[发明专利]一种沙画表演机器人及其图像处理和运动控制方法

权利要求书

1.一种沙画表演机器人，它包括一个沙画绘制平台，其特征在于：它还包括一个上位机和一个下位机，所述上位机通过串口与下位机通信，控制沙画绘制平台进行绘图操作；所述上位机包括一个图像处理模块，所述下位机包括通信模块、机器人主控处理器、闭环控制模块、安全模块、步进电机驱动器和沙漏电机驱动器，所述沙画绘制平台包括步进电机、漏沙装置(14)和绘画平台X、Y、Z三轴、摄像系统、沙画工作台和灯箱(6)；所述通信模块分别与上位机的图像处理模块和下位机的机器人主控处理器进行电连接，闭环控制模块、安全模块和步进电机驱动器分别与机器人主控处理器和绘画平台X、Y、Z三轴的步进电机进行电连接，沙漏电机驱动器分别与机器人主控处理器和漏沙装置(14)进行电连接；所述安全模块使用光电限位开关，光电限位开关设置在绘画平台X、Y、Z三轴的导轨的两端，当导轨上的滑块移动到限位开关处时，滑块停止移动并发出警报；所述闭环控制模块使用编码器记录步进电机实际转过的角度，在误差超出允许范围时进行相应的调整。

2.根据权利要求1所述的一种沙画表演机器人，其特征在于：所述沙画绘制平台设有一个沙画平台(20)，在沙画平台(20)上设置二个平行的X轴直线导轨(18)，在X轴直线导轨(18)上移动的X轴滑块(8)与Z轴直线导轨(10)固定连接，在Z轴直线导轨(10)移动的Z轴滑块(11)与Y轴直线导轨(12)固定连接，在Y轴直线导轨(12)移动的Y轴滑块(13)与沙漏装置(14)固定连接；Z轴步进电机(3)、Y轴步进电机(4)和X轴步进电机(9)分别通过Z轴联轴器(2)、Y轴联轴器(5)、X轴联轴器(23)连接Z轴直线导轨(10)、Y轴直线导轨(12)和X轴直线导轨(18)内的齿形皮带轮传动机构驱动Z轴滑块(11)、Y轴滑块(13)和X轴滑块(8)移动，使沙漏装置(14)到达指定位置；同时Z轴步进电机(3)、Y轴步进电机(4)、X轴步进电机(9)上的编码器模块实时向主控处理器(22)反馈矫正沙漏装置(14)位置的编码信号，主控处理器(22)向沙漏电机驱动器发送控制信号，控制沙漏装置(14)内的电机转动，使沙子落在作画平面(15)上，进行沙画绘制；灯箱(6)放置在沙画平台(20)上，灯箱(6)的一端安装有灯条(16)，光线投过作画平面(15)将沙子的投影投到沙画平台(20)上，安装在沙画平台上的摄像头(17)将画面传输到投影仪端实时显示。

3.根据权利要求2所述的一种沙画表演机器人，其特征在于：所述齿形皮带轮传动机构包括二个齿形皮带轮和一个齿形皮带，在Z轴直线导轨(10)、Y轴直线导轨(12)和X轴直线导轨(18)两端都设有一个用齿形皮带连接的齿形皮带轮，步进电机经联轴器连接一端的齿形皮带轮驱动Z轴滑块(11)、Y轴滑块(13)和X轴滑块(8)移动；对于二个平行设置的Z轴直线导轨(10)和X轴直线导轨(18)，步进电机经联轴器连接一个设有二个齿形皮带轮的传动轴(1)。

4.根据权利要求1或2所述的一种沙画表演机器人，其特征在于：所述沙漏装置(14)的外壳(14.2)固定在底座(14.3)上，底座(14.3)固定在移动的Y轴滑块(13)上，沙漏的电机(14.1)安装到底座(14.3)上，带动安装在外壳(14.2)中的转子(14.7)转动；圆柱形的转子(14.7)被划分为20个隔舱，沙子从储沙漏斗(14.5)通过导管(14.4)流进转子的隔舱，转子隔舱内的沙子在外壳(14.2)内转动半圈后，经过漏嘴(14.6)流出，落到作画平面(15)上,面板(14.8)用于密封外壳(14.2)。

5.权利要求1所述的沙画表演机器人的图像处理和运动控制方法，其特征是：

一、图像处理方法

(1)所述上位机通过图像预处理、轨迹生成及路径规划算法分析之后，得到最终的绘图轨迹；

(2)所述图像预处理将输入的原始二值图像，分割成线条部分图像和面部分图像，并对线条部分图像提取其骨架，保留其中心线得到新的线条部分图像；

(3)所述轨迹生成及路径规划算法对于线条部分图像，将其像素矩阵转换成拓扑结构，并通过一种路径规划方法，从生成的拓扑结构中规划出绘图路径，对于面部分图像，通过逐行填充方法，从面部分图像中生成面填充路径；

(4)所述拓扑结构由节点及连接两个节点之间的边构成，在骨架化的图像中，端点和分支点均是拓扑中的节点，而处于节点之间的其它点作为一个整体构成拓扑中的边，节点结构中存储了所有邻接边的指针、该边在该节点处的斜率值、邻接边数目以及访问位，边结构中存储了两端节点的指针以及访问位；

(5)所述路径规划方法，在拓扑结构中的交叉节点处，通过比较该节点所有未访问的邻接边在该点处的斜率，选出斜率值最为接近的一对邻接边，则这两条边便处于同一条路径上且不属于其他路径中；以此方法，从一个起始节点开始访问，找出属于同一条路径上的所有边，当访问到某节点，刚访问过的边不在夹角最小的一对邻接边里时，则该路径已到尽头，需要从另一个起始节点开始访问，找下一条路径；一个拓扑结构可能经过多条路径的访问，才能访问完拓扑中所有边，这些路径便是所规划的路径；

(6)所述逐行填充方法，这里的路径规划等效于用一个方形矩阵模板，在由面部分图像像素构成的矩阵上逐行左右移动，以短的移动路程覆盖图像矩阵的大部分区域，而忽略个别像素点没有被覆盖到的地方，方形矩阵模板的移动轨迹即是面部分图像的绘图路径轨迹；

二、运动控制方法

(1)所述机器人下位机的运动控制使用改进的S形加减速曲线算法控制步进电机的移动速度，使用改进的DFB直线插补算法实现绘画平台的X轴和Y轴联动控制；

(2)所述改进的S形加减速曲线算法是根据步进电机的具体参数和实际负载确定S形加减速曲线的方程；然后将S形加减速曲线离散为21个加减速台阶，计算一次移动所需的PWM脉冲个数，然后为每个加减速台阶分配相应的脉冲个数；

(3)所述速度调整方法是根据运动曲线的方向变化趋势来设定移动一个线段的终点所在的减速台阶；

(4)所述改进的DFB直线插补算法对原算法的改进是定义单独的方向变量，然后将移动向量都转化为增加步进电机闭环控制的第一象限向量。