何釗濱

（1.泉州華中科技大學(xué) 智能制造研究院，福建 泉州 362000；2.泉州華數(shù)機(jī)器人有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

鞋底打磨是制鞋成型工藝中影響質(zhì)量的最重要工序之一。由于鞋底材質(zhì)較軟易變性、換款頻繁等特點(diǎn)導(dǎo)致了鞋底的打磨工作基本都是依靠人工現(xiàn)場(chǎng)打磨完成的[1]。這不僅需要技術(shù)工人具有豐富的打磨經(jīng)驗(yàn)，而且還要耐得住長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)性工作，以及打磨產(chǎn)生的粉塵造成的環(huán)境惡劣問(wèn)題，不僅對(duì)工人存在安全隱患，而且鞋底的打磨質(zhì)量穩(wěn)定性無(wú)保障，易造成后期成型鞋子的開(kāi)膠問(wèn)題。因此，對(duì)鞋底打磨均勻性、位置準(zhǔn)確性尤其重要。

目前在鞋底打磨領(lǐng)域的自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)處于初始階段，技術(shù)還不成熟，研發(fā)出的產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)一部分功能的自動(dòng)化，比如鞋底裝夾功能和自動(dòng)打磨功能，但是缺點(diǎn)在于不能根據(jù)每一類鞋底精準(zhǔn)的快速獲取鞋底夾具，也不能根據(jù)每一只鞋底快速生成精準(zhǔn)的打磨軌跡，進(jìn)而造成鞋底整體打磨效率低下，不能滿足客戶實(shí)際需求[2-3]。同時(shí)，鞋底打磨是柔性化打磨，打磨區(qū)域形狀復(fù)雜，鞋底尺寸精度低，造成均勻打磨難度大。需要采用實(shí)時(shí)在線手眼配合掃描軌跡生成的方式，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化打磨。

本文針對(duì)以上需求，開(kāi)發(fā)了基于3D 視覺(jué)的鞋底自動(dòng)打磨系統(tǒng)主要針對(duì)鞋底定位、鞋底夾具快換、鞋底掃描數(shù)據(jù)打磨軌跡提取等進(jìn)行研究。通過(guò)3D 相機(jī)掃描獲取鞋底輪廓數(shù)據(jù)，提取打磨軌跡，并根據(jù)鞋底打磨工藝流程，實(shí)現(xiàn)鞋底打磨上料、掃描、打磨、下料等環(huán)節(jié)全自動(dòng)化操作。鞋底打磨系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，集成鞋底上料、鞋底掃描、鞋底打磨、鞋底下料多個(gè)系統(tǒng)為一體，體現(xiàn)了鞋底的精準(zhǔn)裝夾、鞋底夾具的快速獲取、鞋底夾具的快速更換。通過(guò)3D 視覺(jué)掃描快速精準(zhǔn)地獲取每一只鞋底的打磨軌跡。打磨系統(tǒng)針對(duì)不同種類的鞋底通用性更強(qiáng)，并解決了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力不足、工人難招、受人為因素影響打磨質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。還解決了因工作環(huán)境惡劣造成人身安全的問(wèn)題，提升鞋底打磨效率，提高鞋底生產(chǎn)質(zhì)量，推動(dòng)制鞋產(chǎn)業(yè)智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 基于3D 視覺(jué)的鞋底自動(dòng)打磨系統(tǒng)整體方案

