités virtuelles et réelles pour simuler la coupe tout en reproduisant les conditions réelles d'exécution d'une telle découpe. L'invention concerne également une plateforme hybride, constituant un outil de type « réalité augmentée » en combinant des moyens à réalité tangible et virtuelle, destinée à la mise en œuvre d'un tel procédé.

[0002] Les machines stationnaires, plus particulièrement consacrées à la découpe du bois (le terme « découpe » se rapporte au résultat sur la pièce de la « coupe » opérée par la machine) - en particulier les scies à ruban ou circulaires à format, les dégauchisseuses et les toupies - permettent de réaliser des débits (débit droit, chantournement, délignage, tronçonnage, calibrage pour les scies à format et à ruban) et des usinages (dressage, toupillage, moulurage, profilage, pour les dégauchisseuses et les toupies).

[0003] Les centres de formation aux métiers de découpe de matériaux non métalliques utilisent à l'heure actuelle des ateliers pédagogiques reconstituant les postes de travail du milieu professionnel, avec les mêmes règles de sécurité que celles en vigueur dans les entreprises concernées. Un aspect est en effet la nécessité d'anticiper les situations pouvant conduire à des accidents de travail liés à l'utilisation de telles machines, en particulier par la prise en compte de la double cinématique, celle de l'outil de coupe et celle de la matière à découper qui se déplace devant l'outil de coupe de la machine.

[0004] Dans ces conditions, l'apprentissage de la coupe s'attache à enseigner progressivement l'attitude, la posture et la gestuelle que l'apprenti devra maîtriser en fonction des types de découpe de pièce et de la matière utilisée, tout en tenant compte des risques liés à chaque phase de la coupe.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

[0005] Les stages de formation sont coûteux en termes de durée, de quantité de matière à découper et du nombre important de formateurs nécessaires pour permettre à l'apprenti d'intégrer progressivement une telle maîtrise de la découpe.

[0006] La durée de l'apprentissage pourrait être réduite lorsque les risques d'accident sont limités par l'aménagement de moyens de protection spécifiques à proximité des éléments de coupe des machines. De tels moyens (coques, plaques, moyens de guidage, etc.) sont par exemple décrits dans les documents de brevet US 7 984 735, US 5 38 842 ou US 5 423 359.

[0007] Cependant, ces moyens ne sont pas adaptés à l'intégration de la gestuelle et de la posture nécessaires à la gestion du danger, puisque les moyens de protection ajoutés visent à masquer la cause du risque encouru. Ces moyens de protection peuvent s'avérer efficaces dans un contexte professionnel mais ne sont pas appropriés dans un contexte d'apprentissage.

[0008] Plus récemment, une autre approche s'est développée pour proposer d'utiliser des moyens de simulation afin de reconstituer un environnement virtuel pour optimiser les conditions sécuritaires de la découpe. Une telle approche est exposée par exemple dans les documents de brevet US 20120022677 ou US 20090240482. Ces documents visent plus particulièrement à choisir la forme et la localisation de découpes optimales ou des lignes de coupe à partir de la détection de la pièce à découper, ou encore à maîtriser les zones d'interférence entre l'outil de coupe et la matière à découper.

[0009] Ces simulations ne fournissent pas de moyens d'apprentissage adaptés pour assurer une formation optimisée en temps et en moyen, tout en permettant d'intégrer la gestion du risque dans les métiers de découpe, en particulier, mais pas exclusivement, de la découpe du bois.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

[0010] L'invention vise précisément à fournir de tels moyens d'apprentissage sans danger d'accident tout en respectant les conditions principales d'une coupe réelle, en proposant de combiner des équipements virtuels de coupe et de résistance à la coupe avec des supports tangibles de matière à découper en liaison avec une détection de position de la matière à découper et de l'opérateur permettant de suivre, d'analyser et d'estimer le comportement de l'apprenti.

[0011] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'apprentissage à la coupe de matériaux non métalliques par une machine stationnaire, comportant les étapes suivantes:

- un exercice de coupe étant sélectionné dans une unité de gestion numérique, une machine stationnaire virtuelle, choisie dans une bibliothèque de machines de l'unité de gestion avec un organe de coupe approprié, est projetée en stéréoscopie sur une table de coupe et vue par un opérateur équipé en visualisation tridimensionnelle (3D);

- conformément à l'exercice, une pièce tangible à découper virtuellement, détectable en position et comportant au moins une face d'interaction magnétique, est constituée virtuellement d'un matériau choisi dans une bibliothèque de matériaux de l'unité de gestion, les matériaux étant définis au moins par une image de dureté;

- la pièce tangible à découper virtuellement et l'opérateur sont équipés pour être captés en imagerie stéréoscopique de suivi de positions orientations et mouvements;

- un retour d'effort électromagnétique, qui équipe préalablement la table de découpe, est piloté en intensité par l'unité de gestion en fonction de l'exercice sélectionné, de la dureté du matériau, de la position de la pièce à découper et/ou des mouvements/orientations de l'opérateur pour interagir, pendant l'avancée de ladite pièce, avec au moins une face ferromagnétique de cette pièce afin d'exercer une résistance à l'avancement de la coupe correspondant à celle générée par une machine réelle de même type;

- au moins une zone de sécurité est projetée autour de l'organe de coupe de ladite machine virtuelle, cette zone étant adaptée en dimensions à l'organe de coupe choisi, et une alerte est déclenchée en cas de franchissement d'au moins une zone de sécurité; et

- un niveau d'apprentissage de l'opérateur est évalué par une analyse de l'exécution de l'exercice sur la base de taux de réussite de critères portant sur la régularité de coupe et/ou la vitesse d'exécution, le positionnement de l'opérateur par rapport à un positionnement idéal et le respect sécuritaire au regard de la proximité de la ou des zones de sécurité.

