一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法和装置
技术领域
本发明涉及鞋底涂胶技术领域，尤其涉及一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法和装置。
背景技术
现阶段制鞋业市场巨大，正在往品质型和效益型转变。其中鞋底涂胶工艺是制鞋工艺中耗时的关键工序，该工序存在生产效率低、涂胶质量、工作环境恶劣等一系列问题间接提高生产成本。因此实现涂胶工艺自动化是制鞋业现实必要需求。目前多数涂胶工艺都是使用特定外形的鞋机完成；或者由人工“示教”生成特定鞋底涂胶轨迹，保存于存储器，然后从存储器中取出数据，并执行；或对涂胶件建模，用CAD模型喷涂等方法，过程繁琐，操作复杂，轨迹提取耗时长，甚至需要专业人士介入，不适用于多规格鞋底涂胶。
专利公布号为CN107808415A的专利申请，该发明公开了一种利用3D激光传感器采集鞋底点云数据，并降维映射到二维深度图像，处理得到鞋底边缘轨迹曲线，利用偏置算法与曲线拟合获得涂胶喷枪轨迹曲线。鞋跟或鞋周围有较大延伸时，对于鞋底边缘轨迹的提取有较大的影响，通用性较差；同时 3D激光传感器采集鞋底信息是通过扫描方式实现，相较于3D视觉所得点云具有无序性、稀疏性，信息量有限以及采集速度慢等劣势，极大影响自动化涂胶效率。
专利公布号为CN201910376398.1的专利申请，该发明提供了一种利用三维激光传感器采集鞋底信息，根据鞋底点云创建鞋底空间模型，根据所述的空间模型提取鞋底外轮廓，进而提取涂胶轮廓生成涂胶轨迹。缺点是过程繁琐，在鞋底点云空间模型的建立，耗时大，空间模型质量的优劣直接影响涂胶轨迹的质量，稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法和装置，用以解决相关技术中存在的低效、适应性差、自动化集成性能低等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
第一方面，根据本发明的实施例，提供一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法，包括：
通过3D相机获取鞋底点云数据；
计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足预定法矢特征的点云数据，作为鞋底涂胶轮廓局内点；
根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集；
对所述鞋底涂胶轮廓离散点集进行细化光滑；
对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则编号；
编号后，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点；
根据轮廓离散点，计算涂胶路径。
进一步地，通过3D相机获取鞋底点云数据时，鞋底样本安放形式采用按3D相机与鞋底底面基本垂直原则，兼容无序朝向方式，所述3D相机采用编码结构光3D相机。
进一步地，通过3D相机获取鞋底点云数据，包括：
根据相机与鞋底的相对位置进行Z向、X向、Y向的直通滤波，将点云数据缩减到鞋底及其周边预定范围内；
利用采样一致性拟合鞋底平面，并去除得到单一鞋底样本俯视的点云数据。
进一步地，通过kdtree搜索方法计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征。
进一步地，根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集，包括：
运用几何学计算所述鞋底涂胶轮廓局内点点云的质心，经质心沿Z轴正方向移动预定距离得到定点，同时分别计算该点云在x与y轴方向的最大值与最小值及各自的最值差；
选择x与y轴的最值差较大者为切割方向，切割方向所在x或y轴最小值和最大值所属的局内点为切割始末，以平行于z的平面为切割面，对鞋底涂胶轮廓局内点点云进行等距切割，保留距切割面某一距离内的点数据，记为切割点云块；
遍历切割点云块，映射到定点所在切割面的平面内，遍历切割点云块内的点分别计算与定点连线的曲率，提取曲率最值的两个点数据，所有提取点一起组成鞋底轮廓曲线离散点集。
进一步地，对所述鞋底涂胶轮廓离散点集采用移动最小二乘法进行细化光滑。
进一步地，对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则编号，包括：
