CN113303564A - 一种鞋底动态跟随喷胶方法及系统 - Google Patents

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苏惠阳
吕吉琳
黄煌清
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张明全
王平江
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Abstract

本发明提出一种鞋底动态跟随喷胶方法，对所需喷胶的鞋底产品进行三维扫描，根据点云数据和位置信息重建产品的三维模型；根据三维模型提取原始点位轨迹；去除原始点位轨迹的离群点云，剔除不良轨迹点位，得到点位轨迹；点位轨迹曲线拟合后，离散为等距轨迹点位；通过点云数据以及等距轨迹点位计算轨迹在鞋底点云上的面法向矢量；根据所得出的喷涂轨迹与传送带的位置信息计算机械臂实时跟随的点位信息，引入传送跟随模块结合工业相机来获取鞋底三维数据，将提取好的信息通过多关节机器人的空间运动能力、传送带的跟随运动以及喷胶设备实现鞋底动态跟随喷胶。本发明还提出一种鞋底动态跟随喷胶系统。

Description

一种鞋底动态跟随喷胶方法及系统
技术领域
本发明涉及机械自动化领域，具体涉及一种鞋底动态跟随喷胶方法及系统。
背景技术
目前，制鞋中的鞋底涂胶工艺处于半自动化甚至人工操作的水平，严重影响了成品鞋的品质，个性化制鞋更加无从谈起。传统大多数为人工刷底作业，如何减少人工重复劳动以及改善用工坏境成为了迫切需要解决的现实问题。制鞋业目前的生产方式的效率已是行业瓶颈。
现有一种基于单目视觉的鞋底喷胶设备及方法(专利公开号:CN109671123A),提出了一种自动化鞋底喷胶设备及方法，但是其工艺流程中，S6步骤“当与所述轨迹点位对应的鞋底被输送到预定位置后，所述传送带装置停止传送”，停止传送等待喷涂的过程属于无效工艺时间，却占据了一半的工艺耗时。
发明内容
本发明针对现有的缺陷，通过设计一种鞋底动态跟随喷胶方法及系统，消除等待喷涂的时间，大幅度减少工艺耗时。本发明技术方案如下：
一种鞋底动态跟随喷胶方法，包括以下步骤：
A、对所需喷胶的鞋底产品进行三维扫描，获得产品的点云数据和位置信息；
B、根据点云数据和位置信息重建产品的三维模型；
C、根据三维模型提取原始点位轨迹；
D、去除原始点位轨迹的离群点云，剔除不良轨迹点位，得到点位轨迹；
F、点位轨迹曲线拟合后，离散为等距轨迹点位；
G、通过点云数据以及等距轨迹点位计算轨迹在鞋底点云上的面法向矢量和喷涂轨迹；
H、根据喷涂轨迹与传送带的位置信息计算实时跟随的点位信息，并下发至执行机构，执行机构包括多关节机械臂，执行算法包括：
H1、根据工业相机输出的视觉坐标系下鞋底的当前位置(Xv，Yv，Zv)，通过坐标系转换获得物体在直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)；
Figure BDA0003048423100000021
式中，
Figure BDA0003048423100000022
为视觉坐标系相对于直角坐标系的坐标转换矩阵；
H2、采用差分的方法获得目标物体在直角坐标系下的线速度vB；
预测目标物体t时刻所在的位置(Xt，Yt，Zt)；
Figure BDA0003048423100000023
其中：t＝f(Δs，ΔV)，(X0，Y0，Z0)目标物体t时刻所在的位置；Vconvery为传送带的运动速度，aconvery为传送带的运动加速度，Δs是机械臂与目标物体当前的距离，ΔV是机械臂与目标物体速度矢量差；
H3、根据目标物体在机械臂直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)和速度矢量VB将目标物体位置逆解至关节空间：位置逆解通过运动学逆解模型，得到各个关节的目标位置q；采用雅克比矩阵的方法，得到各个关节目标速度矢量
Figure BDA0003048423100000024
Figure BDA0003048423100000025
式中，J-1(q)为雅可比矩阵的逆矩阵，V为笛卡尔速度；
H4、根据关节初始的位置q0和速度矢量
Figure BDA0003048423100000026
以及各个关节的目标位置q和目标速度矢量
Figure BDA0003048423100000031
在关节空间内进行关节轨迹规划，实时输出各关节的目标位置，再通过脉冲输出模块，转换为各个关节对应的电机脉冲值，驱动机械臂运动至目标位置，实现实时动态地跟踪鞋底喷胶。
进一步的，所述步骤H4的关节轨迹规划包括：