[0012] Selon des modes particuliers:

- un habillage de la pièce à découper virtuellement est également projetée en stéréoscopie sur cette pièce, l'habillage couvrant aussi toute partie découpée au cours de l'exercice et les matériaux étant également définis dans la bibliothèque par leur texture correspondant audit habillage;

- lorsque le matériau de la pièce à découper est du bois, l'intensité du retour d'effort électromagnétique est pondérée par une image de dureté du bois en un point de coupe donné correspondant à la dureté moyenne d'une image de matière extrudée perpendiculairement à la surface de la table jusqu'au niveau de ce point par l'unité de gestion;

- des vibrations correspondant à la découpe virtuelle de ladite pièce sont également générées au niveau de l'organe de coupe en fonction du choix de l'exercice, de la machine et dudit matériau de la pièce, et sont pilotées en intensité par l'unité de gestion;

- un accompagnement sonore générique est prévu, avantageusement modulé par l'intensité du retour d'effort électromagnétique et des vibrations générées, à la dureté du bois et/ou à l'organe de coupe;

- la tête et les mains de l'opérateur sont équipées pour être captées en imagerie stéréoscopique infrarouge (IR) de suivi de positions, orientations et mouvements; - une zone d'accident est définie dans la zone de sécurité à proximité immédiate de l'organe de coupe, et le retour d'effort est arrêté et/ou l'exercice est stoppé lorsque l'opérateur franchit une des zones;

- une zone d'ombre floutée est projetée en stéréoscopie au niveau des mains de l'opérateur pour masquer la pièce à découper;

- alternativement, un traitement de soustraction d'images des mains de l'opérateur est réalisé dans l'imagerie de suivi par l'unité de gestion numérique pour masquer la pièce à découper image par image;

- l'unité de gestion est en communication avec un serveur dédié qui stocke des données pédagogiques et des données communes dans l'exécution de différents exercices;

- le serveur dédié héberge un site de portail formateur accessible par une connexion via un réseau local ou Internet et est chargé, par l'unité de gestion, de délivrer des pages d'accès au portail formateur à au moins un terminal via un protocole d'accès, d'échanger les données avec l'unité de gestion et de stocker des données de résultats de compétence;

- la communication de données entre une unité de gestion et le serveur est choisie entre un mode autonome, dans lequel l'unité de gestion et le serveur dédié sont accueillis sur un même site informatique, un mode connecté pour plusieurs unités de gestion dans lequel un site fonctionne en mode autonome et les autres unités de gestion sont connectées au serveur via un réseau local et/ou Internet, et un mode serveur dans lequel le serveur communique avec les unités de gestion via un réseau local et/ou Internet.

[0013] L'invention concerne également une plateforme hybride de mise en œuvre du procédé défini ci-dessus. Une telle plateforme d'apprentissage à la coupe de matériaux non métalliques par une machine stationnaire comporte au moins une unité de gestion numérique d'exercices de découpe, une table de découpe comportant un plateau, un vidéoprojecteur stéréoscopique de machines stationnaires de coupe, une caméra stéréoscopique de suivi de positions, orientations et mouvements, un écran de commande et de contrôle en liaison avec l'unité de gestion et au moins une pièce tangible à découper virtuellement. L'unité de gestion intègre des bibliothèques de caractéristiques de fonctionnement de machines stationnaires de coupe, d'organes de coupe correspondants et de matériaux à découper, les machines projetées étant aptes à être visualisées par un opérateur équipé de lunettes de visualisation 3D. Ledit vidéoprojecteur est combiné en fonctionnement avec la caméra stéréoscopique de suivi de ladite pièce tangible équipée de marqueurs et d'un opérateur exécutant un exercice de découpe sur ladite table également équipé de marqueurs. Une telle association vidéoprojecteur / caméra de prise de vues permet avantageusement d'adapter, via l'unité de gestion, la perspective des images projetées en fonction de la position et de l'orientation de la tête de l'opérateur.

[0014] La caméra stéréoscopique de suivi est associée à des marqueurs de position équipant ladite pièce et ledit opérateur. La plateforme comporte également un électroaimant piloté par l'unité de gestion agencé au niveau des organes de coupe et apte à interagir avec au moins une face de la pièce à découper revêtue d'une couche ferromagnétique. Et au moins une zone de sécurité est projetée par le vidéoprojecteur autour des organes de coupe desdites machines.

[0015] Selon des modes de réalisation particulièrement avantageux:

- les pièces à découper sont habillées par des images présentant des textures de matériaux définis dans la bibliothèque des matériaux et projetés sur les pièces à découper par le vidéoprojecteur stéréoscopique en coopération avec la caméra stéréoscopique de suivi de positions, orientations et mouvements des pièces à découper;

- un organe de vibrations est agencé au niveau des organes de coupe et est piloté par l'unité de gestion en fonction des exercices, des machines de coupe, des organes de coupe et des densités des matériaux à découper;

- au moins un haut-parleur est piloté par l'unité de gestion en fonction de l'intensité de l'électroaimant et de l'organe de vibrations;

- une alerte pilotée par l'unité de gestion est apte à stopper l'électroaimant et/ou l'exercice en cas de franchissement d'une des zones située à l'intérieur de la zone de sécurité;

- la caméra stéréoscopique étant une caméra infrarouge, la tête et les mains de l'opérateur sont équipées de marqueurs de caméra IR, en particulier les montures des lunettes de visualisation 3D sont équipées de marqueurs et les mains de l'opérateur sont équipées de traqueurs;

- la table de coupe comporte un plateau est recouvert d'un revêtement hautement réfléchissant afin d'optimiser la projection stéréoscopique;

- des organes modélisés mobiles, en particulier des protecteurs d'organe de coupe et des guides latéraux des pièces tangibles à découper virtuellement associés à des moyens de réglage en position, sont projetés par le vidéoprojecteur;

- des aides visuelles à la coupe peuvent être projetés par le vidéoprojecteur;

- l'unité de gestion numérique est connectée à un serveur de stockage de données pouvant être transmises via un réseau local ou Internet, l'unité de gestion et le serveur étant disposés dans un rangement aménagé sous le plateau ou à proximité de la table de découpe.

