CN110876512B - 一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法包括双目视觉三维重构步骤、激光中心曲线获取步骤、反射光噪声干扰剔除步骤、偏离的曲线点去除步骤、涂胶轮廓确定步骤、机器人连续姿态平滑处理步骤以及电机控制与通讯步骤，实现自动精确地对鞋底进行涂胶操作，避免鞋底在装夹过程中的位置偏差对涂胶精度产生影响，并有效避免机器人在涂胶轨迹上运动出现抖动，使得涂胶均匀，对于鞋料深色或者反光的鞋底也能同样实现自动化精确涂胶。本发明的鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法具有智能化高、成像稳定、通用性强、质量可靠等优点。

Description

一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法

技术领域

本发明涉及鞋底涂胶控制技术领域，尤其涉及一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法。

背景技术

制鞋业中涂胶工艺是鞋产品质量最为关键的工序之一，然而目前大多数鞋底涂胶仍然依靠人工涂胶，涂胶工艺面临着占用劳动力多、耗时长以及人工涂胶造成的制鞋质量不稳定的现状。因此利用机器人进行自动涂胶成为现代化制鞋业的发展趋势，相对传统人工鞋底涂胶有以下优势：

改善工人工作环境，实现“绿色健康生产”；减少劳动力，降低企业用工成本；实现自动化生产，提高鞋产品生产质量及其稳定性；

现有技术以及不足：西班牙鞋机生产商将3D视觉技术和工业机器人结合起来，通过安装在机械手末端的3D视觉摄像头对鞋底进行精确定位，驱动涂胶机械手对鞋底进行涂胶操作，该技术可以有效的避免鞋底在装夹过程中的位置偏差对涂胶精度产生的影响。

此发明也是在该领域的范围之内，然而现有的技术水平以及现有工业应用场景中，这类方法只满足于平底鞋或者运动鞋这类鞋底厚度均匀的鞋底，针对鞋底厚度不一，表面毛糙点多，鞋底成产一致性差，鞋料深色或者反光的鞋底(如，高跟鞋)仍然没有成行的解决方案以及设备。具体有以下三点技术难点难以突破：

成像难，3D视觉在深色或者反光物体上成像不足，容易造成重构错误或者重构缺失；轮廓难定义，女鞋(尤其是高跟鞋)其鞋面大多都是自由曲面，鞋子多种类的情况导致在边界上很难形成一种特有定义，难以形成通用。机器人连续姿态抖动，这类鞋底表面的粗糙毛躁点导致了从重构出来的鞋底点云法向量的不均匀，法向量的跳动最终导致了机器人在涂胶轨迹上运动出现了严重的抖动现象，这就造成了最终的涂胶不均匀，质量差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足而提供一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，解决了提高鞋底涂胶精度，实现自动化均匀涂胶的技术问题。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，包括：S1.双目视觉三维重构步骤：通过双目视觉系统标定，确定三维重构参数；

S2.激光中心曲线获取步骤：通过LOG算子分析，获取激光中心曲线；

S3.反射光噪声干扰剔除步骤：通过聚类算法和筛选原则剔除反射光噪声；

S4.偏离的曲线点去除步骤：通过直线拟合算法去除偏离直线的曲线点；

S5.涂胶轮廓确定步骤：通过电机编码器返回值，将筛选后的曲线合成深度图，求取涂胶轮廓；

S6.机器人连续姿态平滑处理步骤：确定机器人涂胶欧拉角，将抖动的欧拉角分别投影到三维平面上，对姿态角进行平滑处理；

S7.电机控制与通讯步骤：上位机电机控制、并与机器人通讯控制机器人涂胶轨迹运动和气阀的通断。

进一步地，在S1.双目视觉三维重构步骤中，通过双目相机标定，构建3D双目视觉光轴平行模型。

进一步地，在S2.激光中心曲线获取步骤中，对一维LOG算子进行离散化，沿着水平投射的激光线的图片列方向使用离散化LOG算子，将算子响应最大的列方向上的位置确定为激光线的中心位置。

