基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用与流程

1.本发明属于喷涂领域，特别是涉及一种基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用。


背景技术：

2.在当前针对个性化物体喷纤的过程中，普遍采用的方式是人工喷涂和机器人喷涂。这两种喷涂方式均需要一个经验老到的喷涂师傅参与，一方面提高了企业用人成本，另一方面易对工人的呼吸系统造成伤害；同时，机器人离线编程喷涂是另一种喷涂方式；该方式在保证喷涂质量稳定的情况下，降低了车间喷涂环境对人体的损伤。一般的，离线编程需事先通过工件的cad模型获取三维信息，根据工件cad模型规划喷涂轨迹，生成机器人喷涂数据，再由机器人执行喷涂作业。
3.但是，再在如今需要喷涂物体的形状多样化与个性化的趋势下，待喷涂物体的cad模型往往较难获取，导致现有的个性化物体的喷涂很困难。
4.鉴于此，一种基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法亟待研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用，用以至少解决现有技术中的一个技术问题。
6.本发明的技术方案是：
7.基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，包括：
8.获取待喷涂物体的三维点云模型，并通过所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面；
9.将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，并重复上述过程，获得所有分区的喷涂轨迹段；
10.将所有的所述单个分区的喷涂轨迹段进行组合，获得最短的喷涂轨迹；
11.以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量，以进行三维喷涂轨迹平滑。
12.所述通过所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面，包括：
13.将所述三维点云模型中各点在x，y，z方向上的数值组成集合x，y，z，并得到对应的均值x
mean
，y
mean
，z
mean
；
14.构建协方差矩阵c：
15.其中，cov(x，y)＝e[(x-x
mean
)(y-y
mean
)]表示x与y之间的协方差；
[0016]
得到协方差矩阵c的三个特征值λ1，λ2，λ3和对应的三个特征向量
[0017]
设定阈值k，并获得所述点云模型中各点的法向量与设定阈值k，并获得所述点云模型中各点的法向量与的夹角；
[0018]
根据所述点法向量与或或或或之间的夹角判断该点为前侧面分区或后侧面分区或左侧面分区或右侧面分区或顶部分区。
[0019]
所述将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，包括：
[0020]
使用z字形喷涂策略规划所述喷涂轨迹段；
[0021]
确定切片方向和切片方式，通过切片与三维点云模型相交可得到喷涂轨迹段；
[0022]
遍历切片任一侧的点云，进行半径为d的范围搜索，匹配另一侧中的最近点，作为一组匹配点，并形成一条直线；
[0023]
将所述直线与切片相交，形成的交点为轨迹点；
[0024]
进行所述轨迹点偏置，获取各轨迹点的法向量，并将所述轨迹点沿着法向量进行偏置，得到偏置后的轨迹；
[0025]
精简所述偏置后的轨迹，生成该分区的喷涂轨迹段。
[0026]
所述切片方向沿所述三维点云模型的短轴方向进行，短轴方向的长度为h；
[0027]
所述切片方式种，所述三维点云模型在切片后会存在部分切片余量δd，且δd＝h-nd0，将切片余量均摊，得到以下关系：
[0028][0029]
其中，d0为初始步长，n为切片数量，d为均摊后的切片步长；
[0030]
提取感兴趣区的数据点，估算所述三维点云模型各点之间平均距离提取切片两侧厚度为d的点云，有其中k为厚度系数。
[0031]
获取最短喷涂轨迹的过程，包括：
[0032]
对全部的待喷涂区域进行全排列，得到排列结果；
[0033]
选择任一种排列结果，按照喷涂顺序将各区的所有可能轨迹代入，得到当前排列结果的完整喷涂轨迹；
[0034]
获取当前排列结果的所有轨迹的长度，并存储；
[0035]
比较所有排列结果对应的完整喷涂轨迹，得到一条最短喷涂轨迹作为最佳喷涂轨迹。
