CN113727862A - 用于在3d表面上进行高精度打印的系统和方法 - Google Patents

用于在3d表面上进行高精度打印的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于在3D表面上打印图像的方法和系统，其中控制打印机器人以首先执行编码器图案捕捉运行。在此运行期间，机器人的打印头被控制以跟踪在3D表面上可能会稍微变形的编码器图案，同时来自固定在打印头上的惯性数据测量单元的惯性数据连同从由安装在打印头上的照相机捕捉的编码器图案的一部分的图像中导出的方向和位置数据被存储。接下来，在打印运行期间，控制打印头以使得照相机第二次跟踪编码器图案，同时基于在编码器图案捕捉运行期间存储的惯性、和方向以及位置数据来调整打印头的打印和/或打印头的位置。

Description

用于在3D表面上进行高精度打印的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种使用安装在定位设备的端部上的一个或多个打印头在3D(三维)表面，特别是弯曲的3D表面上进行高精度打印的系统和方法。
背景技术
美国专利申请号15/044,764(通过引用并入本发明)描述了一种液体应用系统，包括：至少一个打印头，其包括：第一液体喷射器，用于在表面上沉积着色液体；第二液体喷射器，用于在表面上沉积液体；以及至少一个图像采集设备；多个可操作地耦合到至少一个打印头的可致动元件；以及打印头控制器，其可通信地耦合到第一液体喷射器、第二液体喷射器、多个可致动元件和至少一个图像采集设备，其中打印头控制器被适配成：将第一液体喷射器与表面的第一部分上的编码器图案对齐，该对齐至少部分地基于从至少一个图像采集设备接收的图像数据；使第一液体喷射器选择性地将着色液体作为图形条带(swath)跨表面的第一部分上的编码器图案的至少一部分沉积；以及使第二液体喷射器选择性地将液体作为编码器图案沉积在表面的第二部分上。一旦已经在表面上以足够的精度打印了带有初始编码器图案的条带，已知系统就提供用于对抗振动和保持后续条带与初始编码器图案对齐的机制。然而，当打印第一编码器图案时，打印头经受结构振动，这可能导致第一编码器图案的失真，该失真可传播到所打印的图像。为了准确打印图像而没有明显失真，应至少部分地考虑此类结构振动。
本发明的目的是提供一种系统和方法，该系统和方法允许应用于要打印图像的表面的编码器图案被用于在弯曲表面上的高精度打印。
发明内容
为此，根据第一方面，本发明提供了一种用于使用如下组件将图像打印到物体(诸如飞行器)的三维弯曲表面上的方法：打印机器人，其包括基座；由基座支撑且可相对于基座移动的臂；打印头，其具有耦合到打印介质源的多个喷嘴，该臂承载打印头，其中该打印头适配成基于控制信号来喷射打印介质，并且可相对于基座在至少六个移动自由度内移动，用于引起打印头沿该弯曲表面的相对移动，打印机器人进一步包括布置在臂的端部并且适配成捕捉弯曲表面的图像的照相机；内部位置确定系统，其包括多个传感器，用于确定打印头相对于基座的位置和方向；以及惯性测量单元(IMU)，其相对于打印头固定并适配成在打印头上提供惯性数据；该方法包括以下步骤：在编码器图案捕捉运行期间：以如下方式控制打印机器人跨表面的第一条带移动打印头：使得照相机跟踪表面上的初始编码器图案，以及在打印头移动期间，在存储器中将由IMU测量的惯性数据连同相对于所述初始编码器图案的、从由照相机在移动期间捕捉的初始编码器图案的各部分导出的所述照相机的相关联位置和方向数据存储在一起；以及在打印运行期间：以如下方式控制打印机器人跨第一条带移动打印头：使得照相机跟踪表面上的初始编码器图案，以及以如下方式控制打印头的移动并控制喷嘴将打印介质喷射到表面上以在表面上打印图像的一部分：使得基于在编码器图案捕捉运行期间存储在存储器中的惯性数据和照相机的相关联位置数据来调整所述部分相对于初始编码器图案的方向和/或位置。
通常，构成初始编码器图案的不同部分将有点失真，例如，初始编码器图案的主轴将不会沿着要被打印的图像的表面上的直线完全对齐。除了以非线性方式稍微失真之外，初始编码器还可以例如，由于在打印初始编码器图案期间打印头相对于表面的速度的变化被拉伸或压缩。
