CN111820545A

CN111820545A - 一种结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法

Info

Publication number: CN111820545A
Application number: CN202010574149.6A
Authority: CN
Inventors: 贺磊盈; 洪迪华; 陈刚; 李秦川; 武传宇
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT; Zhejiang Sci Tech University ZSTU; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2020-10-27

Abstract

本发明涉及一种鞋底喷胶轨迹的生成方法。技术方案是：一种结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，该方法包括下列步骤：步骤1：利用线结构光在线扫描鞋底，获得指定鞋底当前姿态下的点云模型，步骤2：对当前点云模型以标准点云为目标进行采样一致性初始配准算法处理，获得粗配准坐标变换矩阵Tsac；步骤3：对粗配准后所得的点云模型以标准点云为目标进行最近点迭代算法处理，求得精配准坐标变换矩阵Ticp；步骤4：将坐标变换矩阵T＝Tsac·Ticp作用在离线所得的喷胶轨迹上，即可得到当前鞋底所需的喷胶轨迹。该方法具有喷胶轨迹精度高、喷胶质量好、生产的标准化程度高的特点。

Description

一种结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种鞋底喷胶轨迹的生成方法，尤其涉及一种基于线结构光并结合离线与在线扫描生成鞋底喷胶轨迹的方法。

背景技术

鞋底喷胶工序是自动化制鞋的关键工序；目前实际生产中所采用的自动化喷胶工艺参考数据往往是利用线结构光扫描鞋底所获得的鞋底深度数据和姿态图数据。此类数据的缺点在于，当鞋底曲面形状不连续时，利用线结构光扫描无法获得完整的鞋底三维点云信息，影响喷胶轨迹的生成。针对这种情况，目前常用的方法是利用离线编程技术将示教得到的鞋底应用到生产线中。但这种方法需要增加喷胶工位，同时喷胶时鞋底的位姿也存在误差，这些都影响了此类鞋底的自动喷胶生产，较难保证鞋底的喷胶质量。因此，这种模式无法很好地满足对复杂鞋底实现喷胶工序自动化的质量要求。另一个面，目前实际生产中很多情况下是一种喷胶工艺只针对一种型号的鞋底，如果需要更换产品就必然伴随着工艺方法的改变，例如需要重新示教、调试设备等，费时费力；因而一种生产工艺方法在一定程度上能同时适用于多种不同种类的产品是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于线结构光传感器将离线与在线扫描相结合的自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，该方法具有喷胶轨迹精度高、喷胶质量好、生产的标准化程度高的特点。

本发明提供的技术方案是：

一种结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，

该方法包括下列步骤：

步骤1：利用线结构光在线扫描鞋底，获得指定鞋底当前姿态下的点云模型，

步骤2：对当前点云模型以标准点云为目标进行采样一致性初始配准算法处理，获得粗配准坐标变换矩阵Tsac；

步骤3：对粗配准后所得的点云模型以标准点云为目标进行最近点迭代算法处理，求得精配准坐标变换矩阵Ticp；

步骤4：将坐标变换矩阵T＝Tsac·Ticp作用在离线所得的喷胶轨迹上，即可得到当前鞋底所需的喷胶轨迹。

所述步骤1中获得点云模型后，需要滤波去除噪点。

本发明的有益效果是：

1.本发明分成了离线和在线两个部分，使得生产模块化，让鞋底标准模型的获取能独立于生产过程，且在实际生产中标准模型不会被修改，使得生产的标准化程度更高；

2.本发明只需提高鞋底标准模型的精准度、改进点云的匹配算法，就能提高喷胶轨迹的精度，提高喷胶质量，改进方式便捷，可满足一般的工业需求。

附图说明

图1是实施例中运动鞋完整鞋底点云图。

图2是实施例中运动鞋底喷胶轨迹示意图。

图3是实施例中在线扫描鞋底点云图。

图4是实施例中在线鞋底点云与喷胶轨迹示意图。

图5是本发明提供的在线配准方法流程图。

图6是本发明提供的整体系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明所述结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，首先在离线状态下获得指定运动鞋鞋底的完整点云数据并在此基础上手动或自动地生成喷胶轨迹。再通过在线扫描获得当前鞋底点云数据，对两个点云进行采样一致性初始配准算法与最近点迭代算法处理，求得坐标变换矩阵。将坐标变换矩阵作用于离线获得的喷胶轨迹上，进而自动生成当前鞋底的喷胶轨迹。

步骤是：

1.利用线结构光获得当前鞋底点云数据：

利用线结构光传感器扫描鞋底，提取图像中的激光光条中心，根据线结构光的三维检测原理可以得到光条中心所有点的三维坐标，最终获得鞋底当前姿态下的三维点云数据。

2.匹配当前鞋底点云与鞋底标准点云：

将在线扫描得到的点云数据与离线获得的标准点云数据进行对比，利用SAC-IA和ICP配准算法快速获得当前点云的坐标变换矩阵。具体步骤如下：

1)准备两片点云，目标点云Q和待配准点云P，先对两片点云进行统计滤波去噪点，再从点云P中获取n个采样点，同时获取这n个采样点的点特征直方图(FHPF)。

计算点特征直方图的方法是先对每一个待计算的采样点p_q，计算出该点与其k个领域点之间的相对关系，以此建立简化的点特征直方图SPFH，记为S(p_q)，再求出以上k个领域点的SPFH，最终通过计算，得到快速点特征直方图F(p_q)，计算表达式为

式中：w_i为第i个领域点的SPFH特征的加权值。

2)在点云Q中查找与点云P中的采样点具有相似FPFH特征的一个或多个点，从这些相似点中随机选取一个点作为点云P在点云Q中的对应点。

3)计算所有对应点对间的坐标变换矩阵，利用对应点变换后的距离误差和来判断变换矩阵的性能，以此判断对应点对匹配是否合理。可使用Huber罚函数来表示距离误差和函数。

