CN117615912A - 用于控制打印头的方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用由机器人臂携带的打印头来将图像打印到表面上的方法，包括：获得图像，该图像超过打印头的预定打印宽度(w)；将图像拆分为至少两个图像条带，并且生成相关联的打印头路径，每个图像条带被包含在减小的打印宽度(w0)内，减小的打印宽度小于预定打印宽度；当在干式运行中机器人臂被馈送第一控制信号时，检测与打印头路径的偏差；通过施加局部侧向偏移来修改图像条带以补偿所检测到的偏差；以及在向机器人臂馈送与第一控制信号等同的控制信号时，将经修改的图像条带打印到表面上。

Description

用于控制打印头的方法
技术领域
本公开涉及应用于自动涂装的机器人控制领域，具体涉及一种用于使用机器人携带的打印头将图像打印到表面上的方法。
背景技术
像素打印是将一个或多个油漆颜色分配到平面或曲面的选定区域，以产生图像。比打印头宽的图像通过打印多个平行图像条带而产生，这些图像条带在假设打印头在表面上遵循对应参考路径的情况下生成。最佳实行时，打印头的实际路径遵循参考路径。然而，由于磨损、机械不准确性、位置传感器不理想或打印头运动的可控性不完善，所以必须预期与参考路径的路径偏差。遗憾的是，这些路径偏差会在所打印的图像中产生对齐误差，诸如可见间隙或重叠。
DE102010004496公开了一种具有打印头的机器人以及一种用于控制打印头矩阵和校正轨迹偏差的方法。在生产操作期间，借助于集成路径检测传感器，检测打印头的期望路径和实际路径之间的三维路径偏差。如果发现偏差，则根据该偏差控制打印头矩阵。
发明内容
本公开的一个目的是提出了可以补偿与预期打印头路径的偏差的方法和装置。当打印头由机器人臂携带时提供这种补偿特别令人感兴趣。另一目的是补偿路径偏差，而无需更换现有机器人设备或永久修改设备。
这些目的中的至少一些目的通过如由独立权利要求定义的本发明实现。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
在本发明的第一方面中，提供了一种使用由机器人臂携带的打印头将图像打印到表面上的方法。该图像可以是单色图像或包括多种颜色。该方法涉及其中要打印超过打印头的预定打印宽度w的图像的情况。如果图像可以通过打印头的单程(single pass)打印，则与参考打印头路径的偏差会使所打印的图像位移，但通常不会产生上文所讨论的类型的可见缺陷。在下一步骤中，图像被拆分为至少两个图像条带，并且生成相关联的打印头路径，每个图像条带都包含在小于预定打印宽度的减小的打印宽度w0内。响应于当机器人臂被馈送第一控制信号时检测到与打印头路径的偏差，修改图像条带，以通过施加局部侧向偏移来补偿所检测到的偏差。优选地，当在干式运行期间检测到偏差时，第一控制信号等同于要在生产操作(即，打印运行)期间使用的未来控制信号。
从概念上讲，图像条带可以被理解为以打印头上的点为中心的局部参考系中的像素图案，其中对于每个纵向位置y，像素仅在宽度为减小的打印宽度w0的区域中有效。占据总宽度w-w0的非活动像素也形成图像条带的一部分。在已经施加了任何侧向偏移之前，非活动像素可以表示具有相等宽度wL＝wR＝(w-w0)/2的两个边缘。侧向偏移不会更改活动像素的值，而是根据需要使它们向左(或向右)移动。为了进行d个单位的侧向偏移，增加右(左)边缘的宽度wR，并且使左(右)边缘的宽度wL收缩该量：
只要2|d|≤w-w0，具有活动像素的区域就适配在打印宽度w内。如果具有非活动像素的边缘启动的宽度不相等wL≠wR，则可以容忍方向中的一个方向上的较大偏移，在极端情况下，高达w-w0。
与上述背景技术(其中在生产操作期间检测路径偏差)相比较，本发明的第一方面使得能够更高效地补偿与磨损、机械不准确性、位置传感器不理想或打印头运动的可控性不完善有关的系统(或非偶然)误差。系统误差往往在每次运行中恒等重复，尽管可能会叠加有过程噪声和偶然误差。因此，在初步运行中准确检测系统误差分量并且导出适合应用于所有生产运行的补偿(局部侧向偏移)是有利的。事实上，操作员有合理的机会在初步运行期间发现对打印头位置的感测是否准确(并且采取适当动作)，但在整个生产操作过程中监测准确性并且检查故障和事故可能会是一项繁琐的任务。初步运行可以是干式运行或打印运行。