在现有技术的系统中，当表面上的初始编码器图案失真时，随后在跟踪编码器图案的同时在表面上打印的图像将以类似方式失真。例如，如果初始编码器图案应沿表面上的直线延伸，但沿曲线轻微失真地施加，则打印图像的上边缘将基本上平行于曲线，并且失真可通过打印图像传播。如果在表面上施加图案期间，初始编码器图案通过拉伸而失真，则图像的上边缘将以类似方式拉伸。
通过在编码器图案捕捉运行期间测量并存储惯性数据以及相机相对于编码器图案的相关联位置和方向数据，可以确定表面上的编码器图案失真的测量。本发明允许在一次或多次打印运行期间基本上补偿初始编码器图案的这种失真，以便可以高精度地在表面上打印图像。例如，当表面上的编码器图案已经被扭曲使得其沿着曲线延伸时，则根据本方法打印的图像的上边缘仍然可以位于基本上直线上，而不是平行于曲线。类似地，如果在表面上的图案施加期间，编码器图案已通过拉伸(例如非均匀拉伸)而失真，则本发明允许在基本上没有相应失真的情况下打印图像。因此，通过基于在编码器图案捕捉运行期间存储的测得数据，调整在打印运行期间在表面上打印图像或其一部分，可以实现改进的打印头定位的精度。
合适的编码器图案的示例包括绝对编码器图案和周期编码器图案、任何已知的伪随机图案、灰度编码的二进制图案等。在一些实施例中，编码器图案可以从打印在表面上的图像的条带物理位移或偏移，或者编码器图案可以作为条带的一部分(例如，沿着要被打印的图像的边缘)或至少在条带的一部分上施加(例如，作为在紫外线下可见的光学透明着色液体)。
从编码器图案的每个捕捉的图像(可能添加了来自内部位置确定系统的位置和方向数据)，可以确定图像已经在编码器图案中的哪个相对位置被捕捉。由于相机相对于打印头的位置是固定的，因此确定打印头相对于编码器图案的位置和方向，至少沿弯曲表面，也是可能的。
优选地，在编码器图案捕捉运行期间，打印头在打印运行期间以较低速度跨第一条带移动。通过在编码器图案捕捉运行期间以相对较低的速度测量数据，机器人的结构振动对测量的影响可被减小。打印图像的条带的每次运行将进行地更快，例如，至少为编码器图案捕捉运行的至少两倍。
在一实施例中，图像被存储在存储器中，并且调整打印部分相对于初始编码器图案的方向和/或位置，该调整包括以下中的一者或多者：调整喷嘴喷射定时；动态偏移存储器中的图像；以及调整打印头相对于臂的位置和/或方向。在编码器图案捕捉运行期间存储的惯性数据和位置以及方向数据可以连同要被打印的图像存储在同一存储器中。
在一实施例中，该方法进一步包括在编码器图案捕捉运行之前，跨表面的第一条带提供初始编码器图案的步骤。这可以包括确定表面上的初始位置，例如使用外部参考系统，以及随后在表面上提供编码器图案，编码器图案的末端位于初始位置处。
在优选实施例中，提供初始编码器图案的步骤包括控制打印机器人在表面的第一条带上打印初始编码器图案的同时，跨所述第一条带移动打印头。因此，当编码器图案被施加于表面时，人员可与表面和/或机器人保持一定距离。以此方式，改进了人员安全性。另外，当打印机器人在表面上打印初始编码器图案时，打印机器人的照相机也将能够跟踪初始编码器图案。
在替换实施例中，提供初始编码器图案的步骤包括使用与打印机器人隔开的光投影仪将初始编码器图案投影到所述表面的第一条带上，或将包括初始编码器图案的标记条附着在表面的第一条带上。在使用光投影仪的情况下，当在俯视图中看到时，光投影仪优选地布置在基座和投影图案的表面之间。在使用标记条的情况下，标记条被优选地可移除地，例如通过粘合剂附着到表面上，以便在表面上已经打印了图像后可以容易地移除标记条。
在一实施例中，控制器被适配成控制打印机器人在编码器图案捕捉运行期间和/或在打印运行期间定位打印头，以基于IMU在所述运行期间感测的惯性数据来补偿打印头的高频振动。
在一实施例中，图像是以200DPI(每英寸点数)或更高分辨率在表面上打印的照片或徽标。打印图像时跟踪表面上的编码器图案在如此高的分辨率下尤其有利。
在一实施例中，打印头是喷墨打印头。
在一实施例中，打印机器人进一步设置有一个或多个距离传感器，该一个或多个距离传感器相对于打印头固定，并被适配成测量打印头到弯曲表面的距离，其中控制器进一步适配成控制打印机器人以当打印介质从喷嘴喷出时，将打印头保持在距离表面0.2至1.2cm的距离。