H41、各关节以梯形加减速进行轨迹规划：根据关节位移q-q0和初速度矢量
Figure BDA0003048423100000032
末速度矢量
Figure BDA0003048423100000033
规划处速度曲线，以最大加速度进行加减速，得出各关节规划的最短时间Timin；
H42、判定各关节该速度规划下是否存在死区，若存在，给出死区的左右边界Tl、Tr；
H43、以max{Timin，i＝1...n}为基准时间，其中n为关节数,若该时间在某一关节的死区内，则以该关节死区的右边界Tr为轨迹规划的基准时间，依次判断各关节，最终得到跨越了各关节死区的最优的轨迹规划时间Tmin；
H44、以最优的轨迹规划时间Tmin为轨迹规划时间,拓展其他关节的轨迹规划时间，重新对各个关节轨迹进行规划。
进一步的，所述步骤D采用Statistical outlier removal滤波器去除离群点云。
进一步的，所述步骤D采用中值滤波法剔除不良轨迹点位。
进一步的，还包括异常报警步骤，设置于步骤G之后，判断喷涂轨迹是否在评价参数阈值以内，如果是，则执行步骤H，如果否，则抛出异常报警信号。
一种鞋底动态跟随喷胶系统，包括扫描机构、传送机构、执行机构和运算控制机构，传送机构包括传送带、伺服电机和旋转编码器，伺服电机驱动传送带传动，旋转编码器设置于传送带上，记录传送带传动运动数据，扫描机构包括扫描架和工业相机，工业相机通过扫描架设置于传送机构前端上方，执行机构包括多关节机械臂和喷枪，运算控制机构接收扫描机构和传送机构的数据并控制喷枪和机械臂对产品进行喷胶。
进一步的，所述运算控制机构包括扫描处理及三维优化模块、传送跟随模块和喷胶模块，扫描处理及三维优化模块与工业相机连接，接收工业相机的数据并对其进行三维建模，传送跟随模块与旋转编码器连接，将扫描到的三维数据和旋转编码器记录的传送位置进行对比得到实时偏移坐标，喷胶模块与多关节机械臂连接，通过多关节机械臂控制喷枪位置和角度，喷胶模块和喷枪连接，控制喷枪雾化压力、物料压力、控制压力、轨迹补偿的工艺参数。
进一步的，所述运算控制机构包括轨迹提取优化模块，从三维点云提取轨迹信息，并将轨迹通过平滑降噪及算法的处理。
进一步的，所述喷枪包括气液两相式喷枪。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明消除等待喷涂的时间，大幅度减少工艺耗时，将工艺生产效率提升一倍。
2、本发明可根据喷涂轨迹和传送带的位置信息计算实时跟随的点位信息，在传送带加速、减速或者不规律传送时，仍然能够保证喷胶机构正常作业，系统稳定。
3、本发明通过关节轨迹规划，以最优方案调整机械臂关节进行最快速的跟随调节，并通过计算提前避免关节角度造成的转动死区，进一步提高系统稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明去除外壳、相机保护壳和电源以后的结构示意图。
图3为本发明的流程图。
其中图内标注信息为：
外壳1、电源2、传送带3、旋转编码器31、三色指示灯11、工业相机41、相机保护壳42、扫描架43、散热风扇44、六关节机械臂51、胶桶52、气液两相式喷枪53、运算控制机构6、鞋底7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2，本发明提供一种鞋底动态跟随喷胶系统，包括外壳1、电源2、扫描机构、传送机构、执行机构和运算控制机构6，传送机构包括传送带3、伺服电机和旋转编码器31，伺服电机驱动传送带3传动，旋转编码器31设置于传送带上，记录传送带3传动运动数据，扫描机构包括扫描架43、相机保护壳42、散热风扇44和工业相机41，相机保护壳42上设置有散热风扇44，将工业相机41和扫描架43包覆于内，工业相机41通过扫描架43设置于传送机构前端上方，执行机构包括六关节机械臂51、胶桶52和气液两相式喷枪53，气液两相式喷枪53通过六关节机械臂51对产品进行喷胶。所述运算控制机构6包括扫描处理及三维优化模块、传送跟随模块、轨迹提取优化模块和喷胶模块，扫描处理及三维优化模块与工业相机41连接，接收工业相机41的数据并对其进行三维建模，传送跟随模块与旋转编码器31连接，将扫描到的三维数据和旋转编码器31记录的传送位置进行对比得到实时偏移坐标，喷胶模块与六关节机械臂51连接，通过六关节机械臂51控制气液两相式喷枪53位置和角度，喷胶模块和气液两相式喷枪53连接，控制气液两相式喷枪53雾化压力、物料压力、控制压力、轨迹补偿的工艺参数，轨迹提取优化模块从三维点云提取轨迹信息，并将轨迹通过平滑降噪及算法的处理，外壳1将执行机构包覆于内，外壳1顶部设置有三色指示灯11。
