CN105437768A - 基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于各种纪念品或装饰品上的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人系统，本发明研究的这款智能艺术喷绘机器人可以通过内置的编程软件将摄像机捕捉的景物或人物影像处理成明暗对比强烈的图像，再通过复杂算法控制手臂“握”笔喷绘出所见场景或人像，让艺术画作更加形象逼真，并通过线段插补算法和运行速度控制气筒的喷涂量，从而达到清晰连贯的绘画效果。本发明结合了先进的计算机硬件、计算机视觉系统和人工智能，使用本机器代替人工的操作，机器人绘画一幅画耗时不超过10分钟，其速度远远超过街头艺术家，同时，增加了艺术装饰品生产的趣味性，可快速抢占艺术装饰品行业应用市场，有广泛的应用和广阔的发展前景。

Description

基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人

技术领域

本发明涉及一种装饰品上的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人，属于工业及商业应用领域。

背景技术

很多人小时候都非常喜欢画画，或是人物，或是一些可爱的小动物。然而随着我们的成长，曾经绘画的兴趣也渐行渐远，绘画技巧已渐渐生疏，只有对艺术家绘画的崇拜和羡慕。随着人工智能的发展，机器人在越来越多的领域“崭露头角”，其应用范围逐渐扩大，从工业领域扩大到各行各业。能否让机器人帮助我们实现绘画的梦想，把照片画成素描，可将它作为一件艺术品或独一无二的装饰品收藏。但目前鲜见对艺术绘画机器人的研究，由于其控制难度高，将成为机器人控制研究的新领域。

本发明结合自动化技术，设计一种可以应用于纪念品或装饰品上的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人，弥补艺术家绘画价格昂贵、耗时等缺点，这款智能艺术喷绘机器人可以通过内置的编程软件将摄像机捕捉的人物影像处理成明暗对比强烈的图像，再通过复杂算法控制手臂“握”笔喷绘出所见场景或人像。值得一提的是，它能自动捕捉景物阴影或人物脸部阴影等细节，让艺术画作更加形象逼真，并通过运行速度控制气筒的喷涂量，从而达到清晰连贯的艺术绘画效果。由于其具有以下特点：(1)结构简单、维修方便、安全系数高；(2)可供普通用户操作，价格相较艺术家绘画低廉，且效率高，可降低成本；(3)代替人完成装饰品装饰工作，使用本机器代替人工的操作，增加了装饰品生产的趣味性，减少了人工成本的支出。因而可以快速抢占装饰品行业应用市场，在艺术装饰品加工生产中有着广泛的应用和广阔的发展前景。

发明内容

基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人可将采集得到的彩色图片，经图像处理，转换为艺术素描效果，通过控制三轴机械臂及加载在上面的气筒喷绘出清晰完整的艺术图像，用于装饰业艺术装饰；也可通过画笔，进行纪念品绘制等。具有个性化定制，趣味十足；低成本，高回报；适用性广，安全稳定等特点。

本发明的技术方案是：

基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人，以运动控制轴卡为主导，配合步进电机、变频器和检测传感装置等，通过机械手臂的三轴运动控制，实现定位功能、圆弧插补、直线插补，同时考虑速度控制气量，即控制喷绘线段粗细效果等功能。方案以运动控制卡为主控核心，采用摄像头作为检测装置，来获取人像图片，运用图像处理算法提取人像轮廓，并运用步进电机作为执行装置来调整机械手臂位置，通过控制算法编程控制实现机械手臂的艺术素描喷绘动作。

本发明的有益效果是：

本发明针对艺术家绘画成本昂贵，自主研发了应用于装饰品上的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人，通过机器视觉采集图像,并通过图像处理算法提取图像轮廓，再通过控制算法程序及运动控制卡、PLC控制与三轴机械臂运动绘制素描图像，在装饰加工企业生产中有着广泛的应用和广阔的发展前景从而提高生产效率，增加企业效益。艺术素描喷绘机器人将自动化技术与传统装饰业有机结合，使得装饰制作工艺彻底摆脱了传统装饰品花样单一的缺陷，真正做到每个装饰品都是独一无二的艺术收藏品，给装饰品商家创造了更为广阔的发展空间。

