[发明专利]一种基于座椅类家具三维点云的喷涂路径生成方法

权利要求书

1.一种基于座椅类家具三维点云的喷涂路径生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：导入座椅工件的三维点云模型：将座椅工件的pcd格式文件导入到基于PCL库的点云读取程序中，采用主成分分析算法计算点云的主特征向量，根据点云的特征向量的旋转和点云质心位置的平移，完成特征方向识别与姿态变换；

步骤二：根据点云特征分布的稀疏性对待喷区域聚类分割：

201、建立各边与对应的特征方向平行且能包含所有点云的最小点云包围盒λ{[x_min,x_max]×[y_min,y_max]×[z_min,z_max]}；

202、在主特征方向z轴建立多个等间距切片平面，切片平面间距大小为喷枪移动间距w，将座椅工件的点云包围盒切割成立方体Y_i：

其中，i代表切片片面的编号；

203、将立方体Y_i内的n_i个点作为样本点集，记为Ω_i＝{P_i(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,,…,n_i}，计算Ω_i内所有点与Ω_i的质心P_ci之间的距离，记为计算每个区块内的孔洞率

204、求取各区块的孔洞率，取均值作为孔洞率阈值ρ_ave，如果Ω_i的计算孔洞率超过ρ_ave，将该区域判定为特征密集区域，合并后的点集记为Ωt，否则将其判定为特征稀疏区域，合并后的点集记为Ωs；

205、对特征稀疏区域Ωs欧式聚类二次分割，当原点集变为空集时，欧式聚类分割完成，第k个新的分割点云子集记为Ωc_k；

步骤三：对于分割得到的特征密集区域拓扑为全填充实体，利用点云切片算法生成喷涂路径，特征稀疏区域聚类为单个的细窄梁单元，采用中线提取算法生成喷涂路径：

301、对于分割得到的特征密集区域拓扑为全填充实体，点云切片算法生成喷涂路径的实现方法为:在主特征方向z轴生成多个等间距的切片平面，相邻切片平面之间的厚度为喷枪移动间距w；

302、采用求交法计算点云在平面上的轮廓，利用切片附近的点推理出切片上点的位置，用切片上的数据来代表切片附近的点云分布，在切片两侧找到最临近的匹配点对，通过计算点对连接形成的空间直线与切片平面的交点求取轮廓点，直线和切片E_j的交点P_si(x_si,y_si,z_si)计算式：

其中，j为切片的序号，δ是相邻切片之间的厚度，t为空间直线的系数；

303、对求取的轮廓路径三次样条插值；

304、特征稀疏区域聚类为单个的细窄梁单元，中线提取算法生成喷涂路径的实现方法为：对点云集合Ωc_k边缘提取，得到边缘外轮廓；

305、由于边缘点集是无序的，对提取的边缘顺时针排序，然后计算最大特征方向单位向量与排序后的相邻边缘点梯度向量乘积将乘积小于设定阈值的点从点集中删除，即可剔除短边缘上的点；

306、对剩余点集进行欧式聚类，分成最大特征方向的轮廓两侧边线点集，存入集合Ed_1k和Ed_k2中，对集合Ed_k1和Ed_k2中的散点三次样条插值，Ed_k1插值后的点集Ed_k1'＝{P_{Edk1_i}(x_{Edk1_i},y_{Edk1_i},z_{Edk1_i}),Edk1_i＝1,2,,…,n_Edk1}，Ed_k2插值后元素倒序的点集Ed_k2'＝{P_{Edk2_i}(x_{Edk2_i},y_{Edk2_i},z_{Edk2_i}),Edk2_i＝1,2,,…,n_Edk2}，对Ed_k1'和Ed_k2'中的对应元素坐标取中点P_{Emk_i}：

所得路径点为特征稀疏区域喷涂路径点；

步骤四：规划路径合并，涂层厚度模拟与仿真：

401、计算喷枪姿态方向即座椅工件表面法线方向，计算方法为前述的主成分分析法，可通过对所有法线方向一致朝向视点来去除法线的二义性；

402、对上述两种方法得到的座椅工件表面轮廓路径，经过路径点插值，沿着喷枪姿态方向即座椅工件表面法线方向偏移喷枪高度，即可获得喷涂机器人的实际运行路径；

403、利用微元法计算自由曲面上的涂料厚度沉积模型，由投影相似几何关系可推导出自由曲面上一点的涂层累计厚度th_w'：

其中，h表示喷枪到喷涂实验平面的垂直高度，h'表示喷枪到自由曲面上的垂直高度，γ表示自由曲面上一点与喷枪中心连线在竖直方向的夹角，ψ表示自由曲面上一点与喷枪中心连线在该点法线方向的夹角，th_w表示喷涂实验平面上点的涂层累计厚度；

404、代入喷涂模型和喷涂参数，验证喷涂路径导致的喷涂均匀性和喷涂效率；

步骤五：座椅工件表面总喷涂路径生成，导入喷涂机器人控制器中。