PRÉSENTATION DES FIGURES

[0016] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :

- la figure 1 , une vue en perspective d'un exemple de plateforme hybride selon l'invention;

- la figure 2, une vue supérieure de la table de coupe de la plateforme hybride de la figure 1 , avant la mise en œuvre d'un exercice de coupe;

- la figure 3, une vue en perspective d'une pièce tangible à découper dans un exercice d'apprentissage selon l'invention;

- les figures 4a et 4b, une vue perspective d'un habillage de pièce tangible (figure 4a) par des images « matière » extrudées virtuellement depuis la table de coupe et permettant de définir la dureté moyenne d'une pièce de bois en tout point à tout niveau de coupe donné (figure 4b);

- les figures 5a et 5b, une vue supérieure d'une pièce virtuelle à découper correspondant à des consigne particulières d'exercices de coupe, et une vue supérieure d'image d'habillage de pièce à découper après orientation par l'opérateur afin d'optimiser son positionnement avant la coupe ;

- les figures 6a et 6b, un exemple de lunettes de visualisation 3D et un exemple d'équipement de main, les lunettes et l'équipement étant équipés de marqueurs de position / mouvements, et

- les figures 7a à 7f, la vue supérieure schématique du plateau de coupe lors de la mise en œuvre de phases d'exercices de coupe avec différentes machines de coupe.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[0017] Sur les différentes figures, des éléments ou parties d'éléments identiques portent une même référence. La description d'un même élément représenté dans différentes figures est renvoyée au passage qui le traite en détail.

[0018] Dans le texte, les qualificatifs « vertical », « horizontal », « supérieur », « inférieur » ou expressions équivalentes désignent la position d'un élément en utilisation conventionnelle par rapport à un repère orthonormé OXYZ définissant un axe Z parallèle à la force de gravité terrestre, et un plan XY perpendiculaire à l'axe Z.

[0019] La vue en perspective de la figure 1 illustre un exemple de plateforme hybride 1 selon l'invention dédiée à l'apprentissage de la coupe de bois. Une telle plateforme comporte une table de coupe 10, formée d'un plateau de coupe rectangulaire 1 1 et de quatre pieds 12, et d'un portique 120 dont les mâts verticaux 121 prennent appui le long de deux des pieds 12 situés en extrémité d'un bord longitudinal B1 du plateau 1 1 .

[0020] La table 10 possède un planche intermédiaire 13 de rangement et une planche verticale de renfort 14 s'étendant parallèlement à l'axe longitudinale LL' (parallèle à l'axe Y) du plateau 1 1 à une distance « D » du bord longitudinal B1 plus courte - environ 1 /3 de la largeur - que celle qui la sépare de l'autre bord longitudinal B2 du plateau 1 1 . Un guide latéral 1 10 de coupe est formé sur le plateau 1 1 à même distance D du bord longitudinal B1 que la planche de renfort 14 située sous le plateau 1 1 . Le guide latéral 1 10 possède des butées qui sont associées à des ergots 1 1 a, 1 1 b de réglage de position, ces ergots 1 1 a, 1 1 b étant aptes à coulisser dans des glissières 12a, 12b formées sur les bords transversaux B3, B4 du plateau 1 1 selon l'axe X. Ce guide 1 10 permet d'assurer un déplacement en translation d'une pièce tangible 70 à découper virtuellement. Les ergots 1 1 a, 1 1 b servent en particulier dans l'exercice de coupe dit de « toupillage arrêté ».

[0021] De plus, une planche inférieure 15 en contact avec le sol « S » relie les extrémités des pieds 12 en appui sur le sol « S ». Dans l'espace de rangement E1 formé par les planches intermédiaire 13 et de renfort 14 sont installés un ordinateur 20 intégrant une unité de gestion numérique en connexion avec un serveur de stockage de données pédagogiques 30.

[0022] Le serveur 30 échange des données d'exercices d'apprentissage de coupe avec l'unité de gestion et délivre les pages d'un portail « formateur » via un réseau local ou Internet. L'ensemble de ces équipements électroniques et informatiques étant sensibles aux variations de la tension électrique, un onduleur est avantageusement prévu sur le circuit d'alimentation électrique.

[0023] Par ailleurs, une caméra stéréoscopique IR 40 et un écran tactile de commande et de contrôle 50 (ci-après « écran de commande ») sont fixés respectivement sur l'un et l'autre mât vertical 121 du portique 120. L'écran de commande 50 est orientable via un bras d'articulation 51 . Les mâts 121 sont reliés en leurs extrémités supérieures par une poutre 122 sur laquelle est fixée un vidéoprojecteur stéréoscopique 60. Les câblages de connexion de la caméra IR 40, du vidéoprojecteur 60 et de l'écran de commande 50 à l'ordinateur 20, et de connexion de ces équipements à un réseau d'alimentation électrique passent dans la poutre 122 et les mâts 121 du portique 120.

[0024] La pièce tangible 70, posée sur le plateau 1 1 , est destinée à être découpée virtuellement selon un exercice sélectionné par l'opérateur. Pour ce faire, l'opérateur agit sur la page de l'écran de commande 50 éditée par l'unité de gestion de l'ordinateur 20 pour sélectionner les différents paramètres définissant l'exercice: type de machine de coupe, type de coupe à effectuer, dureté du bois, pièce tangible définie par ses dimensions, paramètres de déformation du plat et du chant (pour dégauchisseuses), consignes de coupe (débit ou usinage: dimensions, profondeur de coupe, etc.), actions à réaliser, niveau d'expertise. [0025] La pièce tangible 70 fait partie d'un jeu 7 de cinq pièces (les quatre autres pièces sont rangées dans l'espace E1 ) de dimensions variables et adaptées aux exercices correspondants. Pour définir les exercices de coupe, l'unité de gestion de l'ordinateur 20 intègre des bibliothèques de caractéristiques de fonctionnement, de machines stationnaires de coupe, d'organes de coupe et de différents types de bois à découper. Le bois est défini par sa texture et sa dureté qui varie en fonction de la texture.

