CN116080290A - 一种三维高精度定点打印方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维高精度定点打印方法及装置，打印机将指定标定图案打印到打印平台；利用3D相机拍照，获得二维图片和3d点云；进行相机和打印机的标定，获得打印机坐标系和相机坐标系的变换矩阵；根据外参可将相机坐标系下的点云转换到打印机坐标系下，打印装置中打印机构通过计算机视觉机构提供的坐标参数进行打印作用，可根据用户的打印需求，将3D坐标转换到打印机坐标系下，从而准确的打印到目标位置，可根据待打印物体的实际位置，灵活的将图案打印到待打印物体上，不需要手工测量和调整，极大地提升了速度和精度，且当打印机出现定位故障时，机器可以通过自动检测进行发现，防止机器在故障状态下工作造成损失。

Description

一种三维高精度定点打印方法及装置
技术领域
本发明涉及三维打印技术领域，具体涉及一种三维高精度定点打印方法及装置。
背景技术
传统的打印机在自身的打印坐标系内能做到较高的定位精度，但无法做到在世界坐标系内精确打印。其原因在于打印的定位原理问题。
决定真实打印位置的两个坐标系：打印机工作范围坐标系、打印标的坐标系。
打印机工作范围坐标系是指打印机的机械起始位(x0,y0,z0)到(xMax,yMax,zMax)。在同一个工况下，打印机在自身的坐标系内可以做到高精度重复定位。但是XYZ三轴在长时间工作后会出现定位误差，这种误差有可能是机械磨损、定位装置老化污损等原因产生的。例如：行业内经常用于X轴定位的光栅就容易因为飞墨、灰尘等原因污损出现定位错误。这种情况下，打印机工作范围坐标系就产生了变化，会造成打印定位错误，无法正常工作。
打印标的坐标系，是指要打印的物品自身的坐标系。以一张A4纸为例，从左上角起(x0,y0)(z轴固定，暂不讨论)到右下角(xMax,yMax)。打印标的的坐标系与打印机工作范围坐标系明显不是同一个坐标系。在传统的打印***中，打印标的坐标系是不存在的或者说是默认与打印机工作范围坐标系完全一致，传统的打印数据的定位排版完全根据打印机工作范围坐标系决定的。因此在实际工作中，我们总是凭一些辅助定位标记去放置纸张，来确保打印位置的相对正确，这种打印位置的精度很低，取决于放置打印标的(纸张)的时候两者坐标系的重合度，重合度越高，位置越准。
通过上述内容我们可以得出传统打印***定位上的问题：
1、打印机很难在不同打印标的物相同位置上打印出相同的图案。
2、打印机出现硬件问题导致定位故障时，会直接导致打印错误。
上述问题在传统打印场景上一定程度上可以接受，但是在美甲场景下就成了致命问题。任何时候用户都不能接受打美甲效果打印到指甲以外的地方。这对打印***在世界坐标系内的定位精度要求极高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种三维高精度定点打印方法，首先在打印***的上方加装一套计算机视觉***，同时在打印小车顶部设置一组特殊的mark点用于辅助3D相机对打印小车进行定位。为了统一全***坐标系我们引入了一个3D相机坐标系。三个坐标系的关系为：3D相机坐标系包含打印机工作范围坐标系；打印机工作范围坐标系包含打印标的坐标系，该方法由打印机执行，包括以下步骤：
S1、打印机将指定标定图案打印到打印平台；
S2、利用3D相机拍照，获得二维图片和3d点云；
S3、进行相机和打印机的标定，获得打印机坐标系和相机坐标系的变换矩阵；
S4、根据外参可将相机坐标系下的点云转换到打印机坐标系下。
优选的：所述打印机标定方法具体步骤如下：
1)、人工为打印机放置标定纸张；
2)、打印机运动至机械起始位并停止；
3)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置T1，T1即打印的起始位；
4)、打印机开始打印特定图案；
5)、3D相机拍照，识别已经打印的图案，同时识别完整的图案通过图案数据，结合相机外参计算出坐标转换矩阵A；
6)、标定完成。
优选的：所述打印机标定自检方法具体步骤如下：
1)、打印小车运动至打印起始位置并停止；
2)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置nT1；
3)、将nT1和出厂标定中记录的T1进行对比，两者之间差值超过一定的阈值就执行维护动作；