在一实施例中，打印运行包括在表面上打印要在后续打印运行期间被用于打印图像的毗邻条带的另一编码器图案。在表面上打印的另一编码器图案优选地基本上对应于已经基于在编码器图案捕捉运行期间存储的数据来调整的初始编码器图案。因此，如果初始编码器图案失真，则可以以基本上更少失真的方式在表面上打印另一编码器图案。因此，在后续打印运行期间，可以通过跟踪另一编码器图案而不调整初始编码器图案和/或另一编码器图案的失真来打印图像的毗邻条带。因此，可以以美国专利申请号15/044,764中描述的方式执行进一步的打印运行。
在一实施例中，在编码器图案捕捉运行期间，机器人的编码器提供的位置和方向数据连同IMU测量的惯性数据以及从编码器图案导出的方向和位置数据一起被存储，并且其中在打印运行期间，基于存储的由编码器提供的位置和方向数据来进一步调整。例如，可以提供编码器，其提供关于打印机器人的基座和桅杆之间、桅杆和臂之间以及臂和腕之间的相对运动的数据。通过存储来自三个不同源的位置和/或方向数据，即从照相机捕捉的编码器图案部分导出的数据、由(诸)IMU测量的数据和来自编码器的数据，可以计算表面上的编码器图案失真的准确估计。在打印运行期间，打印机器人可被控制以针对这种失真进行至少部分地调整。
根据第二方面，本发明提供了一种用于将图像打印到物体(诸如飞行器)的三维弯曲表面上的系统，该系统包括：打印机器人，其包括基座、由基座支撑且可相对于基座移动的臂，打印头，其具有耦合到打印介质源的多个喷嘴，该臂承载打印头，其中该打印头适配成基于控制信号来喷射打印介质，并且可相对于基座在至少六个移动自由度内移动，用于引起打印头沿该弯曲表面的相对移动，打印机器人进一步包括布置在臂的端部并且适配成捕捉弯曲表面的图像的照相机；内部位置确定系统，其包括多个传感器，用于确定打印头相对于基座的位置和方向；以及惯性测量单元(IMU)，其相对于打印头固定并适配成在打印头上提供惯性数据；该系统进一步包括控制器，其被适配成：在编码器图案捕捉运行期间：以如下方式控制打印机器人跨表面的第一条带移动打印头：使得照相机跟踪表面上的初始编码器图案，以及在打印头移动期间，在存储器中将由IMU测量的惯性数据连同相对于初始编码器图案的、从由照相机在移动期间捕捉的各部分导出的照相机的相关联位置和方向数据存储在一起；以及在打印运行期间：以如下方式控制打印机器人跨第一条带移动打印头：使得照相机跟踪表面上的初始编码器图案，以及以如下方式控制打印头的移动并控制喷嘴将打印介质喷射到表面上以在表面上打印图像的一部分：使得基于在编码器图案捕捉运行期间存储在存储器中的惯性数据和照相机的相关联位置数据来调整所述部分相对于初始编码器图案的方向和/或位置。因此，该系统被适配成首先执行编码器图案捕捉运行，在此期间不打印图形图像的任何部分，以及随后沿初始编码器图案重新转换路径并打印图像的一个或多个部分，同时补偿表面上编码器图案的失真。
在一实施例中，第一条带基本上线性延伸，并且其中控制器被适配成在打印头跨第一条带移动期间以如下方式相对于表面控制打印机器人：使得打印头相对于基座以非线性方式移动，和/或使得在打印头跨第一条带移动期间，打印头相对于弯曲表面以可变速度移动。
在一实施例中，打印机器人包括高度至少为10m的垂直桅杆，其中垂直桅杆被支撑在基座上，并可绕垂直轴相对于基座旋转，其中臂由桅杆以如下方式可移动地支撑：使得臂能够沿垂直轴相对于桅杆移动，并且绕水平轴相对于桅杆旋转，臂的长度至少为5m。
在一实施例中，打印头的喷嘴跨越的区域小于要在表面上打印的图像区域。
在一实施例中，打印机器人设置有一个或多个距离传感器，该一个或多个距离传感器相对于打印头固定，并被适配成测量打印头到弯曲表面的距离，并且其中控制器进一步适配成控制打印机器人以当打印介质从喷嘴喷出时，将打印头保持在距离表面0.2至1.2cm之间的距离，优选0.3至1cm之间的距离。
在一实施例中，控制器被适配成控制打印机器人在编码器图案捕捉运行期间和/或在打印运行期间定位打印头，以基于IMU在所述运行期间感测的惯性数据来补偿打印头的高频振动。