与本发明相关联的另一优点在于：在初步运行期间有用的准确打印头定位在生产操作中仅是可选的。因而，即使是缺乏准确性高的位置传感器的机器人臂也可以与本补偿方法一起使用，即，如果使用可拆卸的准确性高的位置传感器来感测路径偏差。此外，单个可拆卸的位置传感器可以与多个机器人臂一起使用，这限制了资本投资。如本文中所使用的，如果在感测期间必须布置在打印头上的传感器部件(这可能包括主动部件或被动部件)在感测已经结束之后能够与打印头无损分离，则位置传感器是“可拆卸的”。可替代地，可以使用诸如通过相机系统进行的位置感测之类的非接触式位置感测。
在本发明的第二方面中，提供了一种控制器，该控制器被适配为控制由机器人臂携带的打印头将图像打印到表面上。控制器包括第一接口、第二接口和处理电路系统，该第一接口被配置为接受图像数据和位置传感器信号，该第二接口被配置为输出打印头控制信号，并且处理电路系统被配置为实行上述方法。
本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序包含用于使得计算机(具体地，控制器)进行上述方法的指令。计算机程序可以存储或分布在数据载体上。如本文中所使用的，“数据载体”可以是暂态数据载体(诸如经调制的电磁波或光学波)或非暂态数据载体。非暂态数据载体包括易失性存储器和非易失性存储器，诸如磁性、光学或固态类型的永久性存储介质和非永久性存储介质。仍然在“数据载体”的范围内，这种存储器可以为固定安装式或便携式。
通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语应当根据其在技术领域中的普通含义进行解释。除非另有明确说明，否则对“元件、装置、部件、构件、步骤等”的所有引用均应当被公开解释为提及元件、装置、部件、构件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中所公开的任何方法的步骤不必按所描述的确切次序执行。
附图说明
现在，参考附图通过示例对对各方面和实施例进行描述，在附图中
图1是根据本发明的一个实施例的使用机器人携带的打印头将图像打印到表面上的方法的流程图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的包括配备有打印头和相关联的控制器的机器人臂的打印系统；
图3示出了两个示例打印头的活动侧；
图4A和图4B图示了将图像拆分为具有相关联的打印头路径的平直图像条带；
图4C图示了所检测到的与打印头路径的偏差；
图4D示出了被适配为补偿图4C中的偏差的经修改的图像条带的轮廓；以及
图5图示了将图像非直线拆分为具有相关联的打印头路径的图像条带的情况。
具体实施方式
现在，以下参考附图对本公开的各方面进行更全面的描述，附图上示出了本发明的某些实施例。然而，这些方面可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限制；相反，这些实施例通过示例提供，因此本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的所有方面的范围完全传达给本领域技术人员。在整个描述中，相同的附图标记是指相同的元件。
图1是使用机器人携带的打印头将图像打印到表面上的方法100的流程图。代表字符“1”的示例图像A如图4A所示。示例表面290和打印头230如图2所示。
图2还示出了机器人臂220，该机器人臂220包括多个构件和线性接头/旋转接头，并且配备有形式为打印头230的末端执行器。机器人臂220的移动准确性有限，即，当控制信号命令机器人臂220采取特定位置或姿势时，则这仅在容差内实现。位置导向容差可以被表述为工具中心点(TCP)的位置的最大容许误差。工业涂装机器人中的位置导向容差的典型值可以是0.5mm。姿势导向容差可以被表述为机器人臂的220个关节的最大容许线性误差/角度误差。附加地或可替代地，容差可以表述机器人臂220自我报告的姿势或位置的最大容许误差。根据这些选项中的任一选项的容差可以由机器人臂220的商业提供商指定，或可以以优于机器人的容差的准确性在用户侧处基于位置测量来计算。