计算细化光滑处理后的点云在x或y轴的最值，连接在点云中x或y轴最值所属两点成直线，将细化光滑点云分成以直线为界的两部分，以x或y轴最小值与最大值所属点为目标点，分别遍历两部分点集，选择一个目标点，按两点距离大小依次排序，得到两部分排序点集，并与两个目标点一起首尾连接进行编号。
进一步地，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点，包括：
曲线拟合方法采用Nurbs曲线拟合，将游离在曲线外的离散点去除，获得轮廓离散点。
进一步地，根据轮廓离散点，计算涂胶路径，包括：
将轮廓离散点在各自法矢方向移动预定距离，得到涂胶枪口的位置；
根据相机与机械手的标定关系，将涂胶枪口路径点进行坐标变换生成路点，形成涂胶路径。
第二方面，根据本发明的实施例，还提供一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划装置，包括：
数据获取模块，用于通过3D相机获取鞋底点云数据，；
内点计算模块，用于计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足预定法矢特征的点云数据，作为鞋底涂胶轮廓局内点；
离散点集计算模块，用于根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集；
细化光滑模块，用于对所述鞋底涂胶轮廓离散点集进行细化光滑；
编号模块，用于对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则（顺序）编号；
轮廓离散点获取模块，用于编号后，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点；
路径计算模块，用于根据轮廓离散点，计算涂胶路径。
根据本发明实施例，本发明所提出的高斯球映射原理求鞋底涂胶轮廓线局内点，可以减少无用数据，快速准确定位鞋底涂胶轮廓线所在区域，提高算法速度以及保障精度。本发明所使用的3D相机属于纯视觉，较于三维激光传感器，在同等精度的情况下，响应时间很小，快速采集鞋底信息，利于减少自动化涂胶工艺耗费时间，本发明所使用的方法可以提高效率。鞋底信息的获取和涂胶轨迹的自动生成，通用性好，能适用于不同款式的鞋子涂胶，优化了制鞋工艺流程，提高了产品的质量水平。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法的流程图；
图2是根据本发明实施例中鞋底涂胶轮廓线点集；
图3是根据本发明实施例中鞋底涂胶轮廓线图；
图4是根据本发明实施例的一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，通过3D相机获取鞋底点云数据，述例地线离散点集合；
步骤S102，计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足预定法矢特征的点云数据，作为鞋底涂胶轮廓局内点；
步骤S103，根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集；
步骤S104，对所述鞋底涂胶轮廓离散点集进行细化光滑；
步骤S105，对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则编号；
步骤S106，编号后，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点；
步骤S107，根据轮廓离散点，计算涂胶路径。
根据本发明上述实施例，本发明所提出的高斯球映射原理求鞋底涂胶轮廓线局内点，可以减少无用数据，快速准确定位鞋底涂胶轮廓线所在区域，提高算法速度以及保障精度。本发明所使用的3D相机属于纯视觉，较于三维激光传感器，在同等精度的情况下，响应时间很小，快速采集鞋底信息，利于减少自动化涂胶工艺耗费时间，本发明所使用的方法可以提高效率。鞋底信息的获取和涂胶轨迹的自动生成，通用性好，能适用于不同款式的鞋子涂胶，优化了制鞋工艺流程，提高了产品的质量水平。
下面以某一鞋底模型为研究对象，记为鞋底M，对上述实施例的每个步骤做详细的描述。
步骤S101，通过3D相机获取鞋底点云数据，具体如下：
通过3D相机获取鞋底点云数据时，鞋底样本安放形式采用按3D相机与鞋底底面基本垂直原则，兼容无序朝向方式，所述3D相机采用编码结构光3D相机。
本实施例中相机安置于操作平台上方a米处高度，视野垂直朝下，鞋底M沿相机x轴水平摆放于工作平台之上，其中鞋底底面朝下，处于相机视野正中央。
利用传感器获取鞋底M原始点云，经一系列滤波处理得到鞋底M点云。本实施例鞋底M点云数据采集的传感器采用编码结构光3D相机，与三维激光传感器相比，采集点云速度快，成像更快；其次采集的数据是相机整个视野范围内的数据，因数据量较大，为提高算法速度，对原始点云数据进行下采样，再根据相机与鞋底的相对位置，划分鞋底M所在方形区域，进行Z向、X向、Y向的直通滤波，同时利用采样一致性算法拟合操作平台并去除一切噪点，得到单一鞋底M点云。