附图说明

图1是本发明所述的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人系统框图；

图2是本发明所述系统中的智能图像处理的流程框图；

图3是本发明所述系统中的运动控制硬件框图；

图4是本发明所述系统中的运动控制流程框图

具体实施方式

基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人可将采集得到的彩色图片，经图像处理，转换为艺术素描效果，通过控制三轴机械臂及气筒喷涂出清晰完整逼真的图像。图1是本发明所述的整个系统框图，包括如下模块：

1.视觉模块

如图1所示，视觉模块包括光源、光源控制器与图像采集卡，通过光源控制器调节光源明暗，通过USB摄像机自动捕捉较清晰图像，通过图像采集卡将拍摄的图像传送至电脑，进行图像处理。

2.视觉引导控制模块

利用VC++编程和图像处理halcon软件进行图像处理，以获得清晰完整的图像轮廓及阴影部分。根据图像的特点，采用运动控制卡实现对三轴机械臂的运动控制及气量控制，分析特定点的位置，实现定位功能、圆弧插补、直线插补，使用相应插补运算和喷涂气量控制线段粗细方法实现图像的绘制。

(1)图像处理模块

图像处理模块流程如图2所示，包括图像阴影部分提取与轮廓提取，经过图像滤波、边缘检测、图像轮廓提取、分割、拟合得到图像坐标，然后编写运动控制程序实现三轴机械臂的艺术喷绘动作。

图像处理算法：(a)锐化滤波对图像进行锐化处理，提取图像阴影部分。(b)边缘检测算法EdgeDrawing(ED)算法，采用智能算法来连接目标点，得到简洁连贯的，一个像素宽度的矢量式边缘图。(c)轮廓提取采用阈值分割和骨架化算法,将ED算法得到的双边缘的像素块图细化为线条。(d)然后采用轮廓分割和线段拟合算法获得后面的运动控制模块绘制图像所需要的线段起始点坐标和终点坐标。(e)坐标转换将摄像头与载物台坐标系统一，可避免图像绘制时图像几何失真(几何畸变)，使三轴机械臂喷绘的图像清晰完整。

(2)控制算法实现

运动控制流程如图4所示，通过视觉引导控制器的程序控制进行相应的动作。其中，(i)通过相机获取图像坐标，再通过图像处理软件halcon进行坐标标定，即将图像坐标转换为喷绘图像的载物台坐标；(ii)三轴电机驱动器通过脉冲控制三轴步进电机进行X、Y、Z轴配合运动；(iii)判断坐标点是线段起始点或锐角拐角，步进电机进行S型加速运动，否则进行匀速运动；(iv)图像轮廓绘制时，喷管里装液体颜料喷绘，阴影部分绘制时，喷管里装固体颗粒状颜料粉喷绘。

此外，绘制图像过程中，还需要考虑如下步骤：

(a)插补算法

若为轮廓线，判断是直线还是圆弧，选择直线插补或圆弧插补；其次要判断是否为第一个起始点，还是可与上一段相连的线段，从而选择是否使用连续插补。

(b)图片比例缩放：

为避免尺寸过小的图片经过图像处理后，线段过短、过密导致无法绘制出图片细节，以及尺寸较大的图片导致防机械臂运动超出绘图范围，无法控制。需通过图片的比例缩放，获得了较好的图像效果。

(c)线段排序：

为使三轴机械绘图具有一定的顺序，形成较快的效率，同时，绘制较好的组成连贯的线条，避免产生偏差。程序设计需考虑对轮廓分割的线段进行排序，使三轴机械臂按坐标相近的线段或圆弧绘制图像，从而提高运动效率。

(d)圆弧方向判断：

对于圆弧轮廓分割时，通过计算获得圆弧的起始和终点坐标，并判断圆弧的正负方向，否则易导致绘制的图像混乱。

(3)速度控制模块

在本发明中，通过将插补与速度控制结合，处理图像素描的绘制问题，实现图像不规则形状轮廓的勾画，深浅、粗细的素描效果，以及从而得到连贯清晰逼真的图像。其中，需要考虑如下步骤：(a)判断线段的粗细，若轮廓线为较粗线段或图像为阴影部分时，则三轴机械臂运行速度变慢，即气管喷涂量增大。(b)当图像线段为起始线段或线段中的有锐角拐角的线段连接，为避免匀速控制出现的抖动、震动、所画线段不匀称等问题，则采用S型加减速控制方式，从而得到更加平滑的绘制线条效果。