提供了用于控制打印头230的控制器210。在图2所示的实施例中，该控制器210是多功能的，在某种意义上说该控制器还充当了用于控制机器人臂220中的致动器(未示出)的机器人控制器。在其他实施例中，控制器210可以被实现为专用打印头控制器，即，被适配为与机器人控制器并行操作的单独实体。
图2中的示例控制器210具有第一接口212，该第一接口212被配置为接受图像数据和由与打印头相关联的位置传感器232生成的位置传感器信号。位置传感器232的设计、类型和测量原理对于本发明而言并非必不可少。例如，位置传感器232可以是光学位置传感器、配备有激光器的位置传感器或包括一个或多个相机的相机系统。应当领会，虽然图2示出了附接到打印头230的位置传感器232，但根据所提及的选项的非接触式位置感测可能不需要在打印头230处布置任何主动感测部件；甚至可能不需要为打印头230提供视觉标记、基准等。在需要将位置传感器232的主动部件或被动部件布置(安装)在打印头230处的定位技术的使用范围内，使用可拆卸部件是有利的。如果可拆卸部件在检测阶段期间已经通过临时粘合剂或可释放机械紧固件稳固，则一旦偏差检测完成，就可以把该可拆卸部件无损移除。这样，在打印头230的操作过程期间，保护部件免受污染或机械损坏。此外，确保了表面290不被遮挡，从而易于监测和检查。
位置传感器232的容差优选地小于机器人臂220的容差。在一些实施例中，位置传感器232的容差为0.1mm或更小。这些实施例可以适用于在总范围为约0.1米、1米或10米的表面上打印图像。而且，容差为0.1毫米或更小的位置传感器232对于与容差为0.5毫米或更大的机器人臂220一起使用也很有意义。
控制器210还包括第二接口214，该第二接口214被配置为输出打印头控制信号。在图2所示的多功能实施例中，第二接口214还被配置为向机器人臂220提供控制信号。控制器210中的处理电路系统216被配置为执行接下来要描述的方法100。可替代地，控制器210可以经由操作员输入/输出接口(未示出)或网络接口(未显示)来接受图像数据。
图3A和图3B示出了适用于本方法100的示例打印头230。在每个图的右侧处建议朝向机器人臂220连接。所图示的打印头230(每个打印头可以包括喷墨头或喷枪)被适配为在打印期间基本沿y所指示的纵向方向(图上为垂直)移动。当打印头230活动时，纵向方向通常与打印头路径对齐。
在图3A和图3B中，空心圆表示单独可控制的像素，这些像素在结构上可以对应于喷嘴或用于在表面290上沉积油墨、油漆、染料等的其他构件。应当领会，虽然本文中要讨论的示例像素布置可以涉及单一颜色，但是演进更多的打印头230可以包括与相应颜色相对应的多个这样的像素布置。线性像素布置如图3A所示，而图3B图示了矩阵形像素布置。像素的水平范围w与打印头230的打印宽度相对应。如本公开中所使用的，打印头230的节距是横向于纵向方向(图上为水平)的方向上的像素分辨率。因而，图3A中的线性像素布置的节距e与相邻像素的间距相对应。图3B中的矩阵状像素布置的节距e与横向间距相对应。在一些实施例中，为了确保所检测到的路径偏差的高效补偿，打印头230的节距e小于机器人臂220的(位置导向)容差。
返回到图1，方法100的第一步骤110是获得图像A，例如，形式为经压缩的图像格式或未经压缩的图像格式和/或位图或矢量图形。在本说明书中，假设图像A超过打印头230的预定打印宽度w。图像A超过该宽度w，除非它可以在一个连续运行中被打印，其中所打印的图案的任何分段都不与所打印的图案的另一分段相邻(或接续或相切)；如果机器人臂具有不可忽略的位置容差，则这样的相邻分段可能会遭受对齐误差。例如，即使理论上可以通过在螺旋路径中移动打印头230来打印直径大于w的实心圆，将连续匝彼此对准也将是一项具有挑战性的任务，并且将圆拆分为多个图像条带的选项可能会是优选的；因此，比w宽的实心圆可以被视为超过打印宽度w的图像。相比之下，不比w宽任何地方的任意长度的图像都不超过打印宽度w。
在第二步骤112中，为了使得打印头230能够打印图像A，将图像A拆分为至少两个图像条带，并且生成相关联的打印头路径，每个图像条带都包含在减小的打印宽度w0内。减小的打印宽度w0小于打印头230的打印宽度w。应当注意，关于是否需要拆分的准则是指打印宽度w，但是图像条带的宽度是减小的打印宽度w0或更小。
