一种多自由度智能机械臂及其测试方法与流程

1.本发明涉及石刻领域或机械手领域，尤其涉及一种多自由度智能机械臂及其测试方法。


背景技术：

2.工艺石是经过人为打磨等雕刻手段改变石头的原有形状或颜色的观赏石，地壳不断发生的褶皱、扭曲、叠压、错层、断裂等地质运动，从而改变了岩石最初的赋存状态。在不同地层、地温的相互作用和相互反应下，再经过风化作用从而形成，其原料稍作切割打磨，就可以做成很美观的景观石，适合于雕刻的石材的质量要求一般为岩石性，雕刻石材属于岩石的范畴，具备岩石的特征方可进行雕刻坚韧性.硬度要在3度以下，才能作为成材性的可雕刻件；成材性，能达到蹬刻所需的尺寸和块度；艺术性，要具有艺术创作所需的颜色、光泽和相应的纹理。
3.计算机视觉技术是计算机模拟人类的视觉过程，具有感受环境的能力和人类视觉功能的技术，同时也是图像处理、人工智能和模式识别等技术的综合，近年来基于深度学习的计算机视觉与人工智能技术高速发展，对于文物的扫描、记录、精确重建，甚至对于石刻艺术的保护、修复起到了至关重要的作用，机器视觉技术综合了多个学科，用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量、控制、重构等，最大的特点是速度快、信息量大、功能多。
4.在实际的雕刻过程中，石体各个位置的石质属性不同，需要选用的刀具或采用是设备也会随之变化，一旦采用了不适合的刀具，容易对石体造成不可逆的损伤，甚至可能影响后续石刻计划，当下还没有一种系统性的石块表面石质分析方法及装置。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足，提供一种多自由度智能机械臂及其测试方法。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多自由度智能机械臂及其测试方法，包括：转动机构以及设置在所述转动机构附近的刀盘，其特征在于：所述转动机构一端固定在轨道上，所述轨道环布在石材附近，所述刀盘位于所述转动机构自由端，所述转动机构为转轴连接的多段式结构，所述转动机构能够通过所述转轴实现所述刀盘朝向或远离石材的移动；所述刀盘周向分布有若干单元刀组，且所述刀盘盘面上设置有朝向石材的图像取录设备，以及控制所述刀盘周向自转的电机组件。
7.本发明一个较佳实施例中，所述单元刀组至少包括波纹刻刀，平口刻刀，圆尖刻刀以及斜口刻刀。
8.本发明一个较佳实施例中，所述图像取录设备包括红外测距仪以及高速摄像机。
9.本发明一个较佳实施例中，所述刀盘上还设置有吸气通道，所述吸气通道能够吸入石料粉末以及颗粒。
10.本发明还提供了一种多自由度智能机械臂的测试方法，其特征在于，包括以下步
骤：步骤s1：将轨道拼接环绕在石材周围，调节刀盘位置使对应单元刀组朝向并紧贴石材，将刀盘锁死；步骤s2：转动机构控制刀盘压向石材施力，同时按轨道路径移动，图像取录设备将石材上留下刻痕深度以及刻痕宽度，按一致位置记录，从而得到对应位置的刀盘测试环线上的数据；步骤s3：将转动机构在环绕一周后停止转动，并将刀盘伸至间隔一定位置的石材表面，重复上述步骤s1以及步骤s2。
11.本发明一个较佳实施例中，所述图像取录设备将刻痕深度以及刻痕宽度位置传输至外部处理单元，从而获得石材表面环线材质数据。
12.本发明一个较佳实施例中，相邻的刀盘测试环线之间间距为石材对应轴向距离的5％
‑
10％。
13.本发明一个较佳实施例中，当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度大时，刻痕宽度越宽，则表明对应位置石材越软脆。
14.本发明一个较佳实施例中，当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度大时，刻痕宽度越窄，则表明对应位置石材软且韧。
15.本发明一个较佳实施例中，当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度小时，刻痕宽度越窄，则表明对应位置石材硬且韧。
16.本发明一个较佳实施例中，当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度小时，刻痕宽度越宽，则表明对应位置石材越硬脆。
17.本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
18.(1)本发明中通过在大型石材周围设置环绕式的滑轨，并且在滑轨上设置机械臂以及刀具，对石材表面进行阶梯式的环绕下刀测试，并通过分析测试刻痕的深度以及宽度，从而获得石材表面各个位置的材料特性，一方面便于设计者参考石材各位置材料强度，进行合理化的大型石刻设计，另一方面也能够在石刻过程中，减少刀具以及人力的损耗，从而实现成本控制。
19.(2)本发明中刀盘包括若干不同种类的单元刀组，一方面操作者能够通过切换测试刀组，对石材进行多次的下刀测试，获得更为准确的材料性能数据，另一方面能够在石刻过程中，对深层的石材通过不同刀组进行针对性测试，应当意识到，本发明只能对石材表面以及有限深度的位置进行测试，因此在实际石刻过程中，往往需要在对已测试石材表面处理剥离后，对深一层石材再次进行测试，再进行深一步再加工，测试与处理间隔进行，从而实现全程精准规划，而石材加工深度的不同，需要进行刀具的针对性选用，对应测试过程能够通过转动刀盘对单元刀组进行选用。
20.(3)本发明中通过集成式的图像取录设备，能够对刻痕进行全方位的测量，从而获得更为全面的石材数据，至少包括用于测量刻痕深度的红外测距仪，以及用于测量刻痕宽度的摄像设备，需要说明的是，红外测距仪朝向的位置位于刀头正中间位置，从而对刻痕最中间，即刻痕最深处进行测量；摄像设备将环线的全景图像进行拍摄后，通过二值化处理留下刻痕位置，或直接采用光影对比度调节，来对刻痕位置进行凸显。