鞋底自動(dòng)打磨系統(tǒng)包括3D 視覺(jué)鞋底掃描系統(tǒng)和機(jī)器人打磨系統(tǒng)兩大部分，主要由機(jī)器人固定架、機(jī)器人系統(tǒng)、打磨機(jī)及打磨頭裝置、3D 掃描相機(jī)、鞋底打磨夾具裝置、直線模組輸送及相關(guān)裝置、上位機(jī)等組成，如圖1 所示。首先，將鞋底放置于柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)中夾緊，隨后直線模組帶夾緊的鞋底進(jìn)入線結(jié)構(gòu)光相機(jī)掃描區(qū)域。在設(shè)定區(qū)域中觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行周期性拍照，同時(shí)上位機(jī)將直線模組上的編碼器位置值與拍照的每一幀圖片綁定。上位機(jī)通過(guò)相機(jī)回調(diào)函數(shù)對(duì)每一幀的圖像處理重建鞋底三維點(diǎn)云。通過(guò)相機(jī)標(biāo)定、相機(jī)手眼標(biāo)定等多個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，把圖像位置和編碼器位置轉(zhuǎn)換成鞋底點(diǎn)云并進(jìn)行三維重建，將其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人工件坐標(biāo)系下。通過(guò)點(diǎn)云處理算法在線提取鞋底打磨軌跡，生產(chǎn)機(jī)器人運(yùn)行PRG 程序。當(dāng)鞋底到達(dá)打磨作業(yè)區(qū)域時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行打磨鞋底PRG程序，完成鞋底打磨[4]。自動(dòng)打磨系統(tǒng)控制流程圖，如圖2 所示。

圖1 鞋底自動(dòng)打磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 鞋底自動(dòng)打磨系統(tǒng)控制流程圖

2 基于3D 視覺(jué)鞋底掃描系統(tǒng)

2.1 鞋底3D 掃描系統(tǒng)組成

鞋底掃描系統(tǒng)主要由鞋底夾持機(jī)構(gòu)、直線移動(dòng)模組、3D 掃描相機(jī)及其安裝支架等組成，由3D 線掃描相機(jī)配合搭載由伺服電機(jī)組成的模組實(shí)現(xiàn)鞋底隨動(dòng)掃描，并以此獲取鞋底打磨的3D 輪廓，生成鞋底三維點(diǎn)云。鞋底3D 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鞋底3D 掃描系統(tǒng)

2.2 鞋底三維點(diǎn)云處理技術(shù)

鞋底經(jīng)線結(jié)構(gòu)光掃描相機(jī)掃描獲取鞋底的三維數(shù)據(jù)并進(jìn)行處點(diǎn)位信息提取顯示出來(lái)[5]，采用3D 相機(jī)對(duì)直線模組上運(yùn)動(dòng)的鞋底按照一定幀率進(jìn)行拍照，并通過(guò)直線模組上的編碼器反饋所拍攝照片在3D相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的位置，將所拍照的全部照片按拍照順序擬合生成鞋底內(nèi)緣的三維空間模型和鞋底外輪廓的三維空間點(diǎn)云模型[5-6]。當(dāng)處理完所有采集數(shù)據(jù)后即完成鞋底3D 點(diǎn)云生成如圖4 所示。

圖4 鞋底點(diǎn)云生成示意圖

對(duì)鞋底3D 點(diǎn)云進(jìn)行均勻的縱向豎直切割[7]，如圖5 所示。提取切割的每一片點(diǎn)云兩端的最高點(diǎn)，如圖6所示，同時(shí)刪除每一片點(diǎn)云的在兩端最高點(diǎn)外圍的點(diǎn)，把提取的每一片點(diǎn)云兩端的最高點(diǎn)按順序排列起來(lái)即得的鞋底最高外輪廓點(diǎn)，如圖7 所示。把刪除了在兩端最高點(diǎn)外圍的點(diǎn)的每一片點(diǎn)云組合起來(lái)即得到的鞋底內(nèi)部點(diǎn)云，切除了在最高外輪廓外圍點(diǎn)的點(diǎn)云，如圖8 所示。

圖5 對(duì)鞋底點(diǎn)云進(jìn)行縱向切割示意圖

圖6 提取切片點(diǎn)云兩端的最高點(diǎn)示意圖

圖7 鞋底最高外輪廓點(diǎn)

