基于三维扫描的包带机非接触式自动示教方法及系统装置制造方法及图纸

一种基于三维扫描技术的包带机自动示教方法及系统装置，利用实时三维扫描方式，通过三维扫描获取包带头所处位置的线圈三维模型，计算获取形心线，根据形心线走向，调整包带头位置和姿态，并控制伺服系统/机械臂自动行走，自动完成整个线圈的示教过程。本发明专利技术利用实时三维扫描技术，自动完成整个线圈的示教过程，自动示教系统集成高性能计算模块和实时三维扫描组件，体积小巧，拆装简单快捷，示教效率高，一致性好。

【技术实现步骤摘要】
基于三维扫描的包带机非接触式自动示教方法及系统装置
本专利技术涉及到一种包带机的作业方法及其系统装置，尤其是指一种包带机自动示教方法及系统装置，主要用于包带机包带作业时的示教中使用，属于智能控制

技术介绍
：线圈作为电机的基础部件，为了保证电机线圈导线的绝缘，一般都会在线圈导线外包裹一层绝缘带；现在的线圈导线绝缘带的包扎都是通过包带机来完成。为了满足绝缘带和线圈紧密、平整的结合，要求包带机包带时包带盘中心随时与线圈中心线上的点重合，同时要求包带盘平面和线圈中心线时时垂直。由于线圈的中心线是一个空间曲线，所以包带过程中需要不断调整包带盘的空间位置和姿态。包带机系统需要解决的一个关键问题是如何获得线圈的形状，即如何获得线圈中心线的空间轨迹，通常采用的方法是示教。示教学习是机器运动技能获取的一种高效手段，只是目前的示教主要是通过人工来完成的，人工示教是通过示教工人肉眼观察，调整包带头位置和姿态，使线圈处于包带头中心并保证带盘垂直于线圈中心线，优点：成本低，便于针对不同的线圈进行包带头位置和姿态补偿，缺点：效率低，示教质量取决于工人素质、熟练程度，视力，工作状态等因素的总和影响，一致性差。近来也出现有自动示教的设备，但现有自动示教主要采用接触式示教，使用带位移传感器的夹具靠在线圈截面的四个边上，包带头运动时，传感器数值自动进行对中和垂直姿态调整，其优点是示教效率高，示教结果一致性好，而不足是每次示教之前要安装、调试夹具，示教完成后需要拆除，过程复杂，技术要求较高；并且对于小型线圈，截面积小，要保证4个传感器能够完全接触线圈有难度，因此接触式示教有局限性，很有必要对此加以改进。通过专利检索，没发现有与本专利技术相同技术的专利文献报道，与本专利技术有一定关系的专利主要有以下几个：1、专利号为CN200910252159.1，名称为“多包带头包带机”的专利技术专利。该专利公开了一种用于电动机或风力发电机定子线圈绝缘带自动包扎的包带机，包括底座、机架、包扎单元、控制系统、驱动系统和线圈夹紧装置，其中，机架安装在底座上，包扎单元安装在机架上，驱动系统用于在控制系统的控制下驱动机架以带着包扎单元沿着线圈的轨迹运动，并且包扎单元同时对线圈进行绝缘带包扎。在该专利的说明书中公开了一种示教的描述，“对于第一个线圈，所述驱动系统在控制系统的控制下驱动机架以带着包带头沿着线圈轨迹运动进行示教，以确定包扎路径；然后包带头沿着示教出的包扎路径对线圈进行绝缘带包扎。在此，示教出的包扎路径数据可存储在控制系统的硬盘上或者通过USB接口存储在外部的移动硬盘上。由此，对于相同的线圈，只需要对首个线圈进行示教，示教出的数据能够存储下来以备后用，与第一个线圈具有相同轮廓的其余线圈可直接采用该数据而无需再次示教”。2、专利号为CN201120025081.2，名称为“包带头”的技术专利。该专利公开了一种包带机的包带头，具体涉及一种发电机线棒包带机的包带头，其特征是，包含一带有开口的固定盘、设在所述固定盘一端侧面上的内圈，所述内圈里设有可滚动夹持线棒的滚轮，所述内圈外设有一可围绕其旋转的包带环，所述包带环的转速、旋转方向均可调，所述内圈、包带环上与固定盘位置对应处设有开口，所述包带环的一侧面上设有可安装包带盘的卡盘、可调整包带张紧力的张紧轮。