在一实施例中，机器人进一步包括用于感测机器人的组件的位置和/或方向数据的编码器，其中控制器进一步适配成在编码器图案捕捉运行期间，将编码器感测的位置和/或方向数据与IMU测量的惯性数据以及从编码器图案导出的位置和方向位置数据存储在存储器中，并且其中控制器被适配成在打印运行期间，基于存储的来自编码器的方向和/或位置数据来进一步打印图像的一部分。例如，可以提供编码器，其提供关于打印机器人的基座和桅杆之间、桅杆和臂之间以及臂和腕之间的相对运动的数据。
附图的简要说明
下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中：
图1A、1B和1C分别示意性地示出了根据本发明的系统及其细节；
图2A和2B分别示出了理想情况下在弯曲表面上提供的初始编码器图案，以及以夸张方式在弯曲表面上以失真方式施加的相同编码器图案；以及
图3和4分别示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1A示意性地示出根据本发明的用于将图像3打印到飞机10的一个或多个弯曲3D表面11、12上的打印系统1的透视图。系统1包括移动打印机器人100和示意性描绘的控制器20，用于控制机器人的移动以及控制从打印头150喷射墨水以打印图形图像。打印机器人100包括基座100，基座100带有致动轮111，用于驱动机器人围绕飞机10跨地板2移动。车轮111经由柔性悬架系统连接至基座，以允许平稳驾驶和稳定停放操作。
图1B示出了处于驱动模式的打印机器人100的细节，其中打印机器人100的轮子111接触地板2，从而可以驱动机器人穿过地板。基座进一步还设有支撑，当机器人处于驱动模式时，该支撑与地板2隔开。图1C示出了处于停放模式的打印机器人，其中机器人的基座被支撑在支撑113上的地板2上，并且其中车轮11与地板2隔开。当机器人处于停放模式时，其基座固定至地板，并且机器人可被用于在表面11上打印图像，而基本上不会受到基座相对于地板2或表面11的力矩的阻碍。
尽管在图1A中，弯曲表面11、12是飞机10的外表面，但应理解，打印系统1可被用于将图像打印到交通工具或结构，诸如直升机、船舶、卡车、汽车、水下航行器、航天器；或涉及大面积和/或复杂定位以到达所有表面的任何交通工具或结构的3D表面上。
回看图1A，机器人包括基本上垂直延伸的桅杆120，其以如下方式支撑在基座110上：使得桅杆可以围绕基本上从基座110垂直延伸的轴Z相对于基座旋转。桅杆120依次支撑臂130，该臂130可以相对于桅杆120沿着轴Z以及臂的纵向X平移。臂还可以相对于桅杆120绕基本水平的轴Y旋转，该轴Y垂直于臂的纵向X延伸。
在臂130的端部，设置了腕140，打印头150附连至腕140。打印头设置有用于在表面上喷射墨水的多个喷嘴，并且进一步设置有照相机，如图2A中示意性地示出。
桅杆120设置有编码器121，其测量桅杆绕Z轴相对于基座110的旋转位置。臂130依次设置有编码器131，其测量臂130绕轴Y相对于桅杆120的旋转位置，并且进一步设置有编码器132，其测量臂130相对于水平轴Y的平移位置，以及编码器133，其沿Z轴测量臂130相对于桅杆的平移位置。腕140设置有一个或多个编码器141，用于确定打印头相对于臂130的在其处腕被附连至臂的末端的旋转和平移位置。编码器121、131、132、133和141都是用于确定打印头150相对于基座110的位置和方向的内部位置确定系统的一部分。内部位置确定系统进一步包括固定至打印头150的IMU 158。
使用系统1，可以如下所示在飞机10的外表面11的一部分上打印图形图像3，诸如照片或徽标。首先，控制轮111以使基座在地板2上跨越移动，直到基座位于打印头150可以布置在离要被打印的图像的表面近但间隔开的位置。接下来，控制柔性支撑以将车轮111从地板上提起，直到基座基本上相对于地板2稳定地支撑在支架113上，并且机器人处于停放模式。这基本上防止了打印期间基座在地板上跨越滚动，例如，当桅杆和/或臂相对于基座移动时。
一旦机器人处于停放模式，就可通过控制桅杆120绕Z轴相对于基座的旋转，以及通过控制臂130相对于桅杆的平移和旋转来实现打印头相对于表面11的粗略定位。打印头150相对于表面11的更精细的定位可以通过腕140的致动来执行，经由腕140，打印头150被支撑在臂130的端部。腕140为打印头提供相对于臂的端部的6个移动自由度。
