技术领域
[0001] 本
发明属于
鞋底涂胶领域，具体涉及一种基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统及方法。
背景技术
[0002] 在靴革加工制造行业中，目前的鞋底涂胶工序大多由人工来完成，费时费
力且
质量不均。另外，该工序涉及到气体、液体等多种介质，其多变的性能使得涂胶工艺变得复杂。而随着绿色环保和改善劳动者的工作环境要求越来越高，这不断促使了生产商对新技术的尝试与使用。在国内机器人的研究开发工作已有多年，其研究成果已相继应用到实际生产中。因此，在涂胶工艺中引入
机器人技术是实在必行的，
涂胶机器人的研究与开发对我国轻工支柱产业之一的
制鞋行业来说具有巨大的经济价值和社会效益。在制鞋行业里涂胶机器人已经应用于生产中，对机器人来说，如何在复杂的工艺中实现高
精度与高
稳定性的涂胶是一个具有挑战性的问题。
[0003] 中国
专利公开号CN105342070A公开了一种鞋底三维涂胶方法及装置，该装置和方法是先将鞋底固定好；然后通过三维激光扫描系统对上述的鞋底扫描,获取鞋底的待涂胶部位的三维坐标,存储在电脑中；再由电脑依据获取的三维坐标驱动涂胶胶嘴给待涂胶的鞋底涂胶。这种涂胶方式的
缺陷在于扫描涂胶前必须先将鞋子固定好，这就要求必须要有一道负责固定鞋子的工序，从而增加了人力成本，降低了生产效率。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对上述
现有技术的不足，而提供一种基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统，利用单目视觉成像，可以使鞋子随意摆放也能实现扫描涂胶，本发明同时提供了一种使用上述系统的机器人鞋底动态涂胶方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统，包括视觉处理单元，所述视觉处理单元包括上位机及与其通讯连接的三维
传感器，所述三维传感器固定于传感器安装架上，三维传感器下方设有用于放置并传送待涂胶
工件的传动机构，传动机构的一侧设有用于对待涂胶工件进行涂胶操作的涂胶机器人，所述涂胶机器人包括胶枪和用于与上位机通讯驱动连接的机械手，所述胶枪安装于所述机械手上。
[0006] 在本发明另一个
实施例中，所述三维传感器为单目3D扫描传感器，包括一个相机和一个线
激光器，所述相机和线激光器均与上位机通讯连接以获取待涂胶工件图像和三维数据信息并传输给所述上位机。
[0007] 在本发明另一个实施例中，所述传动机构还包括用于检测其运动的
编码器。
[0008] 本发明还提供了一种基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶方法，包括如下步骤：
[0009] (1)安装三维传感器，标定
坐标系：将三维传感器安装于传动机构扫描点上方设定
位置处，标定好相机坐标系与涂胶机器人的机械手工具坐标系的关系；
[0010] (2)采集数据：将待涂胶工件间隔摆放在传送机构上，开启传动机构，将工件顺次通过扫描点处，利用三维传感器拍摄图像、扫描数据；
[0011] (3)工件
数据处理：对三维传感器扫描的三维数据进行处理，提取轮廓点，处理获取待涂胶工件的外轮廓数据，并进一步生成涂胶轨迹数据；
[0012] (4)坐标转换：将获取的涂胶轨迹数据转换至机械手工具坐标系下，得到机器人涂胶轨迹数据，并实时计算得到工件位置信息并保存，同时准备发送给机械手；
[0013] (5)确认并发送数据：确认涂胶机器人是否可以接收数据，得到
许可后将机器人涂胶轨迹数据发送给涂胶机器人，并由涂胶机器人继续计算工件当前的位置信息；
[0014] (6)机械手涂胶：涂胶机器人判断工件是否到达涂胶范围，如果没有就继续计算工件当前的位置信息，直至工件到达涂胶范围后根据接收的机器人涂胶轨迹数据开始涂胶。
[0015] 在本发明另一个实施例中，所述传动机构为传送带传动机构。