进一步地，在S3.反射光噪声干扰剔除步骤中，当反射光出现同一列上有多条亮条纹的干扰时，进行条纹能量总和比较，保留能量最大的条纹剔除能量小的条纹，使每一列只有一个亮斑点。

进一步地，在S4.偏离的曲线点去除步骤中，使用最小二乘法拟合激光主干直线，偏离激光主干直线即认定为曲线点，超出涂胶范围将激光点去除。

进一步地，在S5.涂胶轮廓确定步骤中，通过电机运动相机拍照处理，将处理后的激光线计算三维坐标并合成深度图，计算深度图外围轮廓曲线，该曲线为涂胶轮廓线。

进一步地，在S6.机器人连续姿态平滑处理步骤中，机器人欧拉角固定值确定轨迹点的涂胶姿态，通过邻近点求取法向量存在的跳动，使用五点卷积平滑算法对欧拉角进行平滑处理去除连续姿态抖动，平滑处理姿态角。

进一步地，在S7.电机控制与通讯步骤中，动态获取涂胶轮廓和涂胶连续姿态信息，并向机器人控制器发送机器人位置和姿态信息，机器人控制器接收解析机器人位置和姿态信息并驱动机器人运动，机器人控制器控制胶水喷涂阀的打开与关闭。

本发明鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法的有益效果在于：

本发明通过双目视觉三维重构步骤、激光中心曲线获取步骤、反射光噪声干扰剔除步骤、偏离的曲线点去除步骤、涂胶轮廓确定步骤、机器人连续姿态平滑处理步骤以及电机控制与通讯步骤实现自动精确地对鞋底进行涂胶操作，避免鞋底在装夹过程中的位置偏差对涂胶精度产生影响，并使得涂胶均匀，对于鞋料深色或者反光的鞋底也能同样实现自动化精确涂胶。

附图说明

图1是本发明鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法的流程示意图；

图2是本发明双目视觉三维重构步骤中3D双目视觉光轴平行模型示意图；

图3是本发明机器人连续姿态平滑处理步骤中平滑处理示意图；

图4是本发明鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法采用的自动涂胶设备结构示意图；

图5是鞋底涂胶轨迹轮廓图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，包括：

S1.双目视觉三维重构步骤：通过双目视觉系统标定，确定三维重构参数；

S2.激光中心曲线获取步骤：通过LOG算子分析，获取激光中心曲线；

S3.反射光噪声干扰剔除步骤：通过聚类算法和筛选原则剔除反射光噪声；

S4.偏离的曲线点去除步骤：通过直线拟合算法去除偏离直线的曲线点；

S5.涂胶轮廓确定步骤：通过电机编码器返回值，将筛选后的曲线合成深度图，求取涂胶轮廓；

S6.机器人连续姿态平滑处理步骤：确定机器人涂胶欧拉角，将抖动的欧拉角分别投影到三维平面上，对姿态角进行平滑处理；

S7.电机控制与通讯步骤：上位机电机控制、并与机器人通讯控制机器人涂胶轨迹运动和气阀的通断。

在S1.双目视觉三维重构步骤中，通过双目相机标定，构建如图2所示的3D双目视觉光轴平行模型，所述模型基于视差原理的三维测量，其测量重构数学模型如式(1)：

其中f为焦距，c_x、c_y为图像中心点坐标，因此双目标定中确定了双目测量的基本参数，为后续鞋底重构确定基本参数。

在S2.激光中心曲线获取步骤中，对一维LOG算子进行离散化，沿着水平投射的激光线的图片列方向使用离散化LOG算子，将算子响应最大的列方向上的位置确定为激光线的中心位置。LOG响应E的计算公式如式(2)所示：