[0026] La pièce tangible 70 à découper virtuellement ainsi que la tête et les mains de l'opérateur sont équipés de marqueurs (cf. figure 6a et 6b) pour que la caméra IR 40 puisse les suivre en positions, orientations et de mouvements.

[0027] Une machine stationnaire de débit, une scie à ruban 80 dans l'exemple illustrée (seule sa partie supérieure est représentée pour simplifier la figure 1 ) étant sélectionnée, le vidéoprojecteur stéréoscopique 60 la projette au- dessus du plateau 1 1 . La lame 8b de la scie 80 vient transpercer le plateau 1 1 au point d'impact « I » et le guide latéral de coupe 1 10 est reculé en position arrière sur le plateau 1 1 . Ce ruban 8b est protégé par un organe de protection 82 réglable au cours de la coupe virtuelle. La scie à ruban 80 et ses accessoires projetés (lame 8b, organe de protection 82) sont visualisés par l'opérateur équipé de lunettes de visualisation 3D (cf. figure 6a).

[0028] L'analyse des images projetées par le vidéoprojecteur 60 telles que vues par la caméra IR 40 permet à l'unité de gestion, par conjonction de ces images avec le suivi de position et de mouvements de l'opérateur également réalisé par la caméra IR 40, d'adapter la perspective des images projetées à la position et à l'orientation de la tête de l'opérateur. La position et l'orientation de la tête de l'opérateur déterminent ainsi la combinaison des images projetées pour donner l'environnement en 3D.

[0029] Des zones de sécurité sont également projetées par le vidéoprojecteur 60 autour de la lame de coupe 8b. Alternativement, ces zones de sécurité peuvent être projetées sur et/ou devant la lame 8b. Ces zones sont adaptées en dimensions et forme à l'organe de coupe choisi pour l'exercice. Dans l'exemple, les zones de sécurité se composent de trois zones Z1 , Z2 et Z3, formant trois parallélépipèdes rectangles homothétiques et centrés sur la lame de coupe 8b: la zone d'accident Z1 délimitée par lame 8b, la zone de protection Z2 délimitée par l'organe de protection 82 et englobant la zone d'accident Z1 , et la zone d'alerte Z3 englobant la zone de protection Z2.

[0030] Les dimensions et la transparence de ces zones Z1 à Z3 sont des paramètres de la simulation liés à l'apprentissage: les zones sont visibles et colorées en permanence en mode « débutant » (avec un changement de couleur de la zone d'alerte Z3 en cas de franchissement), uniquement à l'approche des mains de la zone d'alerte Z3 en mode « avancé », et invisibles en mode « expert ». Une alerte visuelle est déclenchée sur l'écran de commande 50 en cas de franchissement de la zone d'alerte Z3. Dans tous les cas, l'entrée d'une main dans la zone de protection Z2 déclenche l'arrêt de l'exercice.

[0031] La vue supérieure du plateau de coupe 1 1 est illustrée sur la figure 2. Afin d'optimiser la projection stéréoscopique, le plateau 1 1 est recouvert d'un revêtement hautement réfléchissant, ici en matériau plastique blanc, sur sa face supérieure 1 1 s.

[0032] De plus, un électroaimant 2 (vu en transparence) piloté par l'unité de gestion est agencé sous le plateau 1 1 au niveau de l'impact « I » de l'organe de coupe virtuel. L'électroaimant 2 permet de freiner simultanément les mouvements de translation dans le plan XY et de rotation selon l'axe Z de la pièce tangible 70. L'unité de gestion définit la variation de la force d'attraction et la surface d'interaction de l'électroaimant 2 avec la pièce tangible 70 en fonction des conditions de l'exercice prévu et au fur et à mesure du déroulement de l'exercice, à savoir: la force de référence à exercer par l'apprenti sur la pièce, la dureté et la quantité de matière à enlever en une fois.

[0033] En outre, un organe vibratoire 3 (vu également en transparence), ici une lame vibrante, est également agencé sous le plateau 1 1 , à proximité de l'électroaimant 2. L'organe de vibration 3 activé avec l'électroaimant 2 et piloté en intensité de vibration par l'unité de gestion à travers la boucle de calcul de l'ordinateur 20 (figure 1 ). Du fait que les machines de coupe sont des machines tournantes et provoquent des vibrations par elles-mêmes et en interaction avec le bois à découper, l'organe vibratoire 3 est alors dédié à former des mouvements vibratoires du type de ceux que provoquerait la machine de coupe réelle correspondant à la machine virtuelle sélectionnée en fonction des conditions de l'exercice prévu.

[0034] Un bouton d'arrêt 4, positionné sur un bord transversal B4 du plateau 1 1 , permet de couper l'alimentation de l'électroaimant 2 en cas d'urgence, par exemple lorsqu'une zone de sécurité proche de la lame de coupe 8b est franchie par l'opérateur. Avantageusement, l'arrêt d'urgence est intégré à la simulation. Ainsi, lorsque l'opérateur actionne le bouton d'arrêt d'urgence 4, la simulation réagit comme une machine réelle (arrêt progressif du moteur, arrêt de l'exercice, etc.).

[0035] Pour compléter le réalisme de la coupe simulée, le système est avantageusement équipé de deux haut-parleurs 5a et 5b fixés de part et d'autre du plateau 1 1 pour simuler le bruit de la machine. Les haut-parleurs 5a, 5b sont également pilotés par l'unité de gestion de l'ordinateur 20 en fonction de la force exercée par l'électroaimant 2 et de l'intensité des vibrations générées par l'organe de vibrations 3. Le retour sonore est ainsi intégré à la boucle de calcul de l'ordinateur 20 à partir de la mise en contact avec la lame de coupe 8b avec la pièce tangible 70, en tenant compte de la dureté du matériau à découper virtuellement, ou dès la mise en route de la machine qui communique des vibrations à la table 10 (figure 1 ).