[0016] 在本发明另一个实施例中，所述步骤(1)中，在标定相机坐标系和机械手工具坐标系之前，先创建机器人用户坐标系，相机坐标系和机器人用户坐标系的XOY面均与传送机构的传送表面重合，Z轴均为竖直向上，根据两个坐标系的位置关系，通过测量两个坐标系原点处X方向和Y方向的偏移量，即可获得相机坐标系和机器人用户坐标系直接的转换关系，再由涂胶机器人自动调整机器人用户坐标系和机械手工具坐标系，即可实现相机坐标系和机械手工具坐标系的标定。
[0017] 在本发明另一个实施例中，所述步骤(3)对工件数据处理的过程如下：首先对原始数据进行整体分割去噪，去除噪声及杂点，然后分别提取各个激光线左右两侧的峰值点作为鞋底的外轮廓上的点，将各个激光线上的峰值点相互连接，经过平滑滤波，获得鞋底的外轮廓数据；再将提取到的鞋底外轮廓进行等距收缩，相似的轮廓轨迹处于鞋底内侧，从而生成涂胶轨迹数据。
[0018] 本发明的有益效果是：本发明基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统及方法通过线激光器扫描鞋底拍摄到的多组二维图像，计算获得鞋底的三维坐标信息，完成鞋底的3D轮廓数据扫描，其优点如下：
[0019] (1)通过相机和线激光扫描结合的方式获得鞋底点
云数据，相比在涂胶平台上的鞋底放置区用治具固持鞋底的方式对鞋底涂胶，该方法对鞋底放置状态要求相对宽松，有效降低了鞋底自动涂胶设备的复杂性，具有更快的测量速度。同时，相比基于
机器视觉的鞋底边缘轨迹及涂胶
位姿提取方法，本方法采用实时处理的方式处理图像，获取鞋底轮廓三维点云数据，并计算出鞋底的边缘点。当鞋底被扫描完时能立即给出鞋底的边缘轨迹及涂胶位姿，动态扫描与动态涂胶同时进行。通过上述方式对鞋底三维数据快速准确的扫描测量，实现机器人自动涂胶，能够有效提高企业生产效率，增加企业竞争力。
[0020] (2)使客户能够在设计制造鞋子生产流
水线设备时，为客户提供了易于操作的交互界面。
[0021] (3)能直观的显示点云扫描过程，以及鞋底扫描结果，便于操作人员了解系统的运行状况，使操作人员实时掌握系统的工作状态，使生产过程安全可控，提高了系统的可维护性。
附图说明
[0022] 图1是本发明基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统实施例的结构示意图；
[0023] 图2是本发明三维传感器实施例的结构示意图；
[0024] 图3是本发明相机坐标系和机器人用户坐标系示意图；
[0025] 图4是本发明实施例中待处理图像的示意图；
[0026] 图5是本发明实施例中外轮廓提取示意图；
[0027] 图6是本发明实施例中获取的外轮廓点示意图；
[0028] 图7是本发明本发明实施例中等距收缩轨迹示意图；
[0029] 图8是本发明本发明实施例中机器人涂胶轨迹示意图；
[0030] 图9是本发明基于3D扫描的机器人鞋底自动涂胶方法实施例的
流程图。
具体实施方式
[0031] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本
说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0032] 需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0033] 如图1所示为本发明基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶系统，由图可知，该系统包括视觉处理单元(图中未示出)，视觉处理单元包括上位机及与其通讯连接的三维传感器2，三维传感器2固定于传感器安装架1上，三维传感器下方设有用于放置并传送待涂胶工件的传动机构4，传动机构4的一侧设有用于对待涂胶工件进行涂胶操作的涂胶机器人，涂胶机器人包括胶枪和用于与上位机通讯驱动连接的机械手，胶枪安装于机械手上。