4)、维护动作结束后再次进行标定自检，如果还是失败，将机器设置为故障状态，由维修人员处置。
优选的：所述打印机自由度为3，可以在X轴、Y轴和Z轴移动，打印平台平面与喷墨打印机喷头平面平行。
优选的：所述S1中标定图案包括棋盘格或点阵图。
优选的：所述S2打印机在Z轴坐标为0时打印，以打印机初始位坐标(x＝0,y＝0,z＝0)为打印机坐标系的原点。
一种三维高精度定点打印装置，打印装置中打印机构通过计算机视觉机构提供的坐标参数进行打印作用，包括机架，所述机架安装有计算机视觉机构、手槽机构和打印机构，所述计算机视觉机构设置在手槽机构的正上方。
优选的：所述计算机视觉机构由摄像头、结构光部件、视觉控制模块、补光部件和移动模块组成。
优选的：所述打印机构连接X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块，打印机构在X轴、Y轴和Z轴方向移动。
优选的：所述X轴移动模块包括驱动电机，驱动电机连接主动轮，主动轮通过传动带连接从动轮，从动轮安装于机架的另一端。
优选的：所述机架位于打印机构下方处安装有吸墨组件，吸墨组件包括吸墨海绵和海绵支架，海绵支架固定于支架上。
优选的：所述吸墨组件一侧安装有接墨盒，接墨盒上部设置有开口，接墨盒底部开设有通孔。
本发明的技术效果和优点：
可根据用户的打印需求，将3D坐标转换到打印机坐标系下，从而准确的打印到目标位置，可根据待打印物体的实际位置，灵活的将图案打印到待打印物体上，不需要手工测量和调整，极大地提升了速度和精度，通过标定自检，可以有效防止美甲时因各种原因导致的定位错误对用户造成损害，且当打印机出现定位故障时，机器可以通过自动检测进行发现，防止机器在故障状态下工作造成损失。
附图说明
图1是本申请实施例提供的三维高精度定点打印方法中标定的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的三维高精度定点打印装置的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的三维高精度定点打印装置中图2中A处的结构放大示意图。
图中：1、机架；2、计算机视觉机构；3、手槽机构；4、打印机构；401、打印喷头模块；402、软性传感器；403、驱动电机；404、主动轮；405、Y轴移动模块；406、Z轴移动模块；5、从动轮；6、接墨盒；7、吸墨组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
请参阅图1，在本实施例中提供一种三维高精度定点打印方法，该方法由打印机执行。
打印机自由度为3，可以在X轴、Y轴和Z轴移动，打印平台平面与喷墨打印机喷头平面平行。
包括以下步骤：
S1、打印机将指定标定图案打印到打印平台；
标定图案包括棋盘格或点阵图，
打印机在Z轴坐标为0时打印，以打印机初始位坐标(x＝0,y＝0,z＝0)为打印机坐标系的原点；
标定图案如图1，大小为A6尺寸，共44个圆，且圆心的相对坐标已知，设点在打印机坐标系的坐标为(xp1,yp1,zp1)到(xp44,yp44,zp44)；
打印后的每个圆心的坐标在打印机坐标系已知。
S2、利用3D相机拍照，获得二维图片(灰度或彩色)和3d点云；
S3、进行相机和打印机的标定，获得打印机坐标系和相机坐标系的变换矩阵(外参，的旋转平移关系)；
在2d图像上寻找每个圆的圆心，可使用opencv视觉库的f i ndCi rc l esGr id或Simp l eB l obDetector检测，同时，在对应的像素点上可能存在该像素点的点云。在相机坐标系下的坐标为(xc1，yc2，zc2)到(xc1，yc2，zc2)；由于该点的点云不一定存在。因此设置一个阈值T＝40，检测圆心的数量为0-44个，为了标定的精确性，当检测的点云坐标数量>T时，进行下一步计算，通过求解pnp的方式获得外参；
S4、根据外参可将相机坐标系下的点云转换到打印机坐标系下。
本发明三维高精度定点打印方法，其投影方程可以表示为：
Figure BDA0004025432240000051
其中K为相机内参矩阵，是已知的。
根据外参可将相机坐标系下的点云转换到打印机坐标系下。
3D点云转换到打印机坐标系后，可以将每个点云换算到打印平面上。