[0036] De plus, l'opérateur dispose classiquement d'un poussoir 6 pour dégager les chutes virtuelles ou pousser la pièce tangible 70 pour finir le geste de coupe ou d'usinage lorsque les mains sont trop proches de l'organe de coupe 8b. Le poussoir 6 est accroché au bord B2 du plateau 1 1 à l'aide d'un cordon souple 16. Avantageusement, le poussoir 6 peut être pourvu de marqueurs afin de suivre sa position à l'aide de la caméra IR 40 (figure 1 ).

[0037] Au cours de l'exercice, la position du guide latéral 1 10 - avec ses butées 13a, 13b couplées aux ergots 1 1 a, 1 1 b - peut se dérégler du fait des efforts importants générés par l'opérateur sur la pièce tangible 70. Pour permettre à l'opérateur de les repositionner correctement, le vidéoprojecteur 60 (figure 1 ) projette des vues simplifiées virtuelles de ces éléments suite à une consigne précise à exécuter. L'opérateur fait alors correspondre les éléments physiques (guide 1 10, ergots1 1 a et 1 1 b) aux éléments virtuels projetés. Il est ainsi inutile de projeter de chariot de transport de pièce à découper.

[0038] La vue en perspective de la figure 3 illustre la pièce tangible 70, repérée par une étiquette numérotée « R », sur la face supérieure 1 1 s du plateau 1 1 vu partiellement.

[0039] Les pièces tangibles telles que la pièce 70 ont une forme parallélépipédique et sont revêtues, sur deux faces F1 et F2 dites actives - une face F1 de plat et une face F2 de chant -, d'une couche ferromagnétique 7f. Les deux autres faces F3 et F4, respectivement opposées aux faces actives F1 et F2, sont revêtues d'une constellation de marqueurs IR 17. L'interaction entre l'électroaimant 2 et la pièce tangible 70 ne fonctionne que si l'une des faces actives F1 ou F2 est en contact avec la face supérieure 1 1 s du plateau 1 1 .

[0040] La quantité de marqueurs IR 17 par pièce 70 est déterminée de sorte à pouvoir garantir une continuité du suivi de position et de mouvement même lorsque les deux mains de l'opérateur cachent une partie de ces marqueurs 17.

[0041] De manière générale, les pièces à découper virtuellement 70 sont habillées par des images projetées par le vidéoprojecteur 60 en coopération avec la caméra IR 40 (figure 1 ) de suivi de positions, orientations et mouvements desdites pièces 70, et représentant des textures de bois définis dans la bibliothèque des matériaux.

[0042] On distingue les pièces de débit, découpées par les machines de débit - les scies à format et à ruban -, des pièces d'usinage découpées par les machines à usiner - dégauchisseuses et toupies -.

[0043] Les pièces de débit sont toujours posées sur le plat, face F1 dans l'exemple, et ne nécessitent pas de déformation virtuelle: les actions de coupe sont effectuées perpendiculairement au plateau 1 1 ce qui permet de travailler la pièce sur une découpe en 2D, puis de générer la 3D par extrusion.

[0044] Les images « matière », encore dénommées « habillages », sont ainsi extrudées selon l'axe Z pour les pièces de débit et la figure 4a illustre une vue en perspective d'une telle image « matière » extrudée 200. L'image « matière » 200 d'une pièce de bois virtuelle respecte les dimensions de la planche tangible 70 sur laquelle elle est projetée afin d'éviter les effets visuels d'étirement lors de la projection.

[0045] A cette image « matière » 200 est associée une image « dureté » 210, répartie uniformément sur l'axe Z. Chaque pixel d'une image « dureté » 210 correspond à une valeur de dureté normalisée, ici entre d1 et d5, comme illustrée par la vue supérieure de la figure 4b.

[0046] L'intensité du retour d'effort fourni par l'électroaimant 2 (figure 2) est pondérée par la dureté de la pièce réelle à découper répertoriée dans l'exercice sélectionné. Les images extrudées permettent alors de déterminer la dureté moyenne de la pièce réelle en tout point de tout niveau de coupe virtuel déterminé par l'unité de gestion et d'en déduire la force de l'intensité de l'électroaimant 2 à appliquer.

[0047] Quant aux pièces d'usinage, elles sont posées sur le plat ou sur le chant, faces F1 ou F2 dans l'exemple, et nécessitent des déformations virtuelles (la pièce étant avivée, creuse ou tuilée). L'unité de gestion utilise une technique d'image dite de « déplacement » à partir de laquelle est générée la pièce 3D.

[0048] La pièce de bois est en fait générée à partir de deux images respectivement extrudées selon les axes Z (le plat) et X (le chant). L'extrusion est alors non-uniforme et est fonction de l'image en « déplacement ». L'usinage agit alors directement sur cette image et implicitement sur la topographie de la pièce virtuelle.

[0049] Les quatre types de pièce de bois peuvent ainsi être simulées: pièce standard (sans déformation), pièce avivée (avec des rugosités sur le plat et sur le chant), pièce tuilée (avec une flèche de déformation sur le plat dans le sens de la largeur et des rugosités sur le chant), et pièce creuse (avec une flèche de déformation sur le plat dans le sens de la longueur et des rugosités sur le chant).

[0050] Par ailleurs, des consignes particulières peuvent être demandées par l'exercice. La vue supérieure de la figure 5a illustre une pièce virtuelle à découper d'habillage 170 sur la pièce tangible 70 indiquant une consigne de coupe pour la scie à ruban 80 (figure 1 ), à savoir le tracé courbe 18.

