[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种沙画表演机器人及其图像处理和运动控制方法，其属于图像处理和运动控制技术领域。

背景技术

沙画是一种前卫的艺术形式。沙画的创作过程通常为把细小的沙子洒在一个底部可照亮的白色或透明的硬胶板上，用手指在上面绘画。这种艺术表现形式因其独特的艺术表现魅力而深受人们喜爱。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103264611A，公开日期2013-06-08，记载了一种沙画的制作方法及沙画用沙，该专利使用特制的沙画原料在经过高温处理的玻璃板上作画，该制作过程较为复杂，不能大规模推广。中国专利文献号CN1124210A，公开日期1996-6-12，记载了一种沙画组件及其制作方法，在不干胶模板上面用小刀刻出图案每部分的轮廓，做画者只需在做画的时候用一根牙签轻轻将每一部分揭起，然后将各种颜色的沙子倒在上面即可。这种方式虽然制作简单，却无法体现创作者的创作过程，不能个性化绘制沙画，仅是在已创作好的作品上进行上沙过程。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种沙画表演机器人及其图像处理和运动控制方法，该沙画表演机器人应是一种融合了图像处理、电机控制和人机交互等技术的机器人。使用计算机软件处理用户提供的图片，三维平台和漏沙漏斗取代人的双手，在沙画平台上用沙子绘画，，用投影仪向观众同步展示绘画过程。

本发明采用的技术方案是：一种沙画表演机器人，它包括一个沙画绘制平台，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、漏沙装置和绘画平台X、Y、Z三轴、摄像系统、沙画工作台和灯箱；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。

所述沙画绘制平台设有一个沙画平台，在沙画平台上设置二个平行的X轴直线导轨，在X轴直线导轨上移动的X轴滑块与Z轴直线导轨固定连接，在Z轴直线导轨移动的Z轴滑块与Y轴直线导轨固定连接，在Y轴直线导轨移动的Y轴滑块与沙漏装置固定连接；Z轴步进电机、Y轴步进电机和X轴步进电机分别通过Z轴联轴器、Y轴联轴器、X轴联轴器连接Z轴直线导轨、Y轴直线导轨和X轴直线导轨内的齿形皮带轮传动机构驱动Z轴滑块、Y轴滑块和X轴滑块移动，使沙漏装置到达指定位置；同时Z轴步进电机、Y轴步进电机、X轴步进电机上的编码器模块实时向主控处理器反馈矫正沙漏装置位置的编码信号，主控处理器向沙漏电机驱动器发送控制信号，控制沙漏装置内的电机转动，使沙子落在作画平面上，进行沙画绘制；灯箱放置在沙画平台上，灯箱的一端安装有灯条，光线投过作画平面将沙子的投影投到沙画平台上，安装在沙画平台上的摄像头将画面传输到投影仪端实时显示。

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、Y轴直线导轨和X轴直线导轨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、Y轴滑块和X轴滑块移动；对于二个平行设置的Z轴直线导轨和X轴直线导轨，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。

所述沙漏装置的外壳固定在底座上，底座固定在移动的Y轴滑块上，沙漏的电机安装到底座上，带动安装在外壳中的转子转动；圆柱形的转子被划分为20个隔舱，沙子从储沙漏斗通过导管流进转子的隔舱，转子隔舱内的沙子在外壳内转动半圈后，经过漏嘴流出，落到作画平面上,面板用于密封外壳。

所述的沙画表演机器人上位机的图像处理方法：

(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；