一张图片的打印出来的实际尺寸是由此图片的像素和分辨率共同决定的，像素(Pi xe l)是指构成图片的小色点，分辨率(单位DP I)是指每英寸(I nch)上的像素数量，可以看做是这些小色点的分布密度；像素相同时，分辨率越高则像素密度越大，实际打印尺寸越小，图像也越细腻。
实际尺寸(英寸)＝像素/分辨率；1英寸＝2.54厘米；如一张图片宽为600像素，分辨率为300，那么实际打印宽度为：600/300＝2英寸，约为5厘米。
根据上述公式，不考虑z轴的情况下，打印机坐标系下的点云可换算到图片的像素坐标系上(横向为u，竖向为v)。设一个点云坐标为(25.4mm，250.4mm，Z)，则u＝(25.4/25.4)*300＝300，v＝(250.4/25.4)＝3000.因次图片坐标系下，该点云像素坐标为(300,3000)。
其中，出厂标定是为了确定3D相机坐标系、打印坐标系的转换关系。打印机标定方法具体步骤如下：
1)、人工为打印机放置标定纸张；
2)、打印机运动至机械起始位并停止；
3)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置T1，T1即打印的起始位；
4)、打印机开始打印特定图案；
5)、3D相机拍照，识别已经打印的图案，同时识别完整的图案通过图案数据，结合相机外参计算出坐标转换矩阵A；
6)、标定完成，通过出厂标定，我们获得了打印机工作范围坐标系与3D相机坐标系的转换矩阵A。
在美甲过程
1、3D相机进行拍摄，通过一系列算法获得指甲在3D相机坐标系中的坐标B；
2、再通过转换矩阵A把坐标B转换为打印机工作范围坐标系中的坐标C；
3、将坐标C发送给打印机执行打印作业。
标定自检
为了保证每次美甲作业定位准确，***可以根据需要进行标定自检，以便发现各种原因导致的定位故障。
1)、打印小车运动至打印起始位置并停止；
2)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置nT1；
3)、将nT1和出厂标定中记录的T1进行对比，两者之间差值超过一定的阈值就执行维护动作；
4)、维护动作结束后再次进行标定自检，如果还是失败，将机器设置为故障状态，由维修人员处置。
通过标定自检，可以有效防止美甲时因各种原因导致的定位错误对用户造成损害。
如图2所示，在本实施例中提供一种三维高精度定点打印装置，打印装置中打印机构通过计算机视觉机构2提供的坐标参数进行打印作用，包括机架1，机架1安装有计算机视觉机构2，计算机视觉机构2设置在手槽机构3的正上方，计算机视觉机构2由摄像头、结构光部件、视觉控制模块、补光部件和移动模块组成，其中，摄像头左右设置有两个，左右的摄像头拍摄照片，结构光和补光部件用于辅助摄像头提高拍摄精度，计算机视觉机构2将拍摄的照片通过算法计算出手掌在三维空间的点云信息，通过点云进一步计算出各手指的高度、倾斜角度以便手槽机构3执行调整。
机架1位于计算机视觉机构2的侧边安装有打印机构4，打印机构4连接X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块，可以在X轴、Y轴和Z轴方向移动，打印机构4包括打印喷头模块401，打印喷头模块401包括打印喷头和外壳，打印喷头通过墨路连接原料仓，原料仓用于储存墨水，外壳侧壁安装有软性传感器402，X轴移动模块包括驱动电机403，驱动电机403连接主动轮404，主动轮404通过传动带连接从动轮5，从动轮5安装于机架1的另一端，启动驱动电机403带动主动轮404转动，通过传动带带动从动轮5转动，使得打印喷头模块401沿着X轴方向移动，打印喷头模块401后端连接Y轴移动模块，Y轴移动模块为升降模组，Y轴移动模块用于带动打印喷头模块401上下运动，调节打印喷头模块401的高度，X轴移动模块、Y轴移动模块和打印喷头模块401组合的结构连接Z轴移动模块406，Z轴移动模块406为丝杠模组，丝杠模组在伺服电机的驱动下，带动X轴移动模块、Y轴移动模块和打印喷头模块401前后移动。