在这种精细粒度定位期间，控制机器人以移动打印头，使得打印头的喷嘴被移动到要打印的图像3的表面11上的0.2和1.2cm之间的预定距离内。为此，打印头140设置有一个或多个距离传感器，用于测量打印头到打印头前面的表面的距离。美国专利申请号15/044,764的图2A和2B中示出了与机器人100连用的合适的打印头，该打印头包括此类距离传感器，该专利通过引用被结合。
打印头与表面保持间隔，以防止对表面的损坏，并将打印头的喷嘴放置在与表面相对较短的距离处，可能在表面上以200DPI或更高的分辨率从打印头喷射墨滴。
图2A示意性地解说了当图像3被打印在表面11上时的表面11的三个条带220n…220n+2，。打印头150包括第一喷嘴152、第二喷嘴154和照相机156，所有这些都被布置成面向表面11。打印头进一步设置有惯性运动测量单元(IMU)158，其适配成测量打印头在6个移动自由度中的速度和/或加速度。IMU可以包括陀螺仪、加速计等。
为了提供打印头相对于表面11的精确定位，在条带200n+1上提供了编码器图案210n+1，其中图像的一部分由第一喷嘴152打印。同时，第二喷嘴154在条带200n+2上打印另一编码器图案210n+2，使得当在条带200n+2上打印图像的一部分时，照相机可以跟踪另一编码器图案。另一编码器图案的精度以及在表面上打印图像3的精度取决于已经在表面上提供的初始编码器图案的精度。
当在表面上提供这样的初始编码器图案时，对已经提供的更早期的编码器图案的引用是不可用的。因此，表面上的初始编码器图案可能在某种程度上失真，如图2B中所解说的。图2B示出了在表面11上提供的初始编码器图案2100。尽管初始编码器图案理想地应具有平行于表面上的直线延伸的主轴，如图2A的编码器图案210n+1的情况，但在实践中，初始编码器图案通常以稍微扭曲的方式在表面上提供。这在图2B中通过其主轴沿曲线的初始编码器图案来解说。
图3示出了本发明的方法的流程图，该方法旨在允许在表面上精确打印图像，即使在表面上提供的初始编码器图案已经失真。该方法利用了包括基座和打印头的打印机器人，其中打印头可相对于基座在至少6个移动自由度内移动，并且其中照相机相对于打印头固定并定位以捕捉初始编码器图案的一部分。该机器人的打印头进一步设置有一个或多个惯性测量单元(IMU)，其可在6个自由度下测量打印头的加速度。该机器人包括传感器，通常是编码器，用于分别确定基座和桅杆之间、桅杆和臂之间以及臂和腕之间的相对运动。这种编码器可以附连到电动机上，用于驱动基座和桅杆、桅杆和臂以及臂和腕之间的相对运动。
在步骤300中，在表面上提供初始编码器图案，例如通过在表面上预定位置附近的表面上施加在其上已打印初始编码器图案的胶带或箔，或者通过使用与机器人和编码器图案所投影的表面隔开的光投影仪将初始编码器图案投影到表面上。在这两种情况下，表面上产生的初始编码器图案可能会在一定程度上失真。
在步骤310中，控制机器人以将打印头粗略定位在初始编码器图案附近。这可能需要在机器人处于驱动模式时控制机器人，从而驱动机器人穿过地板，以及随后将机器人置于停放模式并以如下方式控制桅杆和臂：使得打印头位于表面上的预定位置附近，直到照相机能够捕捉编码器图案的一部分的图像。从这种所捕捉的编码器图案的一部分的图像中，可以确定照相机相对于编码器图案的相对位置和方向。通常，编码器头到表面的距离不是根据所捕捉的初始编码器图案的图像确定的。使用打印头上提供的距离传感器测量该距离。
在步骤320中，以如下方式控制机器人以定位打印头：使得照相机能够捕捉初始编码器图案的开始或结束部分。通常，这需要在照相机跟踪编码器图案时移动打印头，直到清楚地将相机放置在开始或结束部分上。在跟踪期间，来自距离传感器的测量被用于将打印头保持在距离表面0.2到1.2cm之间的预定范围内。
在步骤330中，执行编码器图案捕捉运行，在此期间，当照相机跟踪编码器图案时，打印头从初始编码器图案的一端移动。在该运动期间，由打印头上的一个或多个IMU测量的惯性数据连同相对于初始编码器图案的、从由照相机在移动期间捕捉的初始编码器图案的各部分导出的照相机的相关联位置和方向数据被存储在存储器中。该步骤优选地以相对较低的速度执行，以便可以从IMU收集更精确的惯性数据。