为了说明该步骤112的效果，图4A示出了超过打印宽度w的图像A，图4B示出了被拆分为三个图像条带A1、A2、A3(由实心垂直线界定)的同一图像A。图像条带A1、A2、A3中的每个图像条带都小于w0个单位宽，并且与打印头路径C1、C2、C3(如垂直虚线所示)相关联。打印头路径Ck与打印头230的移动相对应。更精确地，打印头路径Ck可以被理解为由打印头230上的参考点的表面290上的投影所追踪的轨迹。参考点例如可以是打印头230的像素布置的中心。关于图像条带Ak，打印头路径Ck可以是近似中心线。
图5图示了将图5A中的图像A非直线(弯曲)拆分为两个图像条带A1、A2以及相关联的打印头路径C1、C2的情况，如图5B所示。图像条带A1、A2具有非平直边界，但另一方面具有相对于纵向部件相对规则的几何形状，从而允许打印头230在每个图像条带A1、A2的整个长度上得到充分利用。在图5所示的情况下，由于所获得的图像A的细长和弯曲形状，所以非直线拆分是有利的；对图像A进行可想象的直线拆分会产生更小更多的平直图像条带，其中在仅利用打印头230的一部分的情况下，会产生突兀的非正交或倾斜的端部。
在方法100的第三步骤114中，在机器人臂被馈送第一控制信号时，检测到与打印头路径C1、C2、C3的偏差。第一控制信号可以命令机器人臂220沿着路径C1、C2、C3移动打印头230。第三步骤114可以在干式运行期间执行，但也可以在包括生产操作在内的打印运行期间执行。图4C图示了第三步骤114的可能结果，其中第一打印头路径C1和第三打印头路径C3仅具有可忽略的偏差。然而，对于第二打印头路径C2，检测到偏差。该偏差在路径C2的长度上并不恒定。它可以被表示为打印头路径C2与打印头230的实际轨迹之间的符号差函数d2(y)，其中对于每个纵向坐标y，在横向方向x上测量差d2(y)。
对于平面表面290而言，偏差的检测非常简单。如果表面290是弯曲的，则可以在该点处的切向平面中检测到表面290的点处的偏差。在切向平面中，偏差检测还被约束到横向方向，即，偏差应当与打印头路径正交。
在第四步骤116中，通过施加局部侧向偏移来修改图像条带以补偿所检测到的偏差。在运行示例中，由于没有检测到与第一打印头路径C1和第三打印头路径C3的偏差，所以第一图像条带A1和第三图像条带A3不需要修改。然而，对于第二图像条带A2，适合在路径C2的长度上施加可变的局部侧向偏移，从而消除了偏差。补偿的目的是使第二图像条带A2的像素图案终止在表面290上的其预期位置处或附近。局部侧向偏移例如可以是差函数的负值-d2(y)。图4D示出了在施加了这种偏移之后，第二图像条带A2中具有活动像素的区域的左右轮廓。
在第四步骤116的其他发展中，通过不仅修改116.1相关联的图像条带Ak，而且修改116.2一个或两个相邻图像条带Ak±1，可以更高效地和/或更少干扰地补偿与一个打印头路径Ck的偏差。这可以例如使得能够补偿相对较大的偏差。如图4D所图示的，侧向偏移-d2(y)会导致具有活动像素的区域几乎接触图像条带A2的右侧边界，这处于打印头230的可行极限。在上文所介绍的记法中，右边缘的宽度
将局部接近于零。因此，在第四步骤116的所提及的发展中，通过以下各项对偏差的补偿横跨几个图像条带分布：使第一图像条带A1偏移常数D、使第二图像条带A2偏移D-d2(y)个单位以及使第三图像条带A3偏移D个单位。通过选取D使得图像条带的这种联合偏移可以确保对于所有y，wR>0，尽管代价是使表面290上的打印图像A位移D个单位。
在第四步骤116的其他实施例中，联合考虑所检测到的所有打印头路径C1、C2、C3的偏差。例如，可以通过求解方程组来找到补偿。可以针对打印头路径C1、C2、C3的不同纵向分段来公式化和求解分开的方程组，其中可以应用连续分段之间的平滑度条件(修补条件)。可替代地或附加地，通过使用考虑到所检测到的偏差并且惩罚图像条带的大的局部侧向偏移和/或不良对齐的目标函数来对优化问题进行求解，获得经修改的图像条带。
在方法100的可选的另一步骤118中，将经修改的图像条带打印到表面290上，同时向机器人臂220馈送与第一控制信号等同的控制信号。可以在生产操作中执行步骤118。由于可以合理假设打印头230的与打印头路径C1、C2、C3的偏差的系统(非偶然)分量将以几乎相同的方式重复，因此可以预期有效的近乎完全的补偿。
