CN207056860U - 一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：包括机械臂本体、控制***、喷涂装置、视觉识别***，所述机械臂本体包括升降底板、旋转底座、支撑臂、旋转臂一、旋转臂二、旋转臂三、末端执行器、驱动装置，所述驱动装置包括旋转舵机、数字舵机一、数字舵机二、数字舵机三、数字舵机四、数字舵机五、蓄电池，所述喷涂装置装配在机械臂本体的末端执行器上，所述喷涂装置包括喷枪、压缩气瓶、油漆输送管，所述视觉识别***包括摄像头、图像处理器，所述控制***以包括单片机、六自由度舵机控制电路、蓝牙无线控制电路、油漆泵控制电路。能源消耗少，材料消耗少，固体废弃物少，废水少，颗粒物、VOC、CO2、噪声等排放少，低成本，高质量，高生产效率等方面。

Description

一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***

技术领域

本实用新型涉及汽车喷涂领域，具体涉及一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***。

背景技术

近年来，随着汽车喷涂行业的快速发展，其在汽车涂装领域的优势日渐现象。行业年总产值近百亿人民币，汽车修补用漆总需求近20亿人民币，目前，在我国汽车喷涂行业的发展总体来讲呈现逐步智能化、个性化的发展趋势，而相对于国外同领域发展来讲仍存在一定的差距。国内汽车喷涂行业伴随汽车工业的高速发展进入了高速发展时期。但是，其本身也对交通和环境等造成巨大影响。近年来，越来越多的国家和地区关注到汽车喷涂对生态环境的影响，并纷纷出台法律法规来对汽车喷涂行业予以规范。同时，在国家政策的响应下，汽车喷涂行业也着力于改革传统喷涂工艺，实现对汽车喷涂技术的改革与创新。

在汽车维修厂和4s店的各项售后服务中，钣喷是一个占有很大比值的项目，分别高达43％和39％。据汽车行业协会的数据表明,2016年汽车养护市场中钣喷产值已经高达2900亿元。汽车养护所用的漆为分为原子灰、底漆、中涂涂底漆、面漆等，每一种都需要按照一定的工艺要求均匀的涂布在汽车外壳表面。国外喷漆机器人的设计与制造是一项十分成熟的技术，已经有三十年以上的发展历史。国内的喷涂机器人的研究始于二十世纪八十年代。但国内外厂家研发和生产的喷涂机器人一般为台架固定式三自由度喷涂机器人，不能满足汽车修补喷涂的使用。随着喷涂机器人的设计与制造技术的不断创新，喷漆机器人的喷涂精度得到了巨大的提高，使得喷漆机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。但是现有喷涂机器人多应用于生产车间的涂装，未有专门应用于汽车修补的喷涂机器人面世。

发明内容

为克服所述不足，本实用新型的目的在于提供一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，能源消耗少，材料消耗少，固体废弃物少，废水少，颗粒物、VOC、CO2、噪声等排放少，低成本，高质量，高生产效率等方面。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，包括机械臂本体、控制***、喷涂装置、视觉识别***，所述机械臂本体包括升降底板、旋转底座、支撑臂、旋转臂一、旋转臂二、旋转臂三、末端执行器、驱动装置，所述驱动装置包括旋转舵机、数字舵机一、数字舵机二、数字舵机三、数字舵机四、数字舵机五、蓄电池，所述喷涂装置装配在机械臂本体的末端执行器上，所述喷涂装置包括喷枪、压缩气瓶、油漆输送管，所述视觉识别***包括摄像头、图像处理器，所述控制***以包括单片机、六自由度舵机控制电路、蓝牙无线控制电路、油漆泵控制电路，所述油漆输送管与油漆泵相连，压缩气瓶与喷枪相连，在压缩气瓶内安装压力传感器，油漆输送管连接流量传感器。

进一步，所述升降底板上通过旋转舵机装配有旋转底座，旋转底座上安装有支撑臂，所述支撑臂上端设有数字舵机一，数字舵机一的输出端安装有旋转臂一，旋转臂一上端设有数字舵机二，数字舵机二的输出端安装有连接座，连接座上设有数字舵机三，数字舵机三的输出端设有旋转臂二，旋转臂二上设有旋转臂三，所述旋转臂三上通过数字舵机四与末端执行器相连，末端执行器上设有数字舵机五，数字舵机五的输出端上安装有喷枪。