[0036]
以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量，包括：
[0037]
以待喷涂物体的至少2个分区切片方向构造至少2个切片方向向量以相邻插值点(pi，p
i+1
)构造移动向量以构造基向量，则当前插值点的法向量计算公式如下：
[0038][0039]
至此完成所有插值点的三维坐标及其法向量计算。
[0040]
进行三维喷涂轨迹平滑，包括：
[0041]
采用三次b样条曲线对所述最短的喷涂轨迹进行插值，以原有的n个轨迹点为控制点组成集合p＝{pi|i＝0，1，...，n-1}和m个节点向量组成集合u＝{uj|j＝0，1，...，m-1}构建三次b样条曲线参数表达式如下：
[0042][0043]
其中是b
i，3
(u)是b样条基函数，由de boor-cox递归公式确定，具体公式如下：
[0044][0045][0046]
所用节点矢量ui经过均匀参数化处理如下：
[0047][0048]
获取三次b样条曲线参数方程，以此进行插值即可得到平滑后的喷涂轨迹点。
[0049]
一种针对浴缸的点云模型喷涂轨迹规划方法，应用了如上所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法。
[0050]
一种电子装置，包括：
[0051]
存储介质，用于存储计算机程序，
[0052]
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行喷涂轨迹规划时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法的步骤。
[0053]
一种计算机可读存储介质：
[0054]
所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；
[0055]
所述计算机程序在运行时，执行如上所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法的步骤。
[0056]
本发明的有益效果至少包括：
[0057]
本发明所述的方法，通过获取待喷涂物体的三维点云模型，利用所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面；将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，并重复上述过程，获得所有分区的喷涂轨迹段；将所有的所述单个分区的喷涂轨迹段进行组合，获得最短的喷涂轨迹；以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量，以进行三维喷涂轨迹平滑；
[0058]
本发明所述的方法，采用点云模型的方式，能够在cad模型缺失的情况下，完成浴缸喷涂轨迹规划的离线编程任务，有效的解决了现有技术中当cad模型缺失后的喷涂问题；同时，本发明所述的方法是基于主成分分析法的浴缸点云分区算法，能够将复杂的待喷涂物体表面划分为若干各简单的曲面，从而降低轨迹规划的难度；而且，本发明所述的方法利用单个点云分区的轨迹生成算法、多个分区点云组合算法和插值后轨迹点法向量估算方式，能够实现待喷涂物体的三维喷涂轨迹的快速获取。
附图说明
[0059]
图1为浴缸点云喷涂轨迹规划流程图。
[0060]
图2为浴缸背面点云示意图；
[0061]
图3为浴缸点云模型分区情况示意图；
[0062]
图4为五个分区的轨迹段示意图；
[0063]
图5为各点云上的简化轨迹示意图；
[0064]
图6为组合后的浴缸整体喷涂轨迹示意图；
[0065]
图7为平滑后的浴缸整体喷涂轨迹示意图。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图对本技术进行进一步的说明。
[0067]
在采用离线编程进行物体喷涂轨迹规划时，由于物体形状和大小的个性化定制，导致物体喷纤过程中往往较难获取实际物体的cad模型，因此造成物体自动化喷涂难以进行。在物体喷涂生产线中加入机器视觉技术，能够获取生产线上物体的点云模型，因此采用点云模型的方式进行物体的喷涂轨迹规划，即可在物体cad模型缺失的情况下，完成物体喷涂轨迹的离线编程任务。
[0068]
具体的，本发明所述的方法，包括：物体点云模型分区、单个分区的喷涂轨迹生成、多个分区的喷涂轨迹组合、三维喷涂轨迹平滑；
[0069]
步骤一：物体点云模型分区；
[0070]