[0034] 优选地，如图2所示，本实施例的三维传感器为单目3D扫描传感器，包括一个相机21和一个线激光器22，相机21和线激光器均与上位机通讯连接以获取待涂胶工件的图像和三维数据信息并传输给上位机。相机21和线激光器22外设有
外壳24，外壳24上连接有用于与传感器安装架1固定的转接板23。另外，为了便于与
控制器通讯连接，外壳24上还开设有安装孔25，安装孔25中穿设相机21和线激光器22与上位机的通讯
连接线。
[0035] 进一步地，本实施例的传动机构采用传送带机构，该机构还包括用于检测其运动的编码器。编码器能够触发相机采集图像，可实现在运动的传送带上跟随涂胶。
[0036] 本实施例中所涉及到的工件均指鞋底，待涂胶工件即待涂胶鞋底。
[0037] 本实施例的上位机中安装有系统的控制
软件，该控制软件和三维传感器组成了系统的视觉处理单元，该系统的工作流程如下：首先将三维传感器安装于传动机构扫描点上方设
定位置处，并预先标定好相机坐标系与涂胶机器人机械手工具坐标系的关系；然后将待涂胶鞋底间隔摆放在传送机构上，开启传动机构，将鞋底顺次通过扫描点处，利用三维传感器拍摄图像，扫描数据，视觉处理单元将扫描到的三维样本数据处理分析，将计算获取的涂胶轨迹数据转换至机械手工具坐标系下，得到机器人涂胶轨迹，这时系统会按照上述步骤进行下一只鞋底的三维轮廓数据的获取，并等待机器人空闲时将最早一组的鞋底三维轨迹数据发给涂胶机器人的机械手，涂胶机器人开始对鞋底进行跟随动态涂胶，实现了动态扫描与动态涂胶同时进行，提高了生产效率。
[0038] 本发明还提供了一种基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶方法，包括如下步骤：
[0039] (1)安装三维传感器，标定坐标系：将三维传感器安装于传动机构扫描点上方设定位置处，标定好相机坐标系与涂胶机器人的机械手工具坐标系的关系；
[0040] (2)采集数据：将待涂胶工件间隔摆放在传送机构上，开启传动机构，将工件顺次通过扫描点处，利用三维传感器拍摄图像、扫描数据；
[0041] (3)工件数据处理：对三维传感器扫描的三维数据进行处理，提取轮廓点，处理获取待涂胶工件的外轮廓数据，并进一步生成涂胶轨迹数据；
[0042] (4)坐标转换：将获取的涂胶轨迹数据转换至机械手工具坐标系下，得到机器人涂胶轨迹数据，并实时计算得到工件位置信息并保存，同时准备发送给机械手；
[0043] (5)确认并发送数据：确认涂胶机器人是否可以接收数据，得到许可后将机器人涂胶轨迹数据发送给涂胶机器人，并由涂胶机器人继续计算工件当前的位置信息；
[0044] (6)机械手涂胶：涂胶机器人判断工件是否到达涂胶范围，如果没有就继续计算工件当前的位置信息，直至工件到达涂胶范围后根据接收的机器人涂胶轨迹数据开始涂胶。
[0045] 优选地，本实施例的传动机构为传送带传动机构，在步骤(1)中，三维传感器一般安装在扫描点上方的设定位置，这个设定距离本实施例优选800mm。
[0046] 安装好以后，为了将相机采集的鞋底三维数据能够转换到涂胶机器人的机械手工具坐标系(这里的机械手工具即指胶枪)下，需要对相机坐标系和机械手工具坐标系进行转换标定。在进行坐标系标定前，首先需要机器人按要求建立机器人用户坐标系和机械手工具坐标系，涂胶机器人通过TCP通讯协议自动调整两个坐标系的坐标值，实现两个坐标系之间的转换。机械手工具坐标系的创建一方面是为了标定三维传感器和机械手工具之间的关系，另一方面是为了定位鞋底进行涂胶操作时，机械手工具坐标系和在鞋底上创建的工具坐标系具有一致性，从而使胶枪能以合适的
姿态去进行涂胶。机械手工具坐标系的创建通过操作机械手使用XYZ六点法实现，要求创建的机械手工具坐标系ToolVision原点O位于胶枪喷胶口中间位置，X正方向指向相机坐标系X轴正向方向，并且x轴和胶枪在同一平面上，Z正方向为平行机器人6轴方向，同时需要创建的ToolVision平均精度不大于1mm，从而保证鞋底涂胶路径的运行精度。