本技术的包带头可以保证包带时条带具有恒张力，不拉伸，不拉断，张紧力可以在1kg-15kg内任意调整，满足不同条带材料的要求，层叠度可以控制在1/2、1/3和头尾相叠，保证了包带质量均匀。3、专利号为CN201110027802.8，名称为“包带头”的专利技术专利。该专利公开了一种包带机的包带头，具体涉及一种发电机线棒包带机的包带头，其特征是，包含一带有开口的固定盘、设在所述固定盘一端侧面上的内圈，所述内圈里设有可滚动夹持线棒的滚轮,所述内圈外设有一可围绕其旋转的包带环,所述包带环的转速、旋转方向均可调，所述内圈、包带环上与固定盘位置对应处设有开口，所述包带环的一侧面上设有可安装包带盘的卡盘、可调整包带张紧力的张紧轮。本专利技术的包带头可以保证包带时条带具有恒张力，不拉伸，不拉断，张紧力可以在1kg-15kg内任意调整，满足不同条带材料的要求，层叠度可以控制在1/2、1/3和头尾相叠，保证了包带质量均匀。上述这些专利虽然都涉及到包带头，但只有其中专利号为CN200910252159.1，名称为“多包带头包带机”的专利技术专利公开了一种示教的描述，通过对该段的描述可以看出所采用的仍是接触式的示教，并未改变现有示教所存在的问题，因此仍有待进一步加以改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有包带机包带示教所存在的问题，提出一种新的包带机包带示教方式，该种示教方式完全不采用现有接触式自动示教方式，采用非接触式的示教，具有示教准确，操作方便的特点。本专利技术还有一个专利技术目的在于提出一种实现上述非接触式示教方法的包带机自动示教装置。为了达到这一目的，本专利技术提供了一种基于三维扫描技术的包带机自动示教方法，利用实时三维扫描方式，通过三维扫描获取包带头所处位置的线圈三维模型，计算获取形心线，根据形心线走向，调整包带头位置和姿态，并控制伺服系统/机械臂自动行走，自动完成整个线圈的示教过程。进一步地，所述的三维扫描为基于红外光栅的结构光（StructuredLight）实时三维扫描，在包带头内安装三维扫描模块，三维扫描模块用于获取真实的线圈三维模型数据（镜头可视范围内片段），采用结构光算法进行三维还原计算，实现线圈的实时三维扫描。进一步地，所述的结构光为红外光栅，采用格雷码（GrayCode）编码技术，进行多次光栅投射，计算获取线圈的三维深度信息，通过对结构光算法的优化，获取每秒30帧，最小误差0.3mm精度的实时三维扫描能力。进一步地，所述的结构光算法的优化包括基于加权联合双向滤波器（WeightedJointBilateralFilter）的深度图整形，由于三维扫描仪与物体之间的角度，物体表面反射率，环境光照强弱的影响，三维扫描获取的深度图像会存在不同程度的信息缺失，噪声干扰等，直接使用深度图进行三维还原会存在较大误差；在进行线圈模型形心线获取计算之前，采用深度图整形，对彩色图像进行边界分析，并以边界信息和彩色信息进行联合加权引导，对深度图进行去除干扰，补齐缺失信息的整形处理，使最终获取的三维模型信息更准确和完整，为后续计算提供更可靠的数据源。进一步地，所述的结构光算法的优化包括采用基于惯性力矩和偏心率（Momentofinertiaandeccentricitybaseddescriptors）算法的三维物体特性描述获取方法，由于线圈与三维扫描组件的角度不一定严格垂直或水平，获取线圈的三维点云信息后，需要经过特征提取才能用于形心线计算，特征提取方法的思想如下：首先计算点云的协方差矩阵，并提取其特征值和向量，确认所得特征向量是归一化的，并且总是形成右手坐标系，其中主要特征向量表示X轴，次要矢量表示Z轴；之后进行迭代计算，在每次迭代中，旋转主要特征向量，始终围绕其他特征向量保持相同的旋转顺序，以提供点云旋转的不变性。