3.运动控制模块

如图3所示，包括三轴机械臂、运动控制卡、传送带、PLC以及用于喷绘图像控制的气路控制器和喷管。其中，(a)运动控制卡的三轴输出连接三轴机械臂里的电机驱动器；(b)三轴电机驱动器输出与步进电机相连，用于驱动三轴机械臂的X、Y、Z轴运动；(c)运动控制卡的远端扩充模组连接PLC、触摸屏等其他设备；(d)气路控制器的电磁阀输出连接喷管，控制喷绘量，喷管装载在三轴机械臂的Z轴上。

本发明充分利用先进的视觉检测技术、数字图像处理技术、运动控制、智能算法等，通过运动控制卡、电机驱动器、步进电机与PLC控制，在画纸或装饰上绘制完整清晰的人物或图像素描。本发明结合自动化技术在艺术行业应用的现实需求，将自动化技术与传统装饰业有机结合，使得装饰品或艺术品绘制工艺摆脱了花样单一的缺陷，根据客户对图案的需求，只需提供照片就可通过机器绘制出素描效果，做到使每个装饰品都是独一无二艺术品，给装饰品商家创造了更为广阔的发展空间。在装饰品加工企业生产及其他艺术品绘制等产业中有着广泛的应用和广阔的发展前景。

Claims (5)

1.该系统包括视觉模块、视觉引导控制模块、运动控制模块。所述智能艺术喷绘机器人系统的视觉模块的输出端通过USB摄像机和图像采集卡与视觉引导控制模块连接，视觉引导控制模块的输出通过运动控制卡与运动控制模块连接，运动控制卡的三轴输出连接三轴机械臂里的电机驱动器；三轴电机驱动器输出与步进电机相连，用于驱动三轴机械臂的X、Y、Z轴运动；运动控制卡的远端扩充模组连接PLC、触摸屏等其他设备。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人系统，其特征在于：所述视觉模块包括光源、光源控制器与图像采集卡，通过光源控制器调节光源明暗，通过USB摄像机自动捕捉较清晰图像，通过图像采集卡将拍摄的图像传送至电脑，进行图像处理。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的智能喷艺术绘机器人系统，其特征在于：所述视觉引导控制模块包括图像处理模块、控制算法模块和速度控制模块。图像处理模块包括图像滤波(阴影提取)、边缘检测、图像轮廓提取、分割、拟合得到图像信息，控制算法模块通过编写运动控制程序实现三轴机械臂的绘画喷绘动作。速度控制模块通过将插补算法与S型加减速控制相结合，保证系统在启动或者停止时不产生冲击、失步、超程或者振荡，得到更加平滑的运动效果，实现图像不规则形状轮廓的勾画，阴影，深浅、粗细的素描效果，以及图像细节中的如锐角拐角等，从而得到连贯清晰逼真的艺术图像。

4.权利要求3中所述的基于机器视觉的智能艺术喷绘机器人系统的图像处理算法和控制算法，具体包括以下步骤：

(1)边缘检测算法采用EdgeDrawing算法，克服了传统图像处理算法中会出现的断点现象，简化边缘提取中双像素转化为单像素的过程；

(2)程序控制算法通过视觉引导控制器的程序控制进行相应的三轴运动。其中，(i)通过相机获取图像坐标，再通过图像处理软件halcon进行坐标标定，即将图像坐标转换为喷绘图像的载物台坐标；(ii)三轴电机驱动器通过脉冲控制三轴步进电机进行X、Y、Z轴配合运动；(iii)判断坐标点是线段起始点或锐角拐角，步进电机进行S型加速运动，否则进行匀速运动；(iv)图像轮廓绘制时，喷管里装液体颜料喷绘，阴影部分绘制时，喷管里装固体颗粒状颜料粉喷绘。此外，绘制图像还需要考虑如下步骤：(a)连续插补；(b)图片比例缩放；(c)线段排序；(d)圆弧方向判断；(e)速度控制喷管喷绘量，即控制绘制线段的粗细。

5.根据权利要求4所述的智能喷绘艺术机器人控制方法，其特征在于：(1)权利要求4所述的步骤(2)包括：以运动控制卡为主控核心，可同时实现任意三轴直线插补、任意两周圆弧插补及任意连续插补功能。(2)运用步进电机作为执行装置来调整机械手臂位置，通过程序控制实现机械手臂的素描喷绘动作。(3)同时，根据图像轮廓和阴影的不同，选择喷管里的不同性质的喷绘颜料，从而可在装饰品上展现清晰逼真的图案，可以适应各种形状的绘制喷涂，提供简单高效的个性化服务。