其中L_w是激光亮斑线在列方向的大致像素宽度，I(c,r+j)是图像上第c列，r+j行上的灰度值，w_j为第r+j行像素点计算LOG权重，LOG响应E在这点上取得最大值E_max为激光线中心能量值。

在S3.反射光噪声干扰剔除步骤中，根据激光亮条纹的连续性聚类原理，将图像上亮条纹进行分割成多条亮条纹中心线，计算每条亮条纹能量值之和当反射光出现同一列上有多条亮条纹的干扰时，进行条纹能量总和比较，保留能量最大的条纹剔除能量小的条纹，使每一列只有一个亮斑点。

在S4.偏离的曲线点去除步骤中，通过直线拟合提取分布在曲率较大的点，使用最小二乘法拟合激光主干直线，具体算法如下，令拟合直线多项式为y＝ax+b(3)，其偏差平方和为

其中(x_i,y_i)为第i个亮斑点像素坐标，n为激光线的亮斑点数量。对a，b分别求偏导数获得方程组如式(5)，求解获取直线多项式的参数。

计算激光点坐标到直线的距离，设定阈值D，若d大于阈值D即偏离激光主干直线即认定为曲线点，超出涂胶范围将激光点去除。在S5.涂胶轮廓确定步骤中，随着电机运动相机拍照处理，将处理后的激光线通过式(1)计算三维坐标并合成深度图，计算深度图外围轮廓曲线，如图5所示，该曲线为涂胶轮廓线。

在S6.机器人连续姿态平滑处理步骤中，机器人欧拉角固定值确定轨迹点的涂胶姿态，通过邻近点求取法向量存在的跳动，使用五点卷积平滑算法对欧拉角进行平滑处理去除连续姿态抖动，平滑处理姿态角。

具体来说，本发明使用欧拉角α、β、表达机器人的涂胶姿态，通过轨迹点邻近点进行求得轨迹点上的法向量[r_x,r_y,r_z]'，欧拉角AB矩阵表达为：

可求取欧拉角α、β，机器人欧拉角固定值确定了轨迹点的涂胶姿态，然而通过邻近点求取法向量存在的跳动如图3所示，本发明使用五点卷积平滑算法对欧拉角进行平滑处理去除连续姿态抖动现象，其五点平滑公式如式(8)：

将轨迹点上的姿态角α、β、分开带入式(8)对其进行平滑处理，最后保证轨迹位置和姿态的连续平滑。

在S7.电机控制与通讯步骤中，动态获取涂胶轮廓和涂胶连续姿态信息，并向机器人控制器发送机器人位置和姿态信息，机器人控制器接收解析机器人位置和姿态信息并驱动机器人运动，机器人控制器控制胶水喷涂阀的打开与关闭。

如图4所示，本发明鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法采用的鞋底自动涂胶装置，包括机架1，机架1设有中间板和底板，机架1顶部前后边框下固定线激光轮廓仪3，机架1的中间板上设有六轴机器人4和连接步进电机的导轨模组8，在导轨模组8上设有滑动的鞋楦固定板6及鞋楦5；机架1的底板上设有工控机9、机器人控制器10、驱动器11、胶水储蓄罐14和空压机15；工控机9控制驱动器11驱动所述步进电机使导轨模组9运行；工控机9从线激光轮廓仪3动态获取涂胶轮廓和涂胶连续姿态信息，并向机器人控制器10发送机器人位置和姿态信息，机器人控制器10接收解析机器人位置和姿态信息并驱动六轴机器人4运动；机器人控制器10在驱动六轴机器人4运动到开始涂胶位置时，控制胶水喷涂阀打开喷涂胶水，在驱动六轴机器人4运动到涂胶结束位置时，控制胶水喷涂阀关闭并向工控机9返回涂胶结束信号，工控机9控制驱动器11驱动导轨模组9返程。

