李榮華,王振宇,溫帥方,李金明

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0　引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車的使用越來(lái)越普及，交通事故的發(fā)生頻率越來(lái)越高.交通事故中，車體表面的損傷是最普遍的問(wèn)題，它不僅影響汽車的美觀，更影響汽車的安全.汽車噴涂是解決這一問(wèn)題的常見(jiàn)辦法，通常情況下，各汽車維修公司都通過(guò)人工操作來(lái)進(jìn)行汽車表面噴涂，但噴涂作業(yè)時(shí)，會(huì)對(duì)人體造成危害[1]，且人工噴涂難以保證效果優(yōu)良.另外，現(xiàn)代社會(huì)的人力成本越來(lái)越高，汽車噴涂行業(yè)的成本也隨之提高.因此，急需一種可以針對(duì)不同車型、不同部位進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別車體噴漆系統(tǒng)替代噴涂工人進(jìn)行作業(yè).這一系統(tǒng)不僅可以減少噴涂工人的人身危害，也能在提升噴涂效果的前提下，有效降低噴涂成本.

在自動(dòng)化噴涂作業(yè)中，機(jī)械手的導(dǎo)引是其中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，噴涂過(guò)程中不僅要求機(jī)械手引導(dǎo)噴槍均勻的移動(dòng)，更要滿足噴槍噴射方向始終垂直于被噴車體表面.視覺(jué)導(dǎo)引[2]是解決這一問(wèn)題的有效方式，本文通過(guò)線掃描傳感器獲取目標(biāo)車體的三維點(diǎn)云信息[3]對(duì)目標(biāo)車體進(jìn)行三維重建[4]，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理找到各點(diǎn)對(duì)應(yīng)法向量，以此引導(dǎo)機(jī)械手來(lái)規(guī)劃噴槍的合理位姿[5].本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)汽車的型號(hào)和損傷部位均無(wú)要求，有較好的應(yīng)用價(jià)值.

汽車噴涂是由來(lái)已久的問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究.吳月琴[6]提出了一種汽車輪轂的自動(dòng)噴漆系統(tǒng)，其采用了鏈傳動(dòng)、滾珠滑軌和多個(gè)噴槍進(jìn)行實(shí)現(xiàn).許偉偉[7]闡述了一種“無(wú)塵干磨”的新式噴涂方式，但其操作仍需人工手動(dòng)進(jìn)行.付文龍[8]用靜電噴槍在某汽車生產(chǎn)線上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，這一方法能夠減少油漆損耗，提高效率，但仍需手工操作.綜上所述，針對(duì)不用車型、不同部位進(jìn)行自動(dòng)化噴漆仍然是待解決的難題，本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了基于線掃描傳感器的損傷車體表面重建系統(tǒng)及噴槍位姿規(guī)劃方法，通過(guò)視覺(jué)導(dǎo)引的方法為噴涂機(jī)械手提供位姿規(guī)劃.

1　損傷車體表面重建系統(tǒng)

損傷車體的表面點(diǎn)云信息重建是實(shí)現(xiàn)噴槍位姿規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提.本文基于大恒公司的Gocator2350A- 3B- 00型體式掃描型傳感器，建立損傷車體表面重建系統(tǒng).

1.1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由以下模塊組成：

(1)TH20單軸滑臺(tái)一臺(tái)，用于承載掃描傳感器在其上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)車體點(diǎn)云掃描；

(2)750 W伺服電機(jī)一臺(tái)，配套15 A驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)，用于驅(qū)動(dòng)滑軌上的傳感器運(yùn)動(dòng)；

(3)大恒Gocator2350A- 3B- 00型傳感器一臺(tái)，為系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)其結(jié)構(gòu)光線掃描的方式對(duì)車體表面進(jìn)行三維點(diǎn)云恢復(fù)；

(4)光電編碼器一臺(tái)，用于對(duì)滑軌上傳感器在世界坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；

(5)計(jì)算機(jī)一臺(tái)，用于對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行軟件控制.

1.2　車體表面點(diǎn)云信息重建

該系統(tǒng)基于Gocator掃描型傳感器通過(guò)結(jié)構(gòu)光線掃描的方式獲取目標(biāo)車體點(diǎn)云，首先建立坐標(biāo)系如圖1所示.

圖1　坐標(biāo)系的建立

其中，O-XYZ為傳感器坐標(biāo)系，Ow-XwYwZw為世界坐標(biāo)系，測(cè)量時(shí)，通過(guò)光電編碼器能夠確定傳感器在世界坐標(biāo)系下的位置，傳感器會(huì)測(cè)出目標(biāo)車體的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù).將點(diǎn)云數(shù)據(jù)換算到世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)云后，即可恢復(fù)車體表面三維點(diǎn)云信息.圖2為被測(cè)目標(biāo)車體，圖3為該車體恢復(fù)的三維點(diǎn)云信息.