以上主要参考一些实施例对本公开的各方面进行了描述。然而，如本领域技术人员容易领会的，在本发明的范围内，除了上述公开的实施例之外的其他实施例同样也是可能的，如所附专利权利要求所限定的。

Claims (15)

1.一种使用由机器人臂(220)携带的打印头(230)来将图像(A)打印到表面(290)上的方法(100)，所述方法包括：
获得(110)图像，所述图像超过所述打印头的预定打印宽度(w)；
将所述图像拆分(112)为至少两个图像条带(A1，A2，……)并且生成相关联的打印头路径(C1，C2、……)，每个图像条带都被包含在减小的打印宽度(w0)内，所述减小的打印宽度小于所述预定打印宽度；
当所述机器人臂被馈送第一控制信号时，检测(114)与所述打印头路径的偏差；以及
通过施加局部侧向偏移来修改(116)所述图像条带，以补偿所检测到的所述偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在向所述机器人臂(220)馈送与所述第一控制信号等同的控制信号时，将经修改的图像条带打印(118)到所述表面(290)上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述偏差在干式运行期间进行检测(114)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述偏差在打印运行期间进行检测(114)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏差使用可拆卸位置传感器(232)进行检测(114)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏差使用容差小于所述机器人臂的容差的位置传感器(232)进行检测(114)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏差使用容差为0.1mm或更小的位置传感器(232)进行检测(114)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述偏差使用光学或配备有激光器的位置传感器或相机系统进行检测(114)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述打印头(230)具有多个单独可控像素，所述多个单独可控像素限定的节距(e)小于所述机器人臂(220)的容差。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述修改(116)包括：
修改(116.1)与检测到偏差的打印头路径(Ck)相对应的至少所述图像条带(Ak)；以及
修改(116.2)至少一个相邻图像条带(Ak±1)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述修改(116)包括：联合考虑所检测到的偏差。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述修改(116)包括：施加侧向偏移(d)，所述侧向偏移至多等于所述打印宽度(w)与所述减小的打印宽度(w0)的差。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述打印头(230)包括喷墨头和/或喷枪。
14.一种控制器(210)，被适配为控制由机器人臂(220)携带的打印头(230)来将图像(A)打印到表面(290)上，所述控制器(210)包括：
第一接口(212)，被配置为接受图像数据和位置传感器信号；
第二接口(214)，被配置为输出打印头控制信号；以及
处理电路(216)，被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序，包括指令，用于使得根据权利要求14所述的控制器(210)执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法(100)。
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