基于6軸工業機器人自動鞋底打磨系統方案設計

饒建紅，吳慧明，許曦，張偉文

基于6軸工業機器人自動鞋底打磨系統方案設計

饒建紅1，吳慧明2*，許曦1，張偉文1

（1. 東莞市李群自動化技術有限公司，廣東 東莞 523808；2. 深圳職業技術學院 建筑工程學院，廣東 深圳 518055）

針對運動鞋中底打磨工藝的研究，提出了一種自動鞋底打磨方案，介紹了系統的硬件設計及軟件方案，硬件系統包括激光掃描儀、6軸工業機器人、激光位移傳感器以及步進電機等．軟件部分分為機器人控制，鞋底3D點云數據處理及打磨軌跡生成．系統可以適應不同的鞋底樣式，兼容性和自動化程度高．

自動打磨；激光掃描儀；6軸工業機器人；軌跡生成

鞋類的生產主要聚集在亞洲，據統計，2019年，亞洲的制鞋數量是全球產鞋總量的87.4%．從鞋類消費的分布情況來看，亞洲的鞋類消費量占世界鞋類總消費量的比重超過一半[1]．

國內制鞋業的加工手段還是比較原始，設備比較落后，加工多采用人工，自動化程度低[2]．運動鞋主要由大底、中底和鞋面組成，運動鞋的制鞋工藝有幾十道工藝，其中有一道工序為對中底進行打磨，其作用是將坯模的光滑面打磨掉，可以使后段模壓成型后的產品表面質量更好以及起到增加清潔度作用．現有中底打磨是通過人工手持坯模，將其打磨區域按順序與打磨砂輪進行觸壓，打磨過程中存在很大的噪音以及粉塵，對人的身體健康有影響，由于中底來料的一致性比較差，打磨的品質很難控制，對于人員的操作手法要求比較高[3]．

本文設計了一套自動鞋底打磨系統，采用3D激光掃描儀不僅可以解決鞋底來料一致性比較差的問題，而且還可以解決鞋底樣式品種比較多的問題，由于鞋底不同的區域都需要進行打磨，因此需要采用具有多自由度的工業機器人，本文采用的是東莞李群自動化的6軸工業機器人．

1 鞋底3D點云的獲取以及處理

鞋底3D點云數據是通過激光掃描儀獲得，然后對點云數據進行區域劃分，目的是更好的對物體表面進行點云精簡、孔洞修復、特征描述和提取以及曲面重建等操作，根據物體表面曲率的大小，法線的方向，可以將打磨的對象的表面劃分為若干個不同的曲面．

1.1 點云分割算法

本文所采用的點云分割算法為區域增長算法[4]，其基本思想為對需要分割的區域找出一個種子點作為生長的起點，然后將種子點周圍鄰域中與種子有相同或相似性質的點合并到種子點所在的區域中，而新的點繼續作為種子點向四周生長，直到再沒有滿足條件的點可以包括進來，一個區域就生長而成了，具體步驟如下：

1）大量的數據會使得計算時間過長，因此需要對數據進行稀疏化處理，先要對數據進行降采樣，這里使用體素化網格方法創建一個三維體素網格，然后在每個體素（即三維框）內所有的點，將近似的質心作為降采樣的值．

2）計算法線和曲率，使用曲面重建技術，得到的采樣點所對應的曲面，然后從曲面模型中計算表面法線，法向計算時，建立kd-tree來進行鄰近點集搜索[5]．

3）按照升序對曲率進行排序，將曲率最小的點作為初始種子點，比較法線組成的夾角，搜索領域點，對每一個領域點與種子點法線之間的夾角進行比較，如果小于曲率閥值的加入到種子點序列中，否則進行歸類．

圖1和圖2是采用該算法進行分割的效果圖．

流程圖如圖3所示．

圖1 鞋底3D點云（左）求取的法線（右）

圖2 區域分割底部視圖（左）區域分割側視圖（右）

圖3 點云分割算法流程圖

1.2 坐標轉換

鞋底的3D點云數據是基于掃描儀坐標系下．而在實際打磨過程中，需要將點云轉換到機器人末端坐標系．在本方案中，打磨輪固定并以一定的速度進行旋轉，機器人手持鞋底靠近旋轉的打磨輪，按照預先規劃好的軌跡進行運動，因此機器人末端鞋底可以作為工件坐標系，需要將掃描儀坐標系下的點位轉換到工件坐標系下的點位，坐標轉換如下所示[6]：

1.3 標定

標定分成兩部分，一個是掃描儀的標定，得到機器人和掃描儀之間的關系矩陣，另外一個是固定工具坐標系的標定，得到了機器人和打磨輪之間的關系矩陣．

1.3.1 固定工具坐標系標定

固定工具坐標系的標定分為機器人位置的標定和機器人姿態的標定．位置的標定主要是標定機器人末端夾具原定于打磨位置（即打磨輪外徑接觸部分）的點．如圖4所示，由于夾具存在吸盤，無法使得夾具原點與打磨位置接觸，同時為了保證夾具法向量對準打磨輪圓心，使用特定的治具進行標定，如圖4所示．標定時候機器人姿態固定，姿態坐標為yaw=0°、pitch=90°、roll=90°，角度表示采用的是ZYZ的歐拉角．機器人在該姿態下工具坐標系的軸方向與世界坐標系軸方向一致，便于計算固定工具坐標系位置．