圖2　被測(cè)車體

圖3　被測(cè)車體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2　車體修復(fù)噴槍位姿規(guī)劃方法

2.1　噴槍位姿規(guī)劃理論

噴槍在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其軌跡沿著直線行走即可，但其滿足噴槍與車體表面被噴點(diǎn)實(shí)時(shí)垂直的要求是自動(dòng)化噴漆的核心問(wèn)題，因此，這一問(wèn)題的根源是從三維點(diǎn)云中找到被噴點(diǎn)的法向量[9].

依靠深度相機(jī)、光編碼技術(shù)及結(jié)構(gòu)光原理測(cè)量出目標(biāo)(車體表面)到傳感器或噴槍頭的深度距離，結(jié)合光線發(fā)射角度解算出車體表面有限個(gè)均勻的點(diǎn)集的三維坐標(biāo)，即利用密集的三維點(diǎn)云集合來(lái)近似車體表面形貌，那么可以認(rèn)為傳感器所發(fā)射的紅外線面陣越密集，模擬的表面形貌效果越好[10].初步假設(shè)深度相機(jī)分辨率為(640×480)滿足技術(shù)要求.

通過(guò)線掃描激光傳感器得到車體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(X,Y,Z)，運(yùn)用數(shù)值分析的方法對(duì)曲面進(jìn)行擬合，可設(shè)曲面方程為：

Z=a+b·X+c·Y+d·X·Y+e·X2+f·Y2

(1)

即曲面方程可寫(xiě)為兩向量相乘的形式：

(2)

圖4　曲面25點(diǎn)示意圖

圖5　曲面相鄰4區(qū)域示意圖

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大，在程序中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了間段取樣，同時(shí)每相鄰25個(gè)點(diǎn)為一個(gè)取樣面，從而將整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為許多個(gè)小面，對(duì)每個(gè)曲面進(jìn)行擬合，如圖4所示，相鄰四個(gè)曲面示意圖如圖5所示.

但在曲面擬合過(guò)程中，相鄰兩個(gè)曲面之間關(guān)系斷裂，兩個(gè)曲面擬合后在相鄰兩點(diǎn)處發(fā)生翹邊現(xiàn)象.由于以上原因，采用重疊間段采樣手段，增加相鄰兩曲面之間的關(guān)系，解決相鄰兩點(diǎn)處的翹邊現(xiàn)象.重疊取樣方法如圖6所示，先取出25個(gè)點(diǎn)作為第一個(gè)曲面進(jìn)行擬合求出曲面方程，在取第二個(gè)曲面時(shí)，從第一個(gè)曲面的第三列點(diǎn)作為第二個(gè)曲面的第一列點(diǎn)，使得內(nèi)部的一個(gè)3×3的曲面間隔取樣.運(yùn)用此種方法實(shí)現(xiàn)了曲面間的聯(lián)接，解決的曲面生成時(shí)的平整度誤差.

圖6　重疊取樣方法

取每25個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)曲面，可設(shè)

B25*1=A25*6·S6*1

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)上述求得的6大參數(shù)信息：

(8)

2.2　噴槍位姿規(guī)劃效果

由于車體表面在測(cè)量過(guò)程中，會(huì)因?yàn)橥饨绻饩€干擾以及采集過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲等，產(chǎn)生噪點(diǎn).需要將目標(biāo)車體點(diǎn)云進(jìn)行初步點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，去除非車體上的噪點(diǎn)以及離群點(diǎn)，方便后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理.去除噪點(diǎn)后車體點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示.

圖7　去除噪點(diǎn)后的車體

傳感器掃描得到的點(diǎn)云為致密點(diǎn)云，處理耗時(shí)較長(zhǎng)，效率低下.同時(shí)，由于受到噴槍最小噴涂直徑以及其他因素影響，整個(gè)噴涂過(guò)程所能保證的噴涂精度有限，故無(wú)需全部精確取點(diǎn).因此可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏處理，降樣本后，取出取樣面的中心點(diǎn)，從而提高點(diǎn)云處理效率，同時(shí)能保證最大噴涂精度.點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏后如圖8所示.

圖8　稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)

運(yùn)用前一節(jié)詳細(xì)介紹的重疊取樣算法，通過(guò)逐次重疊取樣25點(diǎn)構(gòu)造曲面，依次將車體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分片處理，從而通過(guò)構(gòu)造出各曲面方程，得到各曲面法向量，法向量如圖9所示.

圖9　體點(diǎn)云法向量表示

依據(jù)此法向量，可保證噴槍垂直于車身表面，機(jī)械手可以驅(qū)動(dòng)噴頭調(diào)整其與車體表面之間的角度，從而形成整個(gè)噴涂過(guò)程.

3　結(jié)論

(1)基于線掃描傳感器建立了損傷車體表面重建系統(tǒng)，對(duì)車體被測(cè)部位的三維點(diǎn)云進(jìn)行了恢復(fù)，為尋找車體表面法向量提供了先驗(yàn)?zāi)Ｐ?

(2)基于車體被測(cè)表面點(diǎn)云模型，提出車體表面法向量求取方法，通過(guò)法向量對(duì)噴槍進(jìn)行了位姿規(guī)劃，噴頭與被測(cè)部位保持標(biāo)準(zhǔn)垂直狀態(tài).

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