21.(4)刀盘上设置有喷气口，能够将刻痕位置的石料颗粒以及粉末吹走，确保测试效果，然而粉尘扬起可能会影响图像取录设备的图像质量，以及对现场操作者身体产生影响，因此在另一实施例中，刀盘上设置有吸气通道，所述吸气通道能够吸入石料粉末以及颗粒，且吸气通道通过转动机构内部空间连通废料收纳部。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
23.图1是本发明的优选实施例的立体结构图；
24.图2是本发明的优选实施例的刀具选用分析图；
25.图中：1、轨道；2、转动机构；21、转轴；3、刀盘；31、单元刀组；32、图像取录设备。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。如果说明书描述了部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必需被包括的。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
29.如图1所示，一种多自由度智能机械臂，包括：转动机构2以及设置在转动机构2附近的刀盘3，转动机构2一端固定在轨道1上，轨道1环布在石材附近，刀盘3位于转动机构2自由端，转动机构2为转轴21连接的多段式结构，转动机构2能够通过转轴21实现刀盘3朝向或远离石材的移动；刀盘3周向分布有若干单元刀组31，且刀盘3盘面上设置有朝向石材的图像取录设备32，以及控制刀盘3周向自转的电机组件。
30.优选的，单元刀组31包括波纹刻刀，平口刻刀，圆尖刻刀以及斜口刻刀，需要说明的是，刀具采用硬度较大的锰钢材质，从而确保在较强的挤压条件下，刀具表层迅速发生加工硬化现象，使其在内部仍保持奥氏体良好的韧性和塑性的同时硬化层具有良好的耐磨性能，其中平口刻刀刀口的出锋角度选用40
°
，使得留下测试刻痕明显，从而使得材料特性凸显。
31.优选的，图像取录设备32包括红外测距仪以及高速摄像机，红外测距仪对准位置朝向刀头中间位置，从而确保测距位置能够保持在刻痕底部，减少偏离误差，高速摄像机将刻痕图像排下后，通过后期智能光影识别，确认刻痕宽度，应当意识到，在外部光线条件不足的情况下，能够在机械臂或滑轨上安置光源。
32.一实施例中，刀盘3上设置有喷气口，能够将刻痕位置的石料颗粒以及粉末吹走，确保测试效果，然而粉尘扬起可能会影响图像取录设备32的图像质量，以及对现场操作者身体产生影响，因此在另一实施例中，刀盘3上设置有吸气通道，所述吸气通道能够吸入石
料粉末以及颗粒，且吸气通道通过转动机构2内部空间连通废料收纳部。
33.本发明还提供了一种多自由度智能机械臂的测试方法，包括以下步骤：
34.步骤s1：将轨道1拼接环绕在石材周围，调节刀盘3位置使对应单元刀组31朝向并紧贴石材，将刀盘3锁死；
35.步骤s2：转动机构2控制刀盘3压向石材施力，同时按轨道1路径移动，图像取录设备32将石材上留下刻痕深度以及刻痕宽度，按一致位置记录，从而得到对应位置的刀盘测试环线上的数据；
36.步骤s3：将转动机构2在环绕一周后停止转动，图像取录设备32将完整测试环线的刻痕深度以及刻痕宽度位置传输至外部处理单元，从而获得石材表面环线材质数据；随后刀盘3移动石材对应环线轴向距离的10％的距离，重复上述步骤s1以及步骤s2。
37.如图2所示，当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度大时，刻痕宽度越宽，则表明对应位置石材越软脆，应当选用钎等工具；
38.当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度大时，刻痕宽度越窄，则表明对应位置石材软且韧，优选的采用化学雕刻工艺；
39.当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度小时，刻痕宽度越窄，则表明对应位置石材硬且韧，优选的采用喷砂雕刻工艺；
40.当刀盘测试环线上任一位置点的刻痕深度相较环线平均深度小时，刻痕宽度越宽，则表明对应位置石材越硬脆，应当采用凿、锤等工具。
41.需要说明的是，在实际的雕刻过程中，石体各个位置的石质属性不同，需要选用的刀具或采用是设备也会随之变化，一旦采用了不适合的刀具，容易对石体造成不可逆的损伤，甚至可能影响后续石刻计划。
42.本发明中通过在大型石材周围设置环绕式的滑轨，并且在滑轨上设置机械臂以及刀具，对石材表面进行阶梯式的环绕下刀测试，并通过分析测试刻痕的深度以及宽度，从而获得石材表面各个位置的材料特性，一方面便于设计者参考石材各位置材料强度，进行合理化的大型石刻设计，另一方面也能够在石刻过程中，减少刀具以及人力的损耗，从而实现成本控制。
43.本发明中刀盘3包括若干不同种类的单元刀组31，一方面操作者能够通过切换测试刀组，对石材进行多次的下刀测试，获得更为准确的材料性能数据，另一方面能够在石刻过程中，对深层的石材通过不同刀组进行针对性测试，应当意识到，本发明只能对石材表面以及有限深度的位置进行测试，因此在实际石刻过程中，往往需要在对已测试石材表面处理剥离后，对深一层石材再次进行测试，再进行深一步再加工，测试与处理间隔进行，从而实现全程精准规划，而石材加工深度的不同，需要进行刀具的针对性选用，对应测试过程能够通过转动刀盘3对单元刀组31进行选用。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以
在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。