[0051] De plus, afin d'optimiser une coupe suite à la consigne de préparation d'un exercice - ici un dressage de la rive - l'opérateur peut être amené à orienter l'image « matière » 170 selon un angle Θ par rapport à la pièce tangible 70, comme illustré sur la vue supérieure de la figure 5b en référence au repère XY. Pour ce faire, il modifie l'angle Θ sur l'écran de commande et de contrôle 50 (figure 1 ).

[0052] L'exécution d'un exercice se déroule généralement en trois phases: la préparation, la réalisation et la finalisation.

[0053] La phase de préparation s'effectue sur l'écran de contrôle 50 et consiste à configurer la machine. En fonction de la machine virtuelle et du contexte de l'exercice, l'apprenti active les organes de sécurité, l'aspiration, la lumière, etc.

[0054] Lorsque le poste est correctement paramétré, la table de projection s'allume par la lumière projetée à partir du vidéoprojecteur 60 et l'apprenti est invité à s'équiper de lunettes de visualisation 3D ainsi que de traqueurs « main gauche » et « main droite ».

[0055] Les figures 6a et 6b illustrent, respectivement, un exemple de lunettes de visualisation 3D et un exemple d'équipement de main ou traqueur, les lunettes et le traqueur étant équipées de marqueurs de suivi de position / mouvements.

[0056]Ainsi, chaque charnière 90 des lunettes de visualisation 3D 9 est équipée de trois marqueurs IR 91 et chaque main 8 de l'opérateur est équipée d'un manchon « traqueur » 92 sur lequel cinq marqueurs IR 91 sont montés.

[0057] L'opérateur devrait veiller à ne pas inverser les traqueurs 92 de la main droite et celui de la main gauche, identifiés respectivement par une étiquette « droite » et « gauche ». Le traqueur de main permet ainsi à l'unité de gestion de suivre la position et le mouvement des mains en distinguant la main droite de la main gauche via la caméra IR 40 (figure 1 ). Les lunettes 3D à marqueurs IR 91 permettent à l'opérateur de visualiser correctement les images projetées par le vidéoprojecteur 60 (figure 1 ) et à l'unité de gestion de déterminer la position et l'orientation de la tête de l'opérateur via la caméra IR 40.

[0058]Afin d'illustrer quelques phases d'exercices de découpe avec différentes machines, les figures 7a à 7d montrent schématiquement la vue supérieure du plateau 1 1 de coupe lors de la mise en œuvre de ces différentes phases. Les machines de coupe concernées sont une scie à format pour un délignage et un tronçonnage (figures 7a et 7b), une scie à ruban pour un délignage au trait et un chantournement (figures 7c et 7d), une dégauchisseuse pour le dressage d'un bois avivé (figure 7e) et une toupie pour un toupillage continu (figure 7f).

[0059] Lors de la phase de préparation, l'opérateur met en route l'aspiration et la machine, active la protection, sélectionne le bon organe de coupe et passe à l'étape suivante.

[0060] Selon l'exercice, certains réglages demandent de réaliser une action physique adaptée sur le plateau de coupe 1 1 , en particulier le réglage du guide latéral 1 10, des ergots 1 1 a, 1 1 b et de la pièce tangible à découper 70 (figure 1 ). Pour cela, l'apprenti fait correspondre les éléments réels aux éléments virtuels projetés sur le plateau 1 1 .

[0061] Durant cette phase, les positions de la pièce tangible 70, de la tête et des mains de l'opérateur sont captées. Le vidéoprojecteur 60 projette sur le plateau 1 1 une zone d'ombre floutée au niveau des mains, pour masquer la pièce tangible 70, et une image « matière » sur la pièce tangible 70. La coupe est réalisée dans les volumes parallélépipédiques des zones de sécurité Z1 à Z3 (figure 1 ).

[0062] Dans la plupart des exercices, l'opérateur peut ajuster l'orientation de coupe en retournant l'habillage de pièce de 180° si l'orientation ne correspond pas à celle définie sur l'écran de commande 50 (figure 1 ).

[0063] Lorsque l'exercice est terminé, l'opérateur quitte ses lunettes 3D 9 (figure 6a) et finalise l'exercice sur le l'écran de commande 50 en arrêtant la machine, l'aspiration, etc. Les résultats s'affichent sur l'écran de commande 50 (figure 1 ).

[0064] Plus particulièrement, les deux premiers exemples d'exercice illustrés par les vues supérieures des figures 7a et 7b concernent l'utilisation d'une scie à format pour, respectivement, un délignage et un tronçonnage. [0065] Le délignage (figure 7a) consiste à effectuer une coupe droite à une distance X _d e _b le long d'un bord longitudinal (appelé « rive ») 310 d'une pièce tangible 71 devant être préalablement dressée.

[0066] En phase de préparation, l'opérateur oriente l'habillage de bois 220 sur l'écran de commande 50 en fonction de la lame de scie 8a afin d'optimiser le dressage de la rive. Un trait virtuel T1 est affiché sur l'écran 50 et projeté sur le plateau 1 1 dans le prolongement de la lame 8a. L'habillage 220 est déplacée selon l'axe X et orientée selon l'axe Z.

[0067]A l'issue de cette manipulation, l'unité de gestion détermine et mémorise la position du guide latéral 1 10 permettant de réaliser l'opération de « dressage » initial en faisant intervenir un guide virtuel 1 10a comme expliqué ci- dessous.

[0068] En phase de réalisation, le guide virtuel 1 10a est projeté sur le plateau 1 1 . Après avoir chaussé les lunettes 3D 9 et enfilé les traqueurs de main 92 (figures 6a et 6b), l'opérateur superpose le guide latéral « réel » 1 10 et le guide virtuel 1 10a. Il plaque alors le chant de la pièce 71 contre le guide 1 10 et réalise le dressage en déplaçant la pièce 71 selon l'axe Y (flèche Fy), pour éliminer une chute virtuelle correspondant à l'aubier de la pièce tangible à l'aide du poussoir 6.