圖8 鞋底內(nèi)部點(diǎn)云

對(duì)鞋底內(nèi)部點(diǎn)云進(jìn)行類似如圖5 所示的縱向切割，對(duì)切割的每一片點(diǎn)云進(jìn)行平面特征擬合，由于鞋頭或鞋后跟因3D 相機(jī)有視野盲區(qū)導(dǎo)致部分特征點(diǎn)云缺失及鞋頭特征的特殊性，故在進(jìn)行分段擬合平面特征的操作前，先剔除鞋頭和鞋后跟處的點(diǎn)云以防干擾[8]。擬合出切割的每一片點(diǎn)云的平面特征后，刪除每一片點(diǎn)云中距離擬合的平面距離大于指定值的點(diǎn)，進(jìn)而可得到鞋底內(nèi)底面的點(diǎn)云，如圖9 所示。

圖9 鞋底內(nèi)底面特征點(diǎn)云

2.3 鞋底機(jī)器人打磨軌跡提取算法研究

由于鞋頭或鞋后跟因3D 相機(jī)有視野盲區(qū)導(dǎo)致部分特征點(diǎn)云缺失及鞋頭特征的特殊性[9]，在提取打磨軌跡時(shí)鞋頭和鞋后跟區(qū)也單獨(dú)處理。上一步操作已分段擬合出了鞋底內(nèi)底面各段的平面特征并得到了鞋底內(nèi)底面的點(diǎn)云，針對(duì)中間區(qū)的打磨軌跡提取，先把中間區(qū)的鞋底最高外輪廓點(diǎn)投影到鞋底內(nèi)底面各段的平面上，然后在鞋底內(nèi)底面點(diǎn)云上查找距離各投影點(diǎn)最鄰近的點(diǎn)，進(jìn)而把鞋底最高外輪廓點(diǎn)“拉”到鞋底內(nèi)底面上，即得到中間區(qū)的打磨軌跡點(diǎn)位，如圖10所示。

圖10 中間區(qū)打磨軌跡提取

在提取鞋底內(nèi)底面特征點(diǎn)云時(shí)切除了鞋頭和鞋后跟區(qū)的點(diǎn)云，由于鞋底內(nèi)底面通常是連續(xù)且平滑的，故可以把鞋頭和鞋后跟區(qū)的最高外輪廓點(diǎn)分別投影到距離鞋頭和鞋后跟最近的那段鞋底內(nèi)底面的平面上，然后分別計(jì)算鞋頭鞋跟與中間區(qū)交接的最高外輪廓點(diǎn)相對(duì)打磨軌跡的內(nèi)縮量，如圖11 中所示，根據(jù)此內(nèi)縮量對(duì)投影到鞋底內(nèi)底面上的投影點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)縮處理，進(jìn)而得到鞋頭和鞋后跟區(qū)的打磨軌跡點(diǎn)位，如圖12 所示。

圖11 鞋頭鞋跟與中間區(qū)交接的最高外輪廓點(diǎn)相對(duì)打磨軌跡的內(nèi)縮

最終得到整只鞋底的打磨軌跡，如圖13 所示。由于鞋頭和鞋后跟區(qū)打磨軌跡是通過(guò)上述的特殊的擬合算法擬合出來(lái)的，故當(dāng)鞋底掉轉(zhuǎn)180°掃描的鞋頭處因3D 相機(jī)視野盲區(qū)導(dǎo)致的點(diǎn)云出現(xiàn)特征缺失時(shí)也不影響打磨軌跡的計(jì)算，如圖14 所示。

圖13 完整鞋底的打磨軌跡

圖14 鞋頭區(qū)點(diǎn)云特征缺失時(shí)提取的打磨軌跡

3 機(jī)器人自動(dòng)打磨控制系統(tǒng)

3.1 機(jī)器人打粗控制系統(tǒng)