进一步，所述旋转舵机、数字舵机一、数字舵机二、数字舵机三、数字舵机四、数字舵机五均采用RDS3115双轴数字舵机。

进一步，所述喷枪选用虹吸式喷枪，所述喷枪的喷嘴和枪针由坚固耐磨、耐腐蚀的V4A钢经过精密的机械加工成形而成，喷嘴内部是一个锥形涂料通道，与枪针的前面尖端部位吻合。

进一步，所述摄像头安装在喷嘴旁边，所述摄像头上设有位置监测装置，位置监测装置设为光电传感器。

进一步，所述图像处理器集成在单片机上。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型优势集中体现在能源消耗少，材料消耗少，固体废弃物少，废水少，颗粒物、VOC、CO2、噪声等排放少，低成本，高质量，高生产效率等方面。

节约经济效益：假设每修补一辆车需要500mm*600mm面积的油漆，分为底漆、中涂底漆、面漆。喷涂同样厚度的汽车漆面，总厚度为150微米，人工喷涂油漆利用率为35％,机器人喷涂油漆利用率为85％，具体数据件表1，机器人喷涂修补单车总共可以节省1.8+60.50+27.23＝99.53元；如果将工人价格上涨，油漆价格上涨，工人工伤赔付因素计算在内的话，则成本节省更大，节省成本之后，汽修店可以降低服务价格，让利顾客，考虑到喷涂时间缩短，喷涂质量上升，则先期采用本机器人产品的汽修店可以吸引到更多的顾客，在顾客那里形成良好的口

碑，在激烈的市场竞争中赢得先机。

表1 机器人喷涂单车修补经济效益分析

节能减排性分析：三层油漆都是化工产品，生产他们需要耗费能源和资源，对环境造成很大污染，现在节省这么多用漆量，自然可以节省很多的能源和资源，减少对环境的污染。查阅有关资料，得知2012年共有4S店约11500家，每家汽修店年钣喷汽车300辆，则每一年共有345万辆需要修补钣喷，具体数据见表3。

表2 全国钣喷业机器人喷涂节能分析

表2依据全国油漆行业协会生产数据汇编

则全国每年共可以节省电能9797.91+24486.28+21416.26＝55700.43万度电，即5.57亿度电，这么多电能的节能减排效益是很可观的。根据国家***能源所的能源基础数据汇编2012年期，计算可知，每年可以节省标准燃煤20.06万吨，减排二氧化碳52.2万吨、氮氧化物1400.42吨、二氧化硫3209.60吨、烟尘(PM)300.9吨。

(以喷涂面积为500mm*500mm漆厚为50μm的钢板为实验对象)

表3本实用新型的喷枪与普通空气喷枪喷涂效果实测对比

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图一。

图2为本实用新型的结构示意图二。

图3为本实用新型的控制框图。

图4为本实用新型的机械臂本体***结构图。

图5为本实用新型的视觉识别***的原理图。

图6为本实用新型的视觉识别***工作流程图。

图7为本实用新型的控制***算法框图。

图8为本实用新型的举例的喷涂任务图。

图9为本实用新型的举例经处理后确定的喷涂路径。

图中1升降底板，2旋转底座，3支撑臂，4数字舵机一，5旋转臂一，6数字舵机二，7数字舵机三，8旋转臂二，9旋转臂三，10数字舵机五，11喷枪，12喷嘴，13压缩气瓶，14油漆输送管。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、2所示的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，包括机械臂本体、控制***、喷涂装置、视觉识别***，所述机械臂本体包括升降底板4、旋转底座2、支撑臂3、旋转臂一5、旋转臂二8、旋转臂三9、末端执行器、驱动装置，所述驱动装置包括旋转舵机、数字舵机一4、数字舵机二6、数字舵机三7、数字舵机四、数字舵机五10、蓄电池，所述喷涂装置装配在机械臂本体的末端执行器上，所述喷涂装置包括喷枪11、压缩气瓶13、油漆输送管14，所述视觉识别***包括摄像头、图像处理器，所述控制***以包括单片机、六自由度舵机控制电路、蓝牙无线控制电路、油漆泵控制电路，所述油漆输送管14与油漆泵相连，油漆泵进行油漆的初步加压，高压油漆通过油漆输送管进入喷枪11，压缩气瓶13与喷枪11相连，负责将高压油漆进一步升压达到雾化要求，在压缩气瓶13内安装压力传感器，压力过小无法补压时自动报警提示更换压缩气瓶13，油漆输送管14连接流量传感器，实现流量的实时监控，其具体控制图见图3。