[0069] L'unité de gestion détecte la fin de la séquence via la caméra IR 40 (figure 1 ) et l'opérateur « repositionne » le guide latéral 1 10 sur le guide virtuel 1 10a. Après serrage des butées 13a, 13b sur les ergots 1 1 a et 1 1 b, l'opérateur plaque la pièce tangible 71 contre le guide 1 10 et exécute le délignage en déplaçant la pièce tangible 71 selon l'axe Y (flèche Fy) en s'aidant du poussoir 6. L'opérateur évacue ensuite la pièce virtuelle débitée 71 c (située entre la lame 8a et le guide 1 10), puis replace virtuellement la pièce résiduelle 71 d en amont de la lame 8b dans l'unité de gestion via l'écran de commande 50 (figure 1 ). En fin d'exercice, l'opérateur retire les équipements de suivi, range la pièce tangible 71 et revient sur l'écran de commande 50 pour finaliser l'exercice.

[0070] Dans le cas du tronçonnage (figure 7b) sur une distance X' _d e _b de pièce tangible 72, l'unité de gestion utilise le guide latéral 1 10 pour simuler le chariot de transport de pièce en servant d'appui et ainsi faciliter la translation de la pièce tangible 72 selon l'axe 0Y (flèche Fy). Deux guides virtuels 1 10b et 1 10c sont projetés, l'un (1 10b) sur la position du guide latéral réel 1 10 et l'autre (1 10c) à l'emplacement de la position de l'habillage 230. Cette disposition permet avantageusement de parfaire le placement du guide latéral tangible 1 10 et de s'affranchir du porte-à-faux.

[0071] Cette séquence consiste à positionner l'habillage 230 en fonction de celle de la lame 8a afin d'optimiser le dressage initial de la rive. Pour aider au positionnement de l'habillage 230, un trait virtuel ΤΊ est affiché sur l'écran 50 et projeté dans le prolongement de la lame 8a.

[0072] L'opérateur peut déplacer l'habillage 230 selon l'axe X et l'orienter selon l'axe Z dans une phase de préparation. A l'issue de cette manipulation, l'unité de gestion détermine et mémorise la position du guide virtuel 1 10c et celle du guide réel 1 10 puis projette les guides virtuels 1 10b et 1 10c pour aider au placement du guide latéral 1 10 dans la phase de dressage initial, similaire à celle de l'exemple de délignage précédent. L'opérateur superpose alors le guide réel 1 10 au guide virtuel 1 10b. Il plaque ensuite le bord transversal 72a de la pièce tangible 72 contre le guide latéral 1 10. L'opérateur réalise alors le dressage selon l'axe Y (flèche Fy). Il place ensuite le guide latéral 1 10 en superposition du guide virtuel 1 10c à l'aide du serrage des ergots 1 1 a, 1 1 b et réalise alors le tronçonnage en déplaçant la pièce 72 selon l'axe Y (flèche Fy) en s'aidant du poussoir. L'opérateur évacue ensuite la pièce virtuelle débitée 72c, puis replace virtuellement la pièce résiduelle 72d en amont de la lame 8a dans l'unité de gestion via l'écran de commande 50 (figure 1 ).

[0073] Les deux exemples d'exercice suivants, illustrés par les vues supérieures des figures 7c et 7d, concernent l'utilisation d'une scie à ruban pour, respectivement, un délignage au trait et un chantournement (figure 7d).

[0074] Concernant le délignage au trait T2 (figure 7c), l'opérateur positionne la pièce tangible 73 face à la lame 8b et l'aligne au trait T2. L'opérateur réalise alors le sciage complet selon l'axe X (flèche Fx) puis repositionne la pièce tangible 73 en amont de la lame 8b.

[0075] L'unité de gestion via la caméra IR 40 détecte la fin de cette première séquence et affiche le deuxième trait T3 de coupe. L'opérateur réalise le deuxième sciage en suivant le trait T3. Une fois le second sciage effectué, l'opérateur éjecte la chute virtuelle 73c puis repositionne la pièce tangible 73 en amont de la lame 8b.

[0076] S'agissant du chantournement (par une combinaison de sciage linéaire selon Fx et en rotation selon Fz autour d'un axe parallèle à l'axe Z sur la figure 7d), l'opérateur suit le trait d'une courbe C1 dont le rayon garde le même signe. L'opérateur positionne la pièce tangible 73 à chantourner à la lame 8b. L'opérateur réalise alors le sciage complet et repositionne la pièce tangible 73 en amont de la lame 8b pour effectuer un délignage au trait et éliminer virtuellement la chute 73d.

[0077]Avec une dégauchisseuse, l'exercice qui suit (figure 7e) se rapporte au dressage d'un bois avivé par usinage (et, de façon équivalente, au dressage d'une pièce tuilée ou creuse, en informant l'unité de gestion de la position idéale de la pièce).

[0078] Lors de la phase de préparation, l'opérateur configure la profondeur de passe sur l'écran de commande 50 en fonction de la valeur de rugosité de l'habillage 240 proposé. Le vidéoprojecteur 60 projette alors le guide virtuel 1 10d et l'opérateur superpose le guide latéral réel 1 10 au guide virtuel 1 10d. Il pose à plat la pièce tangible 74 sur le plateau 1 1 et plaque le chant de cette pièce contre le guide latéral 1 10. L'usinage est réalisé en exerçant un effort selon l'axe Y (flèche Fy) par passage sur l'outil de coupe 8c tournant autour d'un axe parallèle à l'axe X. Lorsque l'opérateur a terminé la première « passe », il vérifie l'état de surface de la pièce tangible 74 en aval de l'outil de coupe 8c de Ha façon suivante.