采用工業(yè)機(jī)器人替代人的手臂，3D 視覺(jué)相機(jī)替代人的眼睛，浮動(dòng)打磨頭替代傳統(tǒng)打磨設(shè)備，將傳統(tǒng)手持鞋底在靜止的打磨設(shè)備上打磨改為工業(yè)機(jī)器人手持打磨頭對(duì)靜止的鞋底進(jìn)行打磨，如圖15 所示。

圖15 工業(yè)機(jī)器人手持打磨頭

機(jī)器人控制系統(tǒng)、上位機(jī)、線結(jié)構(gòu)光3D 相機(jī)、直線模組通過(guò)HUB 交換機(jī)連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，機(jī)器人通過(guò)EtherCAT 協(xié)議與各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)通信，控制外部軸的直線模組運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上面的編碼器來(lái)觸發(fā)相機(jī)采集，相機(jī)高頻率的采集結(jié)構(gòu)光條照片，并將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)打磨控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行圖像處理。同時(shí)，上位機(jī)下發(fā)機(jī)器人PRG，機(jī)器人執(zhí)行對(duì)當(dāng)前鞋底進(jìn)行打磨作業(yè)，如圖16 所示。

3.2 鞋底打磨3D 控制軟件的開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)軟件集成了3D 相機(jī)掃描系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、鞋底打磨系統(tǒng)、監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等等。3D 相機(jī)掃描系統(tǒng)可控制3D 相機(jī)進(jìn)行視覺(jué)掃描以生成3D 點(diǎn)云。機(jī)器人控制系統(tǒng)可控制機(jī)器人加載、運(yùn)行、卸載機(jī)器人打磨PRG 文件。鞋底打磨系統(tǒng)具有打磨軌跡時(shí)時(shí)提取功能、機(jī)器人打磨PRG 文件生成功能、打磨壓力調(diào)整功能等。監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)具有整個(gè)軟件運(yùn)行狀態(tài)的顯示模塊，當(dāng)有故障時(shí)會(huì)以紅色醒目字體顯示報(bào)警信息。鞋底打磨3D 視覺(jué)軟件如圖17 所示。

圖17 鞋底打磨3D 控制軟件界面

3.3 磨頭選型及打磨效果

參考其他工件打磨工況[10-11]，選用不同形狀和材質(zhì)的幾款打磨頭進(jìn)行鞋底打磨測(cè)試，如圖18 所示。經(jīng)過(guò)打磨測(cè)試，帶40 目砂紙打磨頭打粗效果較好，如圖19 所示，相對(duì)人工打磨部位粗糙度均勻，打粗節(jié)拍快、效率高。

圖18 不同材質(zhì)的磨頭

圖19 鞋底打磨后效果

4 結(jié)語(yǔ)

基于3D 視覺(jué)鞋底的自動(dòng)打磨系統(tǒng)能通過(guò)線結(jié)構(gòu)光掃描成型的原理，對(duì)鞋底進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描并生產(chǎn)三維點(diǎn)云模型。借助對(duì)鞋底3D 點(diǎn)云輪廓的處理，對(duì)鞋底外輪廓及內(nèi)輪廓邊緣進(jìn)行軌跡點(diǎn)位規(guī)劃。機(jī)器人打磨軌跡提取算法，實(shí)時(shí)規(guī)劃出目標(biāo)鞋底的打磨軌跡，進(jìn)而下發(fā)給機(jī)器人動(dòng)作。機(jī)器人帶浮動(dòng)打磨頭對(duì)鞋底進(jìn)行打磨作業(yè)，實(shí)現(xiàn)鞋底打磨的自動(dòng)化。解決了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力不足的問(wèn)題，工人難招問(wèn)題，受人為因素影響打磨質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，因工作環(huán)境惡劣造成人身安全的問(wèn)題，提升鞋底打磨效率，提高鞋底生產(chǎn)質(zhì)量，推動(dòng)制鞋產(chǎn)業(yè)智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)。