所述物体点云模型是基于机器视觉的物体自动喷涂生产线所获取的物体背面的三维信息，可由rgbd相机对物体进行拍摄，完成物体点云模型的构建任务。物体点云模型与物体cad模型相同之处是两者都能表达物体三维形状和尺寸，不同之处是物体点云模型还能反应物体在生产线上的位姿信息。
[0071]
所述物体点云模型分区是将复杂的物体曲面划分为若干个较为简单的曲面，以降低轨迹规划难度。
[0072]
本实施例中，提出基于主成分分析法的物体点云分区算法，对物体点云模型上所有点的三维坐标进行主成分分析，得到点云的三个分布方向的方向向量并以划分五个曲面。
[0073]
步骤二：单个分区的喷涂轨迹生成：
[0074]
所述单个分区的喷涂轨迹生成是提出基于切片法的单分区轨迹规划算法完成，所述单分区轨迹规划算法确定了z字型的喷涂策略，构建了以切片数量最少方向为切片方向，提出了喷涂余量补偿的均匀切片方式，实现了切片与点云交点的轨迹点计算，采用了法向量偏置的后处理，采用了道格拉斯普克算法精简轨迹点，进而完成了单个分区的喷涂轨迹规划；
[0075]
步骤三：多个分区的喷涂轨迹组合；
[0076]
所述多个分区的喷涂轨迹组合是将五个分的喷涂轨迹段进行组合，采用穷举法计算出最短的喷涂轨迹。
[0077]
步骤四：三维喷涂轨迹平滑；
[0078]
所述三维喷涂轨迹平滑，是以各轨迹点为控制点，构建三次b样条曲线参数方程，对参数方程进行插值获取平滑后的喷涂轨迹点，对插值后的轨迹点采用法向量估算方式，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量。
[0079]
具体实施例i：
[0080]
本实施例以浴缸作为待喷涂物体，对本发明所述的方法进行详尽的说明：
[0081]
本实施例中对浴缸进行基于点云模型的三维喷涂轨迹规划时，可采用如图1所示的流程进行；
[0082]
本实施例对以上步骤进行详细说明，如下：
[0083]
1.浴缸点云模型分区：
[0084]
生成如图2所示的浴缸点云模型，具体生成方法可参考步骤一中的内容；如图3，浴缸点云模型分区主要是将浴缸这种复杂曲面模型划分为五个分区，为下一步喷涂轨迹生成作准备。浴缸点云模型分区主要是通过pca主成分分析法，提取浴缸点云数据的主要特征向量。首先将浴缸点云中各点在x，y，z方向上的数值组成集合x，y，z，并计算其均值x
mean
，y
mean
，z
mean
。然后构建协方差矩阵c如下：
[0085][0086]
其中cov(xy)＝e[(x-x
mean
)(y-y
mean
)]表示x与y之间的协方差。最后求解协方差矩阵的三个特征值λ1，λ2，λ3和对应的三个特征向量
[0087]
设定阈值k并计算点云模型中各点的法向量与的夹角，若该点法向量与的夹角小于等于阈值k，则判断该点为前侧面分区，同理判断后侧面分区、左侧面分区、右侧面分区和顶部分区，如图4。
[0088]
2.单个分区的喷涂轨迹生成；
[0089]
如图5，单个分区的喷涂轨迹生成是以点云切片法为核心展开。首先确定喷涂策略，相比于复杂的螺旋形喷涂轨迹，z字形喷涂轨迹具有规划简单、计算快速的优点，因此选用z字形喷涂策略；其次确定切片方向，切片与点云相交可得到喷涂轨迹段，两个切片之间必然存在轨迹的拐点，为了使拐点尽可能少，切片方向应沿点云短轴方向进行，短轴方向的长度为h；然后确定切片方式，由于均匀切片法是步长固定的，因此点云在切片后会存在部分切片余量δd，有δd＝h-nd0，将切片余量均摊，可有以下关系：
[0090][0091]
其中d0为初始步长，n为切片数量，d为均摊后的切片步长。然后提取感兴趣区的数据点，估算该点云各点之间平均距离提取切片两侧厚度为d的点云，有其中k为厚度系数，取值范围为(1，3)。接着计算轨迹点，遍历切片左侧的点云，进行半径为d的范围搜索，匹配右侧中的最近点，计算两个匹配点所确定的直线与切片的交点为轨迹点。然后进行轨迹点偏置，计算各轨迹点的法向量，并将轨迹点沿着法向量进行偏置。最后精简轨迹点，采用道格拉斯普克算法精简各单个分区的轨迹点，以此生成全部分区的轨迹点。
[0092]
3.多个分区的喷涂轨迹组合；
[0093]
所述多个分区的喷涂轨迹组合是将五个分区的轨迹段进行组合从而得到一条最短喷涂轨迹，视为最佳轨迹。因为各分区内的轨迹长度基本固定，整体喷涂轨迹长度仅与相邻分区的连接长度相关。考虑各点云上因切片层数不同，可划分为奇偶数切片，为简化计算，取点云上第一层切片和最后一层切片所计算出轨迹的首尾点作为特征点，故每片点云上有4个特征点，分别以4个特征点作为该片点云喷涂轨迹起始点，可对应4种不同的喷涂轨迹，因此奇偶数切片层数的点云上对应的喷涂轨迹各有4种可能，如图6所示，求解最短轨迹步骤如下：