本发明提供一种鞋底动态跟随喷胶方法，包括以下步骤：
A、对所需喷胶的鞋底7产品进行三维扫描，获得产品的点云数据和位置信息；
B、根据点云数据和位置信息重建产品的三维模型；
C、根据三维模型提取原始点位轨迹；
D、采用Statistical outlier removal滤波器去除原始点位轨迹的离群点云，采用中值滤波法剔除不良轨迹点位，得到点位轨迹；
F、点位轨迹曲线拟合后，离散为等距轨迹点位；
G、通过点云数据以及等距轨迹点位计算轨迹在鞋底7点云上的面法向矢量和喷涂轨迹，判断喷涂轨迹是否在评价参数阈值以内，如果是，则继续执行，如果否，则抛出异常报警信号；
H、根据喷涂轨迹与传送带3的位置信息计算实时跟随的点位信息，并下发至六关节机械臂51，并执行以下算法：
H1、根据工业相机41输出的视觉坐标系下鞋底7的当前位置(Xv，Yv，Zv)，通过坐标系转换获得物体在直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)；
Figure BDA0003048423100000061
式中，
Figure BDA0003048423100000062
为视觉坐标系相对于直角坐标系的坐标转换矩阵；
H2、采用差分的方法获得目标物体在直角坐标系下的线速度vB；
预测目标物体t时刻所在的位置(Xt，Yt，Zt)；
Figure BDA0003048423100000071
其中：t＝f(Δs，ΔV)，(X0，Y0，Z0)目标物体t时刻所在的位置；Vconvery为传送带3的运动速度，aconvery为传送带3的运动加速度，Δs是机械臂与目标物体当前的距离，ΔV是机械臂与目标物体速度矢量差；
H3、根据目标物体在机械臂直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)和速度矢量VB将目标物体位置逆解至关节空间：位置逆解通过运动学逆解模型，得到各个关节的目标位置q；采用雅克比矩阵的方法，得到各个关节目标速度矢量
Figure BDA0003048423100000072
Figure BDA0003048423100000073
式中，J-1(q)为雅可比矩阵的逆矩阵，V为笛卡尔速度；
H4、根据关节初始的位置q0和速度矢量
Figure BDA0003048423100000074
以及各个关节的目标位置q和目标速度矢量
Figure BDA0003048423100000075
在关节空间内进行关节轨迹规划，实时输出各关节的目标位置，再通过脉冲输出模块，转换为各个关节对应的电机脉冲值，驱动机械臂运动至目标位置，实现实时动态地跟踪鞋底7喷胶。
其中关节轨迹规划为：
H41、各关节以梯形加减速进行轨迹规划：根据关节位移q-q0和初速度矢量
Figure BDA0003048423100000076
末速度矢量
Figure BDA0003048423100000077
规划处速度曲线，以最大加速度进行加减速，得出各关节规划的最短时间Timin；
H42、判定各关节该速度规划下是否存在死区，若存在，给出死区的左右边界Tl、Tr；
H43、以max{Timin，i＝1...n}为基准时间，其中n为关节数,若该时间在某一关节的死区内，则以该关节死区的右边界Tr为轨迹规划的基准时间，依次判断各关节，最终得到跨越了各关节死区的最优的轨迹规划时间Tmin；
H44、以最优的轨迹规划时间Tmin为轨迹规划时间,拓展其他关节的轨迹规划时间，重新对各个关节轨迹进行规划。
使用时，将六关节机械臂51、工业相机41、气液两相式喷枪53和运算控制机构6开启并打开程序，将所需要喷涂的鞋底7放至传送带3上，气液两相式喷枪53通过六关节机械臂51随传送带3的鞋底7运动跟随喷涂，无需停止传送带3，消除等待喷涂的时间，大幅度减少工艺耗时。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种鞋底动态跟随喷胶方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、对所需喷胶的鞋底产品进行三维扫描，获得产品的点云数据和位置信息；
B、根据点云数据和位置信息重建产品的三维模型；
C、根据三维模型提取原始点位轨迹；
D、去除原始点位轨迹的离群点云，剔除不良轨迹点位，得到点位轨迹；
F、点位轨迹曲线拟合后，离散为等距轨迹点位；
G、通过点云数据以及等距轨迹点位计算轨迹在鞋底点云上的面法向矢量；
H、根据喷涂轨迹与传送带的位置信息计算实时跟随的点位信息，并下发至执行机构，执行机构包括多关节机械臂，执行算法包括：