在步骤340中，在打印运行期间，在表面上打印图像的一部分，例如徽标或照片。这是通过控制机器人沿初始编码器图案第二次移动打印头来实现的，同时以这样的方式在表面上打印图像的部分，即基于存储的位置和方向数据来调整所述部分相对于初始编码器图案的位置和方向。例如，调整可例如包括调整喷嘴喷射定时、调整打印头相对于初始编码器图案的位置和/或方向，或者当要打印的图像被存储在数字存储器中时，动态偏移存储器中的图像。
图4示出了本发明优选方法的流程图，其中使用与执行编码器图案捕捉运行和打印运行所用的相同的机器人将初始编码器图案打印到表面上。在步骤400中，控制机器人(例如，图1的机器人100)将打印头定位在表面上的基本预定位置处，打印头的布置使得喷嘴与表面之间的距离在0.1和1.2cm之间。打印头所布置的表面上的精度可能显著低于打印头的打印分辨率。例如，如果打印头被适配成以至少200DPI的分辨率打印，而在步骤400期间，打印机器人仅能够相对于表面以十分之一英寸的精度定位打印头。尽管这可能会导致要在表面上打印的整个图像发生轻微偏移，但此初始定位不准确不会导致图像扭曲。为了便于将打印头定位在预定位置附近，可以使用激光指针来照亮预定位置。
在步骤410中，控制机器人以在表面上打印初始编码器图案，在此期间，机器人通常处于停放模式。尽管如此，由于机器人的尺寸较大，并且机器人的组件(包括桅杆、臂和腕)彼此可移动地连接的事实，打印头在其沿表面移动时容易受到不期望的振动。在实践中，由此产生的表面上的初始编码器图案将以通常小于打印头的打印分辨率的精度打印在表面上，即将有点失真。
在步骤420中，执行编码器图案捕捉运行，在此期间，编码器头跨表面移动，同时照相机从初始编码器图案的开始到其结束跟踪该图案。在该运行期间，由IMU测量的惯性数据连同照相机相对于初始编码器图案的相关联位置和方向数据，也可以可任选地连同来自机器人上的编码器的传感器数据被存储在存储器中，该初始编码器图案源自在移动期间由照相机捕捉的初始编码器图案的部分。这种编码器提供关于机器人的各组件之间(诸如，基座和桅杆之间、桅杆和臂之间以及臂和腕之间)的相对位置的数据。基于惯性数据，并且可任选地还基于来自编码器的传感器数据，可以计算打印头在运行期间的运动估计。如果初始编码器图案基本上无失真地被打印在表面上，则该估计的移动应该基本上与从运行期间由照相机捕捉的编码器图案的各部分导出的位置和方向数据相对应。如果估计的移动与位置和方向数据的偏差超过打印分辨率，则在打印期间对此类偏差进行补偿将有可能改进打印精度。
在步骤430中，在打印运行期间执行图像的一部分的打印。在打印运行期间，控制机器人以移动打印头，使得照相机第二次跟踪初始编码器图案，同时以如下方式控制打印头的移动并控制喷嘴以将打印介质喷射到表面上以在表面上打印图像的一部分：使得基于在编码器图案捕捉运行期间存储在存储器中的惯性数据和照相机的相关联位置数据来调整所述部分相对于初始编码器图案的方向和/或位置。
可任选地，在打印运行期间，可在表面的毗邻条带上打印另一编码器图案。当打印图像的下一条带时，可跟踪另一编码器图案。
总之，本发明涉及用于在3D表面上打印图像的方法和系统，其中控制打印机器人以首先执行编码器图案捕捉运行。在此运行期间，机器人的打印头被控制以跟踪在3D表面上可能会稍微变形的编码器图案，同时来自固定在打印头上的惯性数据测量单元的惯性数据连同从由安装在打印头上的照相机所捕捉的编码器图案的一部分的图像中导出的方向和位置数据被一起存储。接下来，在打印运行期间，控制打印头以使得照相机第二次跟踪编码器图案，同时基于在编码器图案捕捉运行期间存储的惯性、和方向以及位置数据来调整打印头的打印和/或打印头的位置。

Claims (19)

1.一种用于在对象，诸如飞行器的三维弯曲表面上打印图像的方法，所述方法使用：
打印机器人，其包括基座；由所述基座支撑且可相对于所述基座移动的臂；打印头，其具有耦合到打印介质源的多个喷嘴，所述臂承载所述打印头，其中所述打印头被适配成基于控制信号来喷射打印介质，并且能相对于所述基座在至少六个移动自由度内移动，用于引起所述打印头沿所述弯曲表面的相对移动，所述打印机器人进一步包括布置在所述臂的端部并且适配成捕捉所述弯曲表面的图像的照相机；内部位置确定系统，其包括多个传感器，用于确定所述打印头相对于所述基座的位置和方向；以及惯性测量单元(IMU)，其相对于所述打印头固定并适配成在所述打印头上提供惯性数据；