进一步的，机架1位于打印机构4下方处安装有吸墨组件7，吸墨组件7包括吸墨海绵和海绵支架，海绵支架固定于支架1上，吸墨海绵保持潮湿的状态，打印喷头模块401不使用时，喷头底部贴合吸墨海绵，使得喷头一直保持湿润的状态，防止喷头因暴露在环境中，导致喷头的干燥，位于吸墨组件7一侧安装有接墨盒6，接墨盒6上部设置有开口，接墨盒6底部开设有通孔，打印喷头模块401启动前，在Z轴移动模块406驱动下，打印喷头模块401移动至接墨盒6上方处，Y轴移动模块405驱动打印喷头模块401向下运动，喷头进入接墨盒6内部，启动打印喷头模块401从喷头出喷出墨水，再启动Y轴移动模块405带动打印喷头模块401上升，启动驱动电机403带动主动轮404和从动轮5转动，使得打印喷头模块401移动至手槽机构3上方，对放置于手槽机构3处指甲进行打印处理，完成打印作业后，X轴移动模块、Y轴移动模块405和Z轴移动模块406驱动打印喷头模块401回到原点。
本发明中可根据用户的打印需求，将3D坐标转换到打印机坐标系下，从而准确的打印到目标位置，可根据待打印物体的实际位置，灵活的将图案打印到待打印物体上，不需要手工测量和调整。极大地提升了速度和精度。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (12)

1.一种三维高精度定点打印方法，包括以下步骤：
S1、打印机将指定标定图案打印到打印平台；
S2、利用3D相机拍照，获得二维图片和3d点云；
S3、进行相机和打印机的标定，获得打印机坐标系和相机坐标系的变换矩阵；
S4、根据外参可将相机坐标系下的点云转换到打印机坐标系下。
2.根据权利要求1所述的一种三维高精度定点打印方法，其特征在于，所述打印机标定方法具体步骤如下：
1)、人工为打印机放置标定纸张；
2)、打印机运动至机械起始位并停止；
3)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置T1，T1即打印的起始位；
4)、打印机开始打印特定图案；
5)、3D相机拍照，识别已经打印的图案，同时识别完整的图案通过图案数据，结合相机外参计算出坐标转换矩阵A；
6)、标定完成。
3.根据权利要求1所述的一种三维高精度定点打印方法，其特征在于，所述打印机标定自检方法具体步骤如下：
1)、打印小车运动至打印起始位置并停止；
2)、3D相机拍照，通过打印小车顶部的mark点识别出小车在3D坐标系中的位置nT1；
3)、将nT1和出厂标定中记录的T1进行对比，两者之间差值超过一定的阈值就执行维护动作；
4)、维护动作结束后再次进行标定自检，如果还是失败，将机器设置为故障状态，由维修人员处置。
4.根据权利要求1所述的一种三维高精度定点打印方法，其特征在于，所述打印机自由度为3，在X轴、Y轴和Z轴移动，打印平台平面与喷墨打印机喷头平面平行。
5.根据权利要求1所述的一种三维高精度定点打印方法，其特征在于，所述S1中标定图案包括棋盘格或点阵图。
6.根据权利要求1所述的一种三维高精度定点打印方法，其特征在于，所述S2打印机在Z轴坐标为0时打印，以打印机初始位坐标(x＝0,y＝0,z＝0)为打印机坐标系的原点。
7.使用权利要求1-6任一项三维高精度定点打印方法的装置，其特征在于，所述打印装置中打印机构通过计算机视觉机构(2)提供的坐标参数进行打印作用，包括机架(1)，所述机架1安装有计算机视觉机构(2)、手槽机构(3)和打印机构(4)，所述计算机视觉机构(2)设置在手槽机构(3)的正上方。
8.根据权利要求7所述的一种三维高精度定点打印装置，其特征在于，所述计算机视觉机构(2)由摄像头、结构光部件、视觉控制模块、补光部件和移动模块组成。
9.根据权利要求8所述的一种三维高精度定点打印装置，其特征在于，所述打印机构(4)连接X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块，打印机构(4)在X轴、Y轴和Z轴方向移动。
10.根据权利要求9所述的一种三维高精度定点打印装置，其特征在于，所述X轴移动模块包括驱动电机(403)，驱动电机(403)连接主动轮(404)，主动轮(404)通过传动带连接从动轮(5)，从动轮(5)安装于机架(1)的另一端。
11.根据权利要求10所述的一种三维高精度定点打印装置，其特征在于，所述机架(1)位于打印机构(4)下方处安装有吸墨组件(7)，吸墨组件(7)包括吸墨海绵和海绵支架，海绵支架固定于支架(1)上。
12.根据权利要求11所述的一种三维高精度定点打印装置，其特征在于，
所述吸墨组件(7)一侧安装有接墨盒(6)，接墨盒(6)上部设置有开口，
接墨盒(6)底部开设有通孔。
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