鞋底自动涂胶装置的工作过程为：将鞋子套在鞋楦5上，鞋底朝上；按下操作盒2上的驱动器按钮，驱动器11驱动导轨模组8将鞋子送至六轴机器人4前方；导轨模组8配合线激光轮廓仪3对鞋底进行重构并将其数据存储在工控机9上，工控机9对三维点云数据进行分析处理，获取涂胶轮廓以及涂胶连续姿态；工控机9将轨迹离散点的机器人位置和姿态打包发送给六轴机器人4，机器人控制器10接收到数据进行解析并驱动六轴机器人4运动；在接收到工控机9的运动指令并运动到涂胶开始位置点后，机器人控制器10将设定好的IO置为高电平，通过电磁阀通断打开气阀，开始喷胶水；涂胶完成后返回信号给工控机9，运动控制卡给电机指令将驱动导轨返程，以此重复工作。

本实施例提供的鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法的优点为：

第一，智能化高：取代人工涂胶，实现鞋底涂胶的自动化生产工艺；

第二，成像稳定：本发明在三维成像质量上解决了反射光噪声干扰问题，在一些亚镜面物件上仍可保证三维重构质量；

第三，通用性强：本发明不只是针对平底鞋、运动鞋，更适用于女鞋(如，高跟鞋)这类曲面复杂的鞋底涂胶，通用性跟好；

第四，质量可靠：本发明实现高质量的鞋底涂胶工艺，涂胶工艺可靠稳定，不受环境人为等因素影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1.双目视觉三维重构步骤：通过双目视觉系统标定，确定三维重构参数；

S2.激光中心曲线获取步骤：通过LOG算子分析，获取激光中心曲线；

S3.反射光噪声干扰剔除步骤：通过聚类算法和筛选原则剔除反射光噪声；

S4.偏离的曲线点去除步骤：通过直线拟合算法去除偏离直线的曲线点；

S5.涂胶轮廓确定步骤：通过电机编码器返回值，将筛选后的曲线合成深度图，求取涂胶轮廓；

S6.机器人连续姿态平滑处理步骤：确定机器人涂胶欧拉角，将抖动的欧拉角分别投影到三维平面上，对姿态角进行平滑处理；

S7.电机控制与通讯步骤：上位机电机控制、并与机器人通讯控制机器人涂胶轨迹运动和气阀的通断，在S1.双目视觉三维重构步骤中，通过双目相机标定，构建3D双目视觉光轴平行模型，在S2.激光中心曲线获取步骤中，对一维LOG算子进行离散化，沿着水平投射的激光线的图片列方向使用离散化LOG算子，将算子响应最大的列方向上的位置确定为激光线的中心位置，

在S3.反射光噪声干扰剔除步骤中，当反射光出现同一列上有多条亮条纹的干扰时，进行条纹能量总和比较，保留能量最大的条纹剔除能量小的条纹，使每一列只有一个亮斑点，

在S4.偏离的曲线点去除步骤中，使用最小二乘法拟合激光主干直线，偏离激光主干直线即认定为曲线点，超出涂胶范围将激光点去除。

2.根据权利要求1所述的鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，其特征在于：

在S5.涂胶轮廓确定步骤中，通过电机运动相机拍照处理，将处理后的激光线计算三维坐标并合成深度图，计算深度图外围轮廓曲线，该曲线为涂胶轮廓线。

3.根据权利要求1所述的鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，其特征在于：

在S6.机器人连续姿态平滑处理步骤中，机器人欧拉角固定值确定轨迹点的涂胶姿态，通过邻近点求取法向量存在的跳动，使用五点卷积平滑算法对欧拉角进行平滑处理去除连续姿态抖动，平滑处理姿态角。

4.根据权利要求1所述的鞋底高精度自动化涂胶系统的控制方法，其特征在于：

在S7.电机控制与通讯步骤中，动态获取涂胶轮廓和涂胶连续姿态信息，并向机器人控制器发送机器人位置和姿态信息，机器人控制器接收解析机器人位置和姿态信息并驱动机器人运动，机器人控制器控制胶水喷涂阀的打开与关闭。