所述方法包括以下步骤：
在编码器图案捕捉运行期间：以如下方式控制所述打印机器人跨所述表面的第一条带移动所述打印头：使得所述照相机跟踪所述表面上的初始编码器图案，以及在所述打印头的移动期间，在存储器中存储由所述IMU测量的惯性数据，连同所述照相机相对于所述初始编码器图案的、由所述照相机在所述移动期间捕捉的所述初始编码器图案的各部分导出的相关联位置和方向数据；以及
在打印运行期间：以如下方式控制所述打印机器人跨所述第一条带移动所述打印头：使得所述照相机跟踪所述表面上的所述初始编码器图案，以及以如下方式控制所述打印头的移动并控制所述喷嘴将打印介质喷射到所述表面上以在所述表面上打印所述图像的一部分：使得基于在所述编码器图案捕捉运行期间存储在所述存储器中的所述惯性数据和所述照相机的相关联位置数据来调整所述部分相对于所述初始编码器图案的方向和/或位置。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述编码器图案捕捉运行期间，所述打印头在所述打印运行期间以较低速度，优选地慢两倍或更多，跨所述第一条带移动。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像被存储在存储器中，并且其中所打印部分的方向和/或位置相对于所述初始编码器图案的所述调整包括以下中的一者或多者：调整所述喷嘴喷射定时；动态偏移所述存储器中的图像；以及调整所述打印头相对于所述初始编码器图案的位置和/或方向。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述编码器图案捕捉运行之前，跨所述表面的第一条带提供所述初始编码器图案的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述提供所述初始编码器图案的步骤包括控制所述打印机器人以在所述表面的第一条带上打印所述初始编码器图案的同时，跨所述第一条带移动所述打印头。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述提供所述初始编码器图案的步骤包括使用与所述打印机器人隔开的光投影仪在所述表面的所述第一条带上投影所述初始编码器图案。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述提供所述初始编码器图案的步骤包括在所述表面的所述第一条带上附连标记条，所述标记条包括所述初始编码器图案。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制器被适配成控制所述打印机器人在所述护编码器图案捕捉运行期间和/或在所述打印运行期间定位所述打印头，以基于由所述IMU在所述运行期间感测的所述惯性数据来补偿所述打印头的高频振动。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像是以200DPI或更高分辨率在所述表面上打印的照片或徽标。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印机器人进一步设置有一个或多个距离传感器，所述一个或多个距离传感器相对于所述打印头固定，并被适配成测量所述打印头到所述弯曲表面的距离，其中所述控制器进一步适配成控制所述打印机器人以当打印介质从所述喷嘴喷出时，将所述打印头保持在距离所述表面0.2至1.2cm之间的距离，优选地0.3至1cm之间的距离。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打印运行包括在所述表面上打印要在后续打印运行期间被用于打印所述图像的毗邻条带的另一编码器图案。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述编码器图案捕捉运行期间,由所述机器人的编码器提供的位置和方向数据连同由所述IMU测量的所述惯性数据以及从所述编码器图案导出的所述方向和位置数据被存储，并且其中在所述打印运行期间，基于存储的由所述编码器提供的位置和方向数据来进一步调整。