步骤S102，计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足预定法矢特征的点云数据，作为鞋底涂胶轮廓局内点，具体如下：
本实施例中所谓局内点即为鞋底涂胶轮廓线及其附近一定范围内的点云集合，而鞋底涂胶轮廓线是鞋帮底面与鞋帮侧面的交线，鞋帮底面与侧面上的点在法矢特征上有明显突变。由此将步骤S101中获得的鞋底M点云，通过kdtree按半径b毫米搜索计算其各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足法矢特征明显突变区域的点云数据，这些点集合就是鞋底M涂胶轮廓局内点。能够快速精准定位鞋底涂胶轮廓线区域，减少鞋底外边界部分点云干扰。
步骤S103，根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集，具体如下：
本实施例中运用几何学首要计算步骤S102中的鞋底涂胶轮廓局内点的质心（x,y,z），经质心沿Z轴正方向移动距离c得到定点P(x,y,z+c)，同时计算该点云x（y）的最大值点与最小值点及其差值；选择x与y的最值差较大者为切割方向，x或y的最小点和最大点为切割始末，以垂直于x（y）的平面为切割面，按照步骤S101鞋底M安放形式，记x的最小值点为T1，最大值点为T2，由T1至T2对鞋底M涂胶轮廓局内点进行d毫米等距切割，保留距切割面e毫米的点数据，记为切割点云块（弧线离散点集）；遍历切割点云块，映射到P点所在切割面的平面内，遍历切割点云块内的点分别计算与P点连线的曲率，提取曲率最值的两点数据（切点），所有提取点组成鞋底M轮廓曲线离散点集，如图2所示。
步骤S104，对所述鞋底涂胶轮廓离散点集进行细化光滑，具体如下：
本实施例中对鞋底M轮廓曲线离散点集细化光滑的方法采用移动最小二乘法，选取适当的阶数基函数与权函数，达到使用要求的精度与光滑度。
步骤S105，对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则编号，具体如下：
本实施例中步骤S104细化光滑的点云x最小值点T3与最大值点T4，连接T3与T4两点成直线T3T4，将细化光滑点云分成以直线T3T4为界的两部分A与B，选取T3目标点，分别遍历A和B点集，按两点距离依次排序，得到A`（从小到大）和B`（从大到小）排序点集，将A`，T4，B`，T3进行收尾连接编号。
步骤S106，编号后，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点，具体如下：
本实施例中曲线拟合方法采用Nurbs曲线拟合，为了机械手运行平稳，Nurbs曲线按照长度与弦高阈值进行自适应离散，得到一组鞋底M涂胶轨迹点。
步骤S107，根据轮廓离散点，计算涂胶路径，具体如下：
本实施例中涂胶路径并非与鞋底涂胶轮廓重合，而是需要将步骤S106得到的轮廓离散点在各自法矢方向移动一定距离（2-5mm），得到涂胶枪口的位置；根据相机与机械手的标定关系，将涂胶枪口路径点进行坐标变换并生成路点，形成涂胶路径，如图3所示，然后把生成的路点发送给机械手的运动程序，让机械手按照收到的路径依照顺序移动到相应的位置完成涂胶工艺流程。
图4为本发明实施例提供的一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划装置的结构示意图，该装置可以执行任意本发明任意实施例所提供的一种基于3D视觉鞋底涂胶路径规划方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果。如图4所示，该装置包括：
数据获取模块91，用于通过3D相机获取鞋底点云数据，；
内点计算模块92，用于计算所述鞋底点云数据中各点法矢特征，根据高斯球映射原理，提取满足预定法矢特征的点云数据，作为鞋底涂胶轮廓局内点；
离散点集计算模块93，用于根据所述鞋底涂胶轮廓局内点，获取鞋底涂胶轮廓曲线离散点集；
细化光滑模块94，用于对所述鞋底涂胶轮廓离散点集进行细化光滑；
编号模块95，用于对细化光滑处理后的鞋底涂胶轮廓离散点集按就近原则（顺序）编号；
轮廓离散点获取模块96，用于编号后，对鞋底涂胶轮廓离散点集进行曲线拟合，并自适应离散，获得轮廓离散点；
路径计算模块97，用于根据轮廓离散点，计算涂胶路径。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