进一步，所述升降底板1上通过旋转舵机装配有旋转底座2，旋转底座2上安装有支撑臂3，所述支撑臂3上端设有数字舵机一4，数字舵机一4的输出端安装有旋转臂一5，旋转臂一5上端设有数字舵机二6，数字舵机二6的输出端安装有连接座61，连接座61上设有数字舵机三7，数字舵机三7的输出端设有旋转臂二8，旋转臂二8上设有旋转臂三9，所述旋转臂三9上通过数字舵机四与末端执行器相连，末端执行器上设有数字舵机五10，数字舵机五10的输出端上安装有喷枪11；

机械臂本体共有六个自由度，依次为旋转舵机带动旋转底座2回转(腰部回转)，数字舵机一4带动旋转臂一5俯仰(大臂俯仰)，数字舵机二6带动连接座61俯仰，连接座61上的数字舵机三7带动旋转臂二8回转(这两个带动小臂俯仰加旋转)、数字舵机四带动末端执行器俯仰，数字舵机五10带动喷枪11侧摆(手腕侧摆)；

所述旋转臂一5沿支撑臂3纵长方向的平行面旋转，数字舵机二6的输出端沿旋转臂一5纵长方向的平行面旋转，数字舵机三7的输出端带动旋转臂二8沿旋转臂二8的纵长方向垂直面旋转，数字舵机四带动末端执行器沿旋转臂三9的纵长方向的平行面旋转。

进一步，所述旋转舵机、数字舵机一4、数字舵机二6、数字舵机三7、数字舵机四、数字舵机五10均采用RDS3115双轴数字舵机，形成6自由度，为保证机械臂本体的带负载能力，数字舵机采用LM2596稳压模块进行驱动，控制芯片采用IAP15F2K61S2单片机，在实现所需功能的前提下采用较低功耗的产品实现节能的目的，选用此型号的高精度的数字舵机可实现机械臂精确的位移，以保证喷涂时喷涂的位移能够得到精确地控制，减少喷涂产生的次品率，其***图结构图见图4。

进一步，喷枪11的基本功能就是运用压缩空气将涂料击成雾滴，并将其吹送到被涂物体上，也就是说，油漆是依靠空气雾化进行分散和施工，而雾化的关键就是风帽、喷嘴和枪针，所述喷枪11选用虹吸式喷枪，虹吸式喷枪主要依靠文丘里效应将涂料从虹吸杯中抽取出来，因此在同样的条件及涂料流量要求下，虹吸式喷枪的喷嘴口径要比重力式喷枪的大，可提高机器人运行效率，喷枪11与油漆输送管14相连，喷枪11上装配有压缩空气瓶13，压缩空气瓶内的压缩空气实现涂料的雾化，所述喷枪11的喷嘴12和枪针由坚固耐磨、耐腐蚀的V4A钢经过精密的机械加工成形而成，喷嘴12内部是一个锥形涂料通道，与枪针的前面尖端部位吻合，形成一个涂料阀门作用，喷嘴12的主要作用体现在以下三方面：为针阀(枪针尖端部位)提供阀座，以限制或切断涂料的通路；控制涂料流量；将涂料导流至雾化气流中；空气雾化喷枪11采用外部混合式雾化方式；空气喷嘴12提供了主要的雾化方法；通过位于涂料喷嘴12和风帽之间的空间(即中心雾化孔)完成主要的雾化，来自该空间的空气柱和涂料流互相配合产生涂料的第一级雾化；在这一阶段，选用适当口径的喷嘴12非常重要，而喷嘴12口径的大小通常由涂料的粘度、所喷涂料的性能、所需涂层厚度和待喷面积的大小等参数来决定，团队经过综合考量，确定喷口口径，并可根据后期实际测试效果随时更改，辅助雾化孔与空气喷嘴12的角度是一致的，并位于风帽的端面，这些孔有两个作用：一是使喷雾图形不扩展太快，并保持喷嘴12的风帽端面清洁，如这些孔堵塞或不存在，将引起涡流或回流；第二，对高流速涂料雾化特别有效，这产生涂料的第二级雾化；风帽的扇面控制孔提供气流形成扇形图形，没有这些扇面控制孔的空气射流，雾化的气流将是圆形而不是椭圆形。