我们将把这个旋转的主矢量定义为当前轴，对于每个当前轴计算惯性矩；由于当前轴也同时用于偏心计算，当前轴矢量可被视为平面的法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维扫描技术的包带机非接触式自动示教方法，其特征在于：利用实时三维扫描方式，通过三维扫描获取包带头所处位置的线圈三维模型，计算获取形心线，根据形心线走向，调整包带头位置和姿态，并控制伺服系统/机械臂自动行走，自动完成整个线圈的示教过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维扫描技术的包带机非接触式自动示教方法，其特征在于：利用实时三维扫描方式，通过三维扫描获取包带头所处位置的线圈三维模型，计算获取形心线，根据形心线走向，调整包带头位置和姿态，并控制伺服系统/机械臂自动行走，自动完成整个线圈的示教过程。2.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的包带机自动示教方法，其特征在于：所述的三维扫描为基于红外光栅的结构光（StructuredLight）实时三维扫描，在包带头内安装三维扫描模块，三维扫描模块用于获取真实的线圈三维模型数据（镜头可视范围内片段），采用结构光算法进行三维还原计算，实现线圈的实时三维扫描。3.如权利要求2所述的基于三维扫描技术的包带机自动示教方法，其特征在于：所述的结构光为红外光栅，采用格雷码（GrayCode）编码技术，进行多次光栅投射，计算获取线圈的三维深度信息，通过对结构光算法的优化，获取每秒30帧，最小误差0.3mm精度的实时三维扫描能力。4.如权利要求3所述的基于三维扫描技术的包带机自动示教方法，其特征在于：所述的结构光算法的优化包括基于加权联合双向滤波器（WeightedJointBilateralFilter）的深度图整形，由于三维扫描仪与物体之间的角度，物体表面反射率，环境光照强弱的影响，三维扫描获取的深度图像会存在不同程度的信息缺失，噪声干扰等，直接使用深度图进行三维还原会存在较大误差；在进行线圈模型形心线获取计算之前，采用深度图整形，对彩色图像进行边界分析，并以边界信息和彩色信息进行联合加权引导，对深度图进行去除干扰，补齐缺失信息的整形处理，使最终获取的三维模型信息更准确和完整，为后续计算提供更可靠的数据源。5.如权利要求3所述的基于三维扫描技术的包带机自动示教方法，其特征在于：所述的结构光算法的优化包括采用基于惯性力矩和偏心率（Momentofinertiaandeccentricitybaseddescriptors）算法的三维物体特性描述获取方法，由于线圈与三维扫描组件的角度不一定严格垂直或水平，获取线圈的三维点云信息后，需要经过特征提取才能用于形心线计算，特征提取方法的思想如下：首先计算点云的协方差矩阵，并提取其特征值和向量，确认所得特征向量是归一化的，并且总是形成右手坐标系，其中主要特征向量表示X轴，次要矢量表示Z轴；之后进行迭代计算，在每次迭代中，旋转主要特征向量，始终围绕其他特征向量保持相同的旋转顺序，以提供点云旋转的不变性，我们将把这个旋转的主矢量定义为当前轴，对于每个当前轴计算惯性矩；由于当前轴也同时用于偏心计算，当前轴矢量可被视为平面的法线矢量，最后将点云投影到平面法向量上，即可计算获得投影的偏心率，从而得到平行/垂直于三维扫描仪镜头方向的三维点云数据，通过对该数据的简单分析计算，即可获得线圈形心线与包带头的相对位置和角度偏差，根据该偏差驱动伺服系统/机械臂，进行包带头位置和姿态调整。6.如权利要求3所述的基于三维扫描技术的包带机自动示教方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱永隆，吴军，曹敏，刘国赞，鄢伟，
申请(专利权)人：株洲南方机电制造有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43