[0079] En soulevant légèrement la pièce tangible 74, l'opérateur indique à l'unité de gestion qu'il souhaite visualiser l'habillage du « dessous » de la pièce usinée. Une image « matière » du résultat est alors projeté. En fonction de la qualité de l'état de surface estimée, l'opérateur choisit alors d'effectuer une nouvelle passe ou de finaliser l'exercice par un dressage du chant. Entre chaque passe, l'opérateur peut modifier la profondeur de passe sur l'écran de commande 50.

[0080] Le dressage du chant est effectué de façon équivalente au dressage de rive en plaquant la rive contre le guide latéraM 10. [0081] Le dernier exemple d'exercice se rapporte à un toupillage en continu (figure 7f). La toupie dispose d'un double organe de coupe 8d qui tourne sur un axe parallèle à Z et permet de réaliser une rainure R1 . L'opérateur pose la pièce tangible 74 à plat sur le plateau 1 1 puis la plaque sur chant contre le guide latéral 1 10. L'usinage est réalisé selon l'axe Y (flèche Fy) en passant devant l'outil de coupe 8d. Lorsque l'opérateur a terminé l'usinage, il repositionne la pièce 74 en amont du double organe de coupe 8d, la pièce restant à plat sur le plateau 1 1 .

[0082] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, le niveau d'apprentissage de l'opérateur pour un exercice donné peut être évalué par une analyse de l'exécution de cet exercice. L'analyse est effectuée sur la base de taux de réussite de critères de régularité de coupe, de vitesse d'exécution, de positionnement de l'opérateur, en particulier de ses mains, par rapport à un positionnement idéal et le respect sécuritaire au regard de la proximité de ses mains aux zones de sécurité Z1 à Z3.

[0083]Ainsi, la régularité de la coupe peut être évaluée en comparant la trajectoire idéale à celle imprimée par l'organe de coupe sur la pièce.

[0084] Pour un exercice donné, elle peut être échantillonnée sur l'ensemble de la coupe et correspond à la moyenne de la distance entre le centre de l'organe de coupe et la position idéale.

[0085] Pour les exercices d'usinage, ce critère peut correspondre à la distance maximale de la pièce tangible au guide latéral et permettre de déterminer si l'opérateur appuie correctement la pièce sur le guide latéral.

[0086] De plus, la vitesse de déplacement correspond à la vitesse de déplacement de la pièce tangible manipulée par l'opérateur. Par ce critère, l'unité de gestion contrôle la valeur et la constance de la vitesse sur l'ensemble d'un exercice.

[0087] Quant à la position des mains, elle est évaluée en comparant la position idéale à celle de l'opérateur et est échantillonnée sur l'ensemble de la coupe. Le critère peut se baser sur un intervalle de tolérance qui traduit la dérive maximale entre le centre de la main et la position idéale. [0088] La phase d'évaluation du système permettra d'analyser la précision du suivi de l'orientation des mains de l'opérateur. L'orientation des mains peut être évaluée pour qualifier plus finement le geste.

[0089] Enfin, pour le respect de la zone de protection, ce critère peut définir le coefficient d'homothétie à appliquer à la zone de protection Z2 pour obtenir la zone d'accident Z1 (tolérance inférieure) et la zone d'alerte Z3 (tolérance supérieure). En évaluant la distance entre les mains et la zone de protection Z2, le système fournit des indicateurs sur les gestes de l'opérateur en termes de sécurité.

[0090] Pour simplifier les projections, il est possible de ne projeter que la zone d'alerte Z3 en 2D (deux dimensions) sur le plateau de la table de coupe.

[0091] En outre, les moyens de réglage en position du guide latéral décrits, à savoir les ergots et les butées, peuvent être remplacés par tout moyen connu, par exemple crochets, bagues, tiges crantées, etc.

[0092] Par ailleurs, des aides visuelles à la coupe peuvent être projetés par le vidéoprojecteur. L'assistance se manifeste par l'affichage de guides visuels (flèches, informations) et/ou par la désactivation de certaines étapes de configuration de la machine. Par exemple, en mode « débutant », l'opérateur n'a pas à gérer la mise en route/l'arrêt de la machine et passe directement à l'exécution du geste de coupe attendu, le vidéoprojecteur projetant sur le plateau la position idéale des mains (« guidage explicite »). En mode « avancé », l'opérateur ne peut pas exécuter le geste de coupe tant que la configuration n'est pas complète (« guidage implicite »). Enfin, en mode « expert », si l'opérateur choisit d'exécuter un geste de coupe alors que la machine n'est pas entièrement paramétrée, l'exercice s'arrêté (« aucune assistance »).

[0093] En outre, pour masquer la pièce à découper, alternativement à la projection d'une zone floutée au niveau des mains durant une phase de réglage, un traitement de soustraction d'images des mains de l'opérateur peut être réalisé dans l'imagerie de suivi par l'unité de gestion numérique pour masquer la pièce à découper image par image.

[0094] De plus, outre le suivi des mains et de la tête, il est possible de prévoir une caméra qui capte le la silhouette de l'opérateur sans marqueurs (même principe que la « Kinect » de contrôle des jeux vidéo) afin de suivre la posture de l'opérateur dans son ensemble et de la restituer sous forme d'un squelette filaire.

[0095] Par ailleurs, il est possible de prévoir une communication de données entre plusieurs unités de gestion, chacune étant située sur une plateforme, et un serveur unique et de délivrer les pages du portail « formateur » sur tout ordinateur ou terminal via un réseau local ou Interne et un protocole d'accès pour un échange de données, par exemple pour stocker des données de résultats de compétence sur le serveur.

[0096] Cette communication peut être choisie entre un mode autonome, dans lequel l'unité de gestion et le serveur dédié sont accueillis sur un même site informatique, un mode connecté pour plusieurs unités de gestion dans lequel un site fonctionne en mode autonome et les autres unités de gestion sont connectées au serveur via un réseau local et Internet (ou uniquement le réseau local ou uniquement Internet), et un mode serveur dans lequel le serveur communique avec les unités de gestion via un réseau local et Internet (ou uniquement le réseau local ou uniquement Internet).