固定工具位置的標定方法如圖4所示，具體最終值計算由下述獲得：

1）在標定位置可以記錄機器人當前位置（，，）；

2）可通過圖中指示位置讀取打磨輪圓心到機器人末端工具原點的距離；

1-打磨輪；2- 6軸工業機器人；3-標定治具

3）可通過激光測距儀測得打磨輪半徑；

4）因此固定工具坐標的最終位置為tool（+-，，）

固定工具位置標定完成后，其姿態采用（0°，90°，90°）．即機器人末端軸方向與世界坐標方向一致，機器人末端軸方向與世界坐標軸方向一致，機器人末端軸方向與世界坐標軸方向一致．

1.3.2 掃描儀和機器人之間的標定

需要制作標定治具來進行標定，如圖5所示，得到掃描儀坐標系和機器人坐標系之間的轉換關系．標定治具放入掃描儀進行掃描，標定點為治具底面的中心點，因此需要通過算法提取治具的圓心．算法步驟如圖6所示．實際提取的結果請看圖7，可以采用三點法來獲取掃描儀和機器人坐標之間的轉換關系[7]，算法步驟如圖8所示．

2 系統設計方案

2.1 硬件方案設計

圖9為硬件系統平臺示意圖，主要包括上料模塊、視覺定位模塊、3D掃描模塊、打磨模塊以及下料模塊．鞋底通過傳送帶上料，通過視覺定位，上料模組抓取鞋底到3D掃描儀中獲取3D點云數據，待掃描完成放入緩存區等待6軸機器人吸取鞋底，同時3D點云數據轉換成6軸機器人打磨時的運動軌跡，打磨完成后放入下料區利用傳送帶降低鞋底輸送到下料端．打磨的時候，打磨輪的直徑會不斷變小，因此需要利用傳感器實時監測打磨輪的尺寸變化，從而實現對機器人的打磨位置補償．

圖5 標定治具

圖6 提取標定治具圓心算法

圖7 標定治具掃描點云

圖8 三點法標定流程圖

圖9 硬件系統平臺示意圖

2.2 軟件方案設計

軟件系統交互框架圖如圖10所示，工控機與激光掃描儀通過USB進行交互，將采集到的鞋底數據通過數據處理及軌跡提取得到機器人運動的打磨軌跡并發送到機器人控制器．機器人控制器通過RS232與激光位移傳感器進行通信，實時監控打磨輪的外徑的變化，打磨輪是由步進電機來驅動的，通過RS485與機器人控制器進行通信，控制打磨輪的啟停及速度調節．

圖10 軟件系統交互框架圖

3 實驗結果與分析

打磨的品質與打磨輪的速度、機器人跟打磨輪的接觸位置以及機器人運動的速度有關．打磨輪的速度的確定需要通過實驗不斷的調整，圖11是實際打磨的效果圖，打磨輪速度設置為3000 r/min．機器人與打磨輪的位置接觸精度跟標定精度、3D點云精度以及軌跡提取算法有關，針對不同打磨區域需要變換機器人的姿態．另外，不同的鞋型打磨參數可能存在不一致的地方，因此在上位機需要存儲不同的參數配置．不同鞋底參數按照鞋底的型號進行區分，不同型號的鞋底切換時，在界面上輸入鞋底的型號，程序初始化時會根據型號自動到用戶指定的路徑加載參數，從而實現了兼容多種鞋型，提高了系統的柔性．

圖11 實際打磨效果圖

4 結 語

本文中提出了一種基于6軸工業機器人自動鞋底打磨方案，介紹了鞋底3D點云數據處理算法、掃描儀以及固定工具坐標系的標定原理及步驟、硬件系統和軟件系統設計方案．采用激光掃描儀可以兼容不同的鞋型，系統柔性高，自動化的方案完全替代人工，不僅提高了生產效率，而且解決了惡劣的工作環境問題．

[1] 李曉燕．觀排，看趨勢，大數據的全球鞋業2019[J]．中外鞋業，2020，10：77-80．

[2] 管天源，董銘銘，姜銳，等．全自動鞋底打磨的設計[J]．科技經濟導刊，2016（34）：41-42．

[3] 馮明琪，朱文斌．基于動態系統和阻抗控制的恒力打磨方法[J]．信息技術，2020（8）：7-9．

[4] 介維，張京軍，高瑞貞．基于區域增長方法的點云分割[J]．山東農業大學學報（自然科學版），2020，51（5）：899-903．

[5] 王麗．基于kd_tree算法和法向量估計的點云數據精簡方法[J]．宿州學院學報，2019，34（12）：65-68．

[6] Saseed B. Niku．機器人學導論-分析、系統及應用[M]．北京：電子工業出版社，2004．

[7] 趙嬌嬌，朱偉．弧焊機器人系統標定[J]．福州大學學報（自然科學版），2008（36）：32-34

Design of Automatic Sole Polishing System Based on Six-axis Industrial Robot

RAO Jianhong1, WU Huiming2, XU Xi1, ZHANG Weiwen1

（）

An automatic sole grinding system is proposed to study the grinding process of a sneaker mid-sole. The hardware and software solutions are described in the article. The hardware system includes a laser scanner, a six-axis industrial robot, a laser displacement sensor and a stepper motor. The software system is divided into robot control, sole 3D point cloud data processing and grinding track generation. The system can be adapted to different sole styles with high compatibility and automation.

automatic grinding; laser scanner; six-axis industrial robot; trajectory generation

TP29；TP249

A

1672-0318（2022）03-0032-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.03.005

2021-03-01

饒建紅，女，江西撫州人，工程師，工學碩士，研究方向：機器人控制及應用．

吳慧明，男，山東新泰人，副教授，工學碩士，研究方向：自動控制、通信技術等．

（責任編輯：王璐）