[0094]
a.对5个待喷涂区域进行全排列，得到排列结果种；
[0095]
b.令i＝1；
[0096]
c.选择第i种排列结果，按照喷涂顺序将各区的4种可能轨迹代入，得到当前排列结果的完整喷涂轨迹共45＝1024条；
[0097]
d.计算当前排列结果的所有轨迹的长度，若比最佳轨迹的长度短，则更新最佳轨迹，计算结束后执行i＝i+1；
[0098]
e.重复(c)(d)步，直至遍历完120种排列结果；
[0099]
f.输出最佳轨迹。
[0100]
4.三维喷涂轨迹平滑；
[0101]
如图7，所述三维喷涂轨迹平滑是对整体的喷涂轨迹进行平滑处理，以达到减少机器人抖动的问题。采用三次b样条曲线对喷涂轨迹进行插值，以原有的n个轨迹点为控制点组成集合p＝{pi|i＝0，1，...，n-1}和m个节点向量组成集合u＝{uj|j＝0，1，...，m-1}构建三次b样条曲线参数表达式如下：
[0102][0103]
其中是b
i，3
(u)是b样条基函数，由de boor-cox递归公式确定，具体公式如下：
[0104][0105][0106]
所用节点矢量ui经过均匀参数化处理如下：
[0107][0108]
最后各式整理可求的三次b样条曲线参数方程，以此进行插值即可得到平滑后的喷涂轨迹点。以浴缸五个分区切片方向构造五个切片方向向量以相邻插值点(pi，p
i+1
)构造移动向量以构造基向量，则当前插值点的法向量计算公式如下：
[0109][0110]
至此完成所有插值点的三维坐标及其法向量计算，完成喷涂路径规划。
[0111]
具体实施例ii：
[0112]
一种电子装置，包括：存储介质和处理单元；其中，存储介质，用于在进行三维喷涂轨迹规划时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如具体实施例i所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用的步骤。
[0113]
本发明还提供一种实施例：
[0114]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在运行时，执行如具体实施例i所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用的步骤。
[0115]
在本发明中，计算机可读的存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适
当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0116]
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

技术特征：
1.基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，包括：获取待喷涂物体的三维点云模型，并通过所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面；将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，并重复上述过程，获得所有分区的喷涂轨迹段；将所有的所述单个分区的喷涂轨迹段进行组合，获得最短的喷涂轨迹；以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量，以进行三维喷涂轨迹平滑。2.根据权利要求1所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，所述通过所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面，包括：将所述三维点云模型中各点在x,y,z方向上的数值组成集合x,y,z，并得到对应的均值x
mean
,y
mean
,z
mean
；构建协方差矩阵c：其中，cov(x,y)＝e[(x-x
mean
)(y-y
mean