[0047] 机器人用户坐标系的创建是为了能够让工具以正确的方向和姿态运行涂胶轨迹，创建的用户坐标系的原点0位于涂胶平台的平台表面，X方向要和安装好的三维传感器的X轴即激光方向大致平行，Z轴垂直平台表面。如图3所示，相机坐标系和机器人用户坐标系关系示意图，对机器人用户坐标系的要求包括以下两点：
[0048] (1)XOY面与传送带带体表面重合，Z轴竖直向上；
[0049] (2)确定相机坐标系X轴正向，用户坐标系X轴正向指向相机坐标系X轴正向方向(不需要严格平行)；Y轴轴线与传送带运动方向严格平行，Y轴正向符合右手法则(X轴与Z轴正向确定后Y轴正向便可确定)，可以与传送带运动方向一致，也可与传送带运动方向相反。
[0050] 首先，由图可知，相机坐标系和机器人用户坐标系的XOY面均与带体表面重合，Z轴均为竖直向上，因此，根据两个坐标系的位置关系，通过测量两个坐标系原点处X方向和Y方向的偏移量，即可获得相机坐标系和机器人用户坐标系直接的转换关系，再由涂胶机器人自动调整机器人用户坐标系和机械手工具坐标系，即可实现相机坐标系和机械手工具坐标系的标定。
[0051] 另外，为了保证
三维扫描数据的完整性，需要保证鞋底的位置不能偏离传送带中心线太远，能够被三维传感器拍摄到。
[0052] 优选地，在步骤(2)中，将待涂胶工件间隔摆放在传送机构上，开启传动机构，将工件顺次通过扫描点处，利用三维传感器拍摄图像、扫描数据的过程如下：在传送带运动过程中，三维传感器的相机动态扫描拍摄被投射有激光线条的鞋底图像，然后提取图像的激光线条，并进行亚
像素的激光线条中心定位，并采用三
角测量原理计算一条激光线上每个点的三维空间坐标。重复上述操作，直到鞋底扫描完成，可以获得整个鞋底轮廓三维点云数据，将所有数据合并到一起得到鞋底的完整三维轮廓数据，并计算出鞋底的边缘点。
[0053] 优选地，在步骤(3)中，对工件数据处理的过程如下：鞋底涂胶一般要求将胶水涂在鞋底轮廓的外轮廓边沿内侧，待处理图像如图4所示，首先对原始数据进行整体分割去噪，去除噪声及杂点，然后分别提取各个激光线左右两侧的峰值点作为鞋底的外轮廓上的点，如图5所示，将各个激光线上的峰值点相互连接，经过平滑滤波，获得鞋底的外轮廓数据，如图6所示；再将提取到的鞋底外轮廓进行等距收缩(一般需要根据不同的机械手及涂胶设备，调整相应的收缩距离)，相似的轮廓轨迹处于鞋底内侧，从而生成涂胶轨迹数据，如图7所示。
[0054] 另外，对于机械手的运动，出了需要位置信息外，还需提供其运动的姿态信息，因此视觉处理单元根据涂胶轨迹，生成了一系列的指向外侧
机械臂运动轨迹点，如图8所示。
[0055] 优选地，在步骤(4)中，视觉处理弹单元将获取的涂胶轨迹数据转换至机械手工具坐标系下，得到机器人涂胶轨迹，并实时计算得到工件位置信息并保存，同时准备发送轨迹数据给机器人。
[0056] 在步骤(5)中，判断涂胶机器人是否可以接收数据，也就是判断涂胶机器人是否空闲，若有空闲，则在得到其许可后将机器人涂胶轨迹数据通过TCP通讯协议发送给机器人，并由机器人继续计算工件当前的位置信息。
[0057] 在步骤(6)中，机械手根据鞋子当前位置信息判断鞋子是否到达涂胶范围，如果没有就继续计算鞋子当前的位置信息，不进行涂胶动作，直至鞋子到达涂胶范围后根据接收的机器人涂胶轨迹数据开始涂胶。
[0058] 本发明基于3D扫描的机器人鞋底动态涂胶方法具有如下特点：采用单目立体定位和线激光扫描，利用相机加线激光模式采集鞋底3D数据；系统能够在不做任何调整的情况下自动根据鞋子的外形，大小提取生成鞋底涂胶轨迹；能够适应鞋底的动态涂胶，即涂胶过程中鞋底放置在传送带上跟随传送带运动；动态扫描与动态涂胶同时进行。传送带运动中，线激光对每只经过的鞋底扫描的同时三维扫描鞋底自动涂胶系统会将最早一只要涂胶的鞋子的轮廓轨迹数据发给机器人，机器人接收到数据后开始运动跟随鞋底涂胶。
[0059] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