进一步，所述摄像头安装在喷嘴12旁边，摄像头采用OV2640摄像头模块，ALIENTEKATK-OV2640摄像头模块，采用1/4寸的OV2640百万高清CMOS传感器制作，具有高灵敏度、高灵活性、支持JPEG输出等特点。并且可支持曝光、白平衡、色度、饱和度、对比度等众多参数设置，支持JPEG/RGB565格式输出，可以满足不同场合需求，所述摄像头上设有位置监测装置，位置监测装置设为光电传感器；图像处理器集成在单片机上，是控制***中的部分程序。

视觉识别***主要由两部分组成：图像的获取、图像的处理和分析，如图5所示：

(1)摄像头将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据，它主要由三部分组成：照明，图像聚焦形成，图像确定和形成摄像机输出信号；

(2)摄像头将视觉信息传送给单片机进行处理，处理技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容，经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于微处理器对图像进行分析、处理和识别；

通过阈值法将背景和物体分离，通过设定合理的阈值，将大于等于阈值像素点划分为物体像素，而小于阈值的则属于背景。实现步骤如下所示：设图像的宽度为W,图像的高度为H,则灰度图像为[I(w,h)]_w*h，8位灰度图的灰度值范围为0～255，选取灰度值为K的点为临界点，则0～k灰度范围内的像素个数记为n_A，k～255灰度范围内的像素记为n_B，则n_A+n_B＝M+N。设图像像素的平均灰度值μ，μA和μB分别为各组灰度的平均值，ωA和ωB分别为各组像素个数占总像素个数的概率，则:

则整体图像的灰度平均值为：μ＝ω_Aμ_A+ω_Bμ_B

又因为ωA+ωB＝1，由此可得阈值选择函数为：

σ²(k)＝ω_A(μ_A-μ)²+ω_B(μ_B-μ)²＝ω_Aω_B(μ_B-μ_A)²

因为图像总像素固定不变，为了计算方便，将上式中的概率用像素个数nA和nB代替，得到：σ²(k)＝n_An_B(μ_B-μ_A)²

则使σ²(k)取最大值时的灰度值k即为全局阈值Th

颜色分类常用的方法有线性色彩阈值法、最近邻域法和阈值向量法等，本喷涂机器人采用线性色彩阈值法进行颜色分类处理；

线性色彩阈值法是用线性平面把色彩空间分割开来，其阈值的确定采用直接取阈值与通过自动训练来获取目标颜色范围相结合的方法，采用神经网络和多参数决策树方法来进行自学习，以获得合适的阈值；而用最近邻域分类法分割图像时，利用隶属度函数，即根据最大的隶属度来判断这个颜色属于哪个类；阈值向量法是先使用一组事先确定的阈值向量来把色彩值在色彩空间中的位置来判断其属于哪种颜色的方法；

在色彩分类之后，必须对各个颜色类的点进行处理，最终辨识出汽车表面哪些地方为完好区域、哪些地方为刮擦区域。解决方法是对分类后的像素进行一次扫描，即将相邻的同种颜色的像素连成色块。

控制***的算法设计见下：

如何使喷枪11在被喷工件表面最优化移动的问题被归为受约束变分的一类最优化问题，优化过程可分为以下三步:

(1)根据所提出的最优化问题,建立其数学模型,确定变量,列出约束条件和目标函数；

(2)对所建立的模型进行具体分析,选择合适的求解方法；

(3)确定针对此问题的算法,根据算法编写程序,用计算机求出最优解,并对算法的收敛性、通用性、简便性、计算效率等进行评价。

喷枪的轨迹是由六维矢量函数描述的，这六个值分别由时间的矢量函数表示为a(t)＝[ax(t)ay(t)az(t)aψ(t)aθ(t)a(t)]式中前三个坐标值表示喷枪在时间t时相对于欧氏坐标系的位置，另外三个角度值则表示它相对于XYZ轴的旋转角度。

机械臂本体首先根据单片机的给定输入做出初始动作，机械臂本体离需要喷涂的物件距离较远，此时摄像头位置检测装置，安装在喷枪旁，即光电传感器，开始工作，检测出此时喷嘴12与需喷涂物件的距离，然后根据检测装置的检测值逐渐靠近需要喷涂的物体，当到达合适的距离之后，根据需要喷涂的内容，单片机根据最小程序步定理规划处最合理的路线之后，机械臂本体带动喷嘴12进行移动，完成喷涂任务。

如：要完成图6的喷涂任务，根据最小程序步定理：①据喷涂的路程确定各结点的坐标寻找出奇数结点，作为喷涂的起点与终点；②进行路径的规划，路径规划的原则是走到最远距离进行转弯，并且不能重复喷涂，即在结点处应关闭喷涂电机；③定义程序步，确定喷涂路径如图7所示，记录每个程序步的起点与终点。

为解决路径规划的算法问题，我们采用二维数组记录每一个结点的坐标，并用冒泡排序的方法按执行顺序进行排序以模拟真实的路径。根据各结点的坐标，通过对机械臂各自由度的计算，确定出每个数字舵机需转动的角度，在喷涂时按规划好的路径使机械臂本体的末端执行器移动到结点坐标处，即可实现按最小程序步喷涂。同时，在喷涂过程中，流量传感器，安装在油漆输送管上实时检测喷出油漆的流量，根据实时数据进行喷涂电机转速的调整，实现均匀喷涂，提高喷涂的质量。位置检测装置也持续不断地进行位置检测，使喷嘴12与被喷涂物件始终保持合适地距离，从另一方面保证喷涂的均匀性，最终完成喷涂任务，控制***算法框图如图7。

本实用新型不局限于所述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (6)

1.一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：包括机械臂本体、控制***、喷涂装置、视觉识别***，所述机械臂本体包括升降底板、旋转底座、支撑臂、旋转臂一、旋转臂二、旋转臂三、末端执行器、驱动装置，所述驱动装置包括旋转舵机、数字舵机一、数字舵机二、数字舵机三、数字舵机四、数字舵机五、蓄电池，所述喷涂装置装配在机械臂本体的末端执行器上，所述喷涂装置包括喷枪、压缩气瓶、油漆输送管，所述视觉识别***包括摄像头、图像处理器，所述控制***以包括单片机、六自由度舵机控制电路、蓝牙无线控制电路、油漆泵控制电路，所述油漆输送管与油漆泵相连，压缩气瓶与喷枪相连，在压缩气瓶内安装压力传感器，油漆输送管连接流量传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：所述升降底板上通过旋转舵机装配有旋转底座，旋转底座上安装有支撑臂，所述支撑臂上端设有数字舵机一，数字舵机一的输出端安装有旋转臂一，旋转臂一上端设有数字舵机二，数字舵机二的输出端安装有连接座，连接座上设有数字舵机三，数字舵机三的输出端设有旋转臂二，旋转臂二上设有旋转臂三，所述旋转臂三上通过数字舵机四与末端执行器相连，末端执行器上设有数字舵机五，数字舵机五的输出端上安装有喷枪。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：所述旋转舵机、数字舵机一、数字舵机二、数字舵机三、数字舵机四、数字舵机五均采用RDS3115双轴数字舵机。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：所述喷枪选用虹吸式喷枪，所述喷枪的喷嘴和枪针由坚固耐磨、耐腐蚀的V4A钢经过精密的机械加工成形而成，喷嘴内部是一个锥形涂料通道，与枪针的前面尖端部位吻合。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：所述摄像头安装在喷嘴旁边，所述摄像头上设有位置监测装置，位置监测装置设为光电传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别技术的路径优化雾化喷涂***，其特征在于：所述图像处理器集成在单片机上。