)]表示x与y之间的协方差；得到协方差矩阵c的三个特征值λ1，λ2，λ3和对应的三个特征向量设定阈值k，并获得所述点云模型中各点的法向量与设定阈值k，并获得所述点云模型中各点的法向量与的夹角；根据所述点法向量与或或或或之间的夹角判断该点为前侧面分区或后侧面分区或左侧面分区或右侧面分区或顶部分区。3.根据权利要求1所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，所述将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，包括：使用z字形喷涂策略规划所述喷涂轨迹段；确定切片方向和切片方式，通过切片与三维点云模型相交可得到喷涂轨迹段；遍历切片任一侧的点云，进行半径为d的范围搜索，匹配另一侧中的最近点，作为一组匹配点，并形成一条直线；将所述直线与切片相交，形成的交点为轨迹点；进行所述轨迹点偏置，获取各轨迹点的法向量，并将所述轨迹点沿着法向量进行偏置，得到偏置后的轨迹；精简所述偏置后的轨迹，生成该分区的喷涂轨迹段。4.根据权利要求3所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，包括：所述切片方向沿所述三维点云模型的短轴方向进行，短轴方向的长度为h；所述切片方式种，所述三维点云模型在切片后会存在部分切片余量δd，且δd＝h-nd0，
将切片余量均摊，得到以下关系：其中，d0为初始步长，n为切片数量，d为均摊后的切片步长；提取感兴趣区的数据点，估算所述三维点云模型各点之间平均距离提取切片两侧厚度为d的点云，有其中k为厚度系数。5.根据权利要求1所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，获取最短喷涂轨迹的过程，包括：对全部的待喷涂区域进行全排列，得到排列结果；选择任一种排列结果，按照喷涂顺序将各区的所有可能轨迹代入，得到当前排列结果的完整喷涂轨迹；获取当前排列结果的所有轨迹的长度，并存储；比较所有排列结果对应的完整喷涂轨迹，得到一条最短喷涂轨迹作为最佳喷涂轨迹。6.根据权利要求1所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量，包括：以待喷涂物体的至少2个分区切片方向构造至少2个切片方向向量以相邻插值点(p
i
,p
i+1
)构造移动向量以构造基向量，则当前插值点的法向量计算公式如下：至此完成所有插值点的三维坐标及其法向量计算。7.根据权利要求1所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法，其特征在于，进行三维喷涂轨迹平滑，包括：采用三次b样条曲线对所述最短的喷涂轨迹进行插值，以原有的n个轨迹点为控制点组成集合p＝{p
i
|i＝0,1,
…
,n-1}和m个节点向量组成集合u＝{u
j
|j＝0,1,...,m-1}构建三次b样条曲线参数表达式如下：其中是b
i,3
(u)是b样条基函数，由de boor-cox递归公式确定，具体公式如下：
所用节点矢量u
i
经过均匀参数化处理如下：获取三次b样条曲线参数方程，以此进行插值即可得到平滑后的喷涂轨迹点。8.一种针对浴缸的点云模型喷涂轨迹规划方法，应用了如权利要求1-7任一权利要求所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法。9.一种电子装置，其特征在于，包括：存储介质，用于存储计算机程序，处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行喷涂轨迹规划时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如权利要求1-7任一权利要求所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在运行时，执行如权利要求1-7任一权利要求所述的基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法的步骤。

技术总结
本发明的目的在于提供一种基于点云模型的三维喷涂轨迹规划方法、装置及应用，包括：获取待喷涂物体的三维点云模型，并通过所述三维点云模型上所有点的三维坐标，将所述点云模型中的待喷涂表面进行分区，得到至少2个分区曲面；将任一所述分区曲面进行分区喷涂轨迹规划，得到对应的单个分区的喷涂轨迹段，并重复上述过程，获得所有分区的喷涂轨迹段；将所有的所述单个分区的喷涂轨迹段进行组合，获得最短的喷涂轨迹；以所述最短的喷涂轨迹中各轨迹点为控制点，对所述轨迹点进行调整，得到平滑后喷涂轨迹点的法向量；本发明所述的方法，能够在CAD模型缺失的情况下，完成涂轨迹规划的离线任务，有效的解决了当CAD模型缺失后的喷涂问题。涂问题。涂问题。


技术研发人员：刘建群 招健斌 高伟强 刘达
受保护的技术使用者：佛山市科莱机器人有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/10/6