13.一种用于在对象，诸如飞行器的三维弯曲表面上打印图像的系统，所述系统包括：
打印机器人，其包括基座；由所述基座支撑且可相对于所述基座移动的臂；打印头，其具有耦合到打印介质源的多个喷嘴，所述臂承载所述打印头，其中所述打印头被适配成基于控制信号来喷射打印介质，并且能相对于所述基座在至少六个移动自由度内移动，用于引起所述打印头沿所述弯曲表面的相对移动，所述打印机器人进一步包括布置在所述臂的端部并且适配成捕捉所述弯曲表面的图像的照相机；内部位置确定系统，其包括多个传感器，用于确定所述打印头相对于所述基座的位置和方向；以及惯性测量单元(IMU)，其相对于所述打印头固定并适配成在所述打印头上提供惯性数据；
所述系统进一步包括控制器，其被适配成：
在编码器图案捕捉运行期间：以如下方式控制所述打印机器人跨所述表面的第一条带移动所述打印头：使得所述照相机跟踪所述表面上的初始编码器图案，以及在所述打印头的移动期间，在存储器中存储由所述IMU测量的惯性数据，连同所述照相机相对于所述初始编码器图案的、由所述照相机在所述移动期间捕捉的所述初始编码器图案的各部分导出的相关联位置和方向数据；以及
在打印运行期间：以如下方式控制所述打印机器人以跨所述第一条带移动所述打印头：使得所述照相机跟踪所述表面上的所述初始编码器图案，以及以如下方式控制所述打印头的移动并控制所述喷嘴将打印介质喷射到所述表面上以在所述表面上打印所述图像的一部分：使得基于在所述编码器图案捕捉运行期间存储在所述存储器中的所述惯性数据和所述照相机的相关联位置数据来调整所述部分相对于所述初始编码器图案的方向和/或位置。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一条带基本上线性延伸，并且其中所述控制器被适配成在所述打印头跨所述第一条带移动期间以如下方式相对于所述表面控制所述打印机器人：使得所述打印头相对于所述基座以非线性方式移动，和/或使得在所述打印头跨所述第一条带移动期间，所述打印头相对于所述弯曲表面以可变速度移动。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述打印机器人包括高度至少为10m的垂直桅杆，其中所述垂直桅杆被支撑在所述基座上，并能绕垂直轴相对于所述基座旋转，其中所述臂由所述桅杆以如下方式可移动地支撑：使得所述臂能够沿所述垂直轴相对于所述桅杆移动，并且绕水平轴相对于所述桅杆旋转，所述臂的长度至少为5m。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述打印头的所述喷嘴跨越的区域小于要在所述表面上打印的所述图像的区域。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述打印机器人设置有一个或多个距离传感器，所述一个或多个距离传感器相对于所述打印头固定，并被适配成测量所述打印头到所述弯曲表面的距离，并且其中所述控制器进一步适配成控制所述打印机器人以当打印介质从所述喷嘴喷出时，将所述打印头保持在距离所述表面0.2至1.2cm之间的距离，优选地0.3至1cm之间的距离。
18.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制器被适配成控制所述打印机器人在所述护编码器图案捕捉运行期间和/或在所述打印运行期间定位所述打印头，以基于由所述IMU在所述运行期间感测的所述惯性数据来补偿所述打印头的高频振动。
19.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述机器人进一步包括用于感测所述机器人的各组件的位置和/或方向数据的编码器，其中所述控制器进一步适配成在所述编码器图案捕捉运行期间，将所述编码器感测的所述位置和/或方向数据与所述IMU测量的所述惯性数据以及从所述编码器图案导出的所述位置和方向位置数据存储在所述存储器中，并且其中所述控制器被适配成在所述打印运行期间，基于存储的来自所述编码器的方向和/或位置数据来进一步打印所述图像的一部分。
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