其表达式记为

式中：m_l是定值，l_i表示经变换后第i组对应点对之间的距离差值。

4)最后将距离误差和最小的点对关系作为最优对应点对关系，其所对应的坐标变换矩阵即可作为采样一致性初始配准的粗配准变换矩阵T_sac，将该变换矩阵作用于点云P后可得经过粗配准的点云P’。

5)将上述粗配准点云P’作为待配准点云，对点云P’中的每一个点P_i，在点云Q中寻找距离最近的对应点Q_i，作为该点在点云Q中的对应点组成初始对应点对，可利用k-d树近邻搜索方法来进行匹配点的搜索。

6)采用方向向量阈值剔除错误的对应点对。计算上述得到的各对应点间的单位法向量夹角，通过设定的阈值剔除错误对应点对。

7)计算旋转矩阵R和平移向量t，使对应点集之间的均方误差最小。

8)设定阈值ε和最大迭代次数N_max，将第7步中得到的坐标变换矩阵作用于点云P’，得到新点云P”，计算点云P”与点云Q的距离误差值，如果两次迭代间误差的差值小于阈值即ε＝d_k-d_k-1或者迭代次数大于N_max，则迭代结束，否则更新点云P”，重复以上步骤，直至满足收敛条件。将每一步迭代过程中得到的坐标变换矩阵进行累乘，最终得到的坐标变换矩阵T_icp即为精配准变换矩阵。

将粗配准坐标变换矩阵右乘精配准变换矩阵，即可求得最终坐标变换矩阵T＝T_sac·T_icp。

3.利用坐标变换矩阵生成当前鞋底喷胶轨迹：

将上述求得的最终坐标变换矩阵作用在标准喷胶轨迹上，即可生成当前鞋底喷胶轨迹。

设喷胶轨迹上的一点p的坐标为(x,y,z)^T，对其作用变换矩阵T，可得变换后的点p’＝pR+t。

设L上有n个点{p₁,p₂,…,p_n}，则曲线L’即为{p’₁,p’₂,…,p’_n}的集合。

本发明具体实施例如下：

步骤1：在离线状态下，利用专业的立体相机获得指定鞋型的完整点云(标准鞋底点云如图1所示)并结合相应的喷胶工艺得到相应喷胶轨迹L(标准喷胶轨迹如图2所示)。

步骤2：利用线结构光在线扫描鞋底，并对生成的点云模型(在线扫描所得不完整的鞋底点云如图3所示)与已有的鞋底标准点云进行采样一致性初始配准算法与最近点迭代算法处理，求得坐标变换矩阵。

首先进行采样一致性初始配准，将在线扫描鞋底点云作为待配准点云P，将标准鞋底点云作为目标点云Q。先对。两个点云进行体素滤波，去掉多余点，减少计算量。再从点云P中获取n个采样点，同时获取这n个采样点的点特征直方图。然后在点云Q中查找与点云P中的采样点具有相似FPFH特征的一个或多个点，从这些相似点中随机选取一个点作为点云P在点云Q中的对应点。

计算所有对应点对间的坐标变换矩阵，利用Huber罚函数来判断变换矩阵的性能，值越小则变换矩阵性能越好。

(3)最后将距离误差和最小的点对关系作为最优对应点对关系，其所对应的坐标变换矩阵T_sac即可作为采样一致性初始配准的粗配准变换矩阵，将该变换矩阵作用于点云P后可得经过粗配准的点云P’。

(4)然后对P’进行最近点迭代配准，将粗配准点云P’作为待配准点云，对点云P’中的每一个点P_i，利用k-d树近邻搜索方法，在点云Q中寻找距离最近的对应点Q_i，作为该点在点云Q中的对应点组成初始对应点对，采用方向向量阈值剔除错误的对应点对。计算对于点集的旋转矩阵R和平移向量t，使对应点集之间的均方误差最小。

(5)设定阈值ε和最大迭代次数N_max，将得到的坐标变换矩阵T作用于点云P’，计算新点云P”与点云Q的距离误差值，如果两次迭代间误差的差值小于阈值即ε＝d_k-d_k-1或者迭代次数大于N_max，则迭代结束，否则更新点云P”，循环迭代直至满足收敛条件。将每一步迭代过程中得到的坐标变换矩阵进行累乘，最终得到的坐标变换矩阵即为精配准变换矩阵T_icp。

T_icp＝T₁T₂T₃…T_n，n≤N_max

将粗配准坐标变换矩阵右乘精配准变换矩阵，即可求得最终坐标变换矩阵。本例中计算所得坐标变换矩阵为：

步骤3：将坐标变换矩阵T作用于离线所得的喷胶轨迹L上，所得新曲线即为所需要的当前鞋底喷胶轨迹L’。

本实施例中经过旋转矩阵变换后所得扫描轨迹曲线如图4所示，其中点云为在线扫描所得鞋底点云P，曲线为所求的当前喷胶轨迹L’。

本发明在实践过程中，只需更换不同的标准模板数据，即可适应不同种类的产品，而无需修改其他工艺流程，相对更加便捷。此外鞋底的设计人员相对生产工艺设计人员而言更清楚鞋底的结构，如果将鞋底结构的标准模板交由鞋底设计人员提供，例如本发明所需的鞋底标准点云模型及标准喷胶轨迹等，则对后续提高所需喷胶轨迹的生成精度有很大帮助。

Claims

1.一种结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的结合离线与在线扫描自动生成鞋底喷胶轨迹的方法，其特征在于：所述步骤1中获得点云模型后，需要滤波去除噪点。