H1、根据工业相机输出的视觉坐标系下鞋底的当前位置(Xv，Yv，Zv)，通过坐标系转换获得物体在直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)；
Figure FDA0003048423090000013
式中，
Figure FDA0003048423090000011
为视觉坐标系相对于直角坐标系的坐标转换矩阵；
H2、采用差分的方法获得目标物体在直角坐标系下的线速度vB；
预测目标物体t时刻所在的位置(Xt，Yt，Zt)；
Figure FDA0003048423090000012
其中：t＝f(Δs，ΔV)，(X0，Y0，Z0)目标物体t时刻所在的位置；Vconvery为传送带的运动速度，aconvery为传送带的运动加速度，Δs是机械臂与目标物体当前的距离，ΔV是机械臂与目标物体速度矢量差；
H3、根据目标物体在机械臂直角坐标系下的位置(XB，YB，ZB)和速度矢量VB将目标物体位置逆解至关节空间：位置逆解通过运动学逆解模型，得到各个关节的目标位置q；采用雅克比矩阵的方法，得到各个关节目标速度矢量
Figure FDA0003048423090000021
Figure FDA0003048423090000022
式中，J-1(q)为雅可比矩阵的逆矩阵，V为笛卡尔速度；
H4、根据关节初始的位置q0和速度矢量
Figure FDA0003048423090000023
以及各个关节的目标位置q和目标速度矢量
Figure FDA0003048423090000024
在关节空间内进行关节轨迹规划，实时输出各关节的目标位置，再通过脉冲输出模块，转换为各个关节对应的电机脉冲值，驱动机械臂运动至目标位置，实现实时动态地跟踪鞋底喷胶。
2.如权利要求1所述的一种鞋底动态跟随喷胶方法，其特征在于：所述步骤H4的关节轨迹规划包括：
H41、各关节以梯形加减速进行轨迹规划：根据关节位移q-q0和初速度矢量
Figure FDA0003048423090000025
末速度矢量
Figure FDA0003048423090000026
规划处速度曲线，以最大加速度进行加减速，得出各关节规划的最短时间Timin；
H42、判定各关节该速度规划下是否存在死区，若存在，给出死区的左右边界Tl、Tr；
H43、以max{Timin，i＝1…n}为基准时间，其中n为关节数，若该时间在某一关节的死区内，则以该关节死区的右边界Tr为轨迹规划的基准时间，依次判断各关节，最终得到跨越了各关节死区的最优的轨迹规划时间Tmin；
H44、以最优的轨迹规划时间Tmin为轨迹规划时间，拓展其他关节的轨迹规划时间，重新对各个关节轨迹进行规划。
3.如权利要求1或2所述的鞋底动态跟随喷胶方法，其特征在于：所述步骤D采用Statistical outlier removal滤波器去除离群点云。
4.如权利要求1或2所述的鞋底动态跟随喷胶方法，其特征在于：所述步骤D采用中值滤波法剔除不良轨迹点位。
5.如权利要求1或2所述的鞋底动态跟随喷胶方法，其特征在于：还包括异常报警步骤，设置于步骤G之后，判断喷涂轨迹是否在评价参数阈值以内，如果是，则执行步骤H，如果否，则抛出异常报警信号。
6.一种鞋底动态跟随喷胶系统，其特征在于：包括扫描机构、传送机构、执行机构和运算控制机构，传送机构包括传送带、伺服电机和旋转编码器，伺服电机驱动传送带传动，旋转编码器设置于传送带上，记录传送带传动运动数据，扫描机构包括扫描架和工业相机，工业相机通过扫描架设置于传送机构前端上方，执行机构包括多关节机械臂和喷枪，运算控制机构接收扫描机构和传送机构的数据并控制喷枪和机械臂对产品进行喷胶。
7.如权利要求6所述的一种鞋底动态跟随喷胶系统，其特征在于：所述运算控制机构包括扫描处理及三维优化模块、传送跟随模块和喷胶模块，扫描处理及三维优化模块与工业相机连接，接收工业相机的数据并对其进行三维建模，传送跟随模块与旋转编码器连接，将扫描到的三维数据和旋转编码器记录的传送位置进行对比得到实时偏移坐标，喷胶模块与多关节机械臂连接，通过多关节机械臂控制喷枪位置和角度，喷胶模块和喷枪连接，控制喷枪雾化压力、物料压力、控制压力、轨迹补偿的工艺参数。
8.如权利要求6所述的一种鞋底动态跟随喷胶系统，其特征在于：所述运算控制机构包括轨迹提取优化模块，从三维点云提取轨迹信息，并将轨迹通过平滑降噪及算法的处理。
9.如权利要求6所述的一种鞋底动态跟随喷胶系统，其特征在于：所述喷枪包括气液两相式喷枪。
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