计算机辅助簇绒的制作方法

1.本公开涉及机器人簇绒机和用于控制机器人簇绒机的方法。


背景技术：

2.满铺地毯源自17世纪法国生产的“铺满房间地板的订做地毯”的概念。从满足顾客要求的设计和与房间相匹配的整体形状开始，将单块织物编织成挂毯，连接在一起形成马赛克，并贴在地板上，以提供对地板区域的完整覆盖。每一块织物都由工人手工编织成预定的形状和尺寸，这样与房间的形状和尺寸相匹配，地毯设计就不会浪费材料。在当前的术语中，“订做地毯”是将以消费者为中心、设计驱动的方法与增材制造或零废物制造相结合的产品示例。
3.如今，地毯通常使用宽幅织造或簇绒来大量生产标准化宽度的地毯卷以实现高产量。从地毯卷上切下部分并并排铺设，以提供对地板区域的完整覆盖。无论地板的形状如何，这都是可以实现的，被称为满铺地毯。


技术实现要素：

4.根据第一方面，提供了一种用于通过机器人簇绒机对背衬材料进行索引簇绒的计算机实现方法，该方法包括：
5.接收或访问背衬材料的网格几何形状，其中网格几何形状基于背衬材料的网格位置的周期性和尺寸并且代表接收簇绒针的最佳位置；
6.使用相对于背衬材料固定的参考点确定背衬材料的网格位置相对于机器人簇绒机的簇绒针的索引位置；和
7.控制机器人簇绒机用簇绒针刺穿背衬材料的一个或多个指定索引网格位置以在一个或多个指定索引网格位置处形成簇绒。
8.一个或多个指定索引网格位置可以包括边界位置，并且其中边界位置由以下因素确定：
9.识别簇绒制品设计中图案的图案边界，其中该设计包括簇绒制品的一个或多个图案的配置、制品的形状和制品的尺寸；和
10.使用网格几何形状离散化图案边界以确定边界位置。
11.图案边界可以被离散化为由最小距离分开的网格位置。
12.一个或多个指定索引位置还可包括填充位置，其中填充位置被离散化为边界位置之间的网格位置。
13.填充位置可以由整数个网格位置分开。
14.整数个网格位置可以由簇绒制品的设计中指定的簇绒密度来确定。
15.控制机器人簇绒机可包括根据设计簇绒背衬材料。
16.该设计可以包括纺织品构造参数。
17.纺织品构造参数可以包括簇绒纹理。
18.纺织品构造参数可以包括簇绒密度。
19.设计可以包括加载图并且簇绒密度由加载图确定。
20.设计可包括制品表面的曲率并且簇绒密度由曲率确定。
21.设计可以包括声学图并且纺织品构造参数由声学图确定。
22.确定网格位置的索引位置可以包括基于尺寸来分割设计。
23.该设计可以由计算机辅助设计(cad)文件指定，并且确定网格位置的索引位置的步骤包括基于cad文件和背衬材料的网格几何形状生成计算机辅助制造(cam)文件。
24.cam文件可以包括用于控制机器人簇绒机的矢量运动的列表。
25.根据第二方面，提供了一种用于背衬材料的索引簇绒的系统，该系统包括：
26.一种机器人簇绒机，包括：
27.用于固定要被簇绒的背衬材料的簇绒框架；
28.具有簇绒针的簇绒头以在背衬材料中形成一个或多个簇绒；和
29.控制器，用于控制机器人簇绒机，该控制器被配置为：
30.接收或访问背衬材料的网格几何形状，其中网格几何形状基于背衬材料的网格位置的周期性和尺寸并且代表接收簇绒针的最佳位置；
31.使用相对于背衬材料固定的参考点确定背衬材料的网格位置相对于机器人簇绒机的簇绒针的索引位置；和
32.控制机器人簇绒机用簇绒针刺穿背衬材料的一个或多个指定索引网格位置以在一个或多个指定索引网格位置处形成簇绒。
33.根据第三方面，提供了一种使用上述方法生产的簇绒制品。
34.根据第四方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，其被配置为存储软件指令，该软件指令在被执行时使处理器执行上述方法。
35.根据第五方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，该介质被配置为存储软件指令，该软件指令在被执行时使处理器：
36.接收或访问背衬材料的网格几何形状，其中网格几何形状基于背衬材料的网格位置的周期性和尺寸并且代表接收簇绒针的最佳位置；
37.使用相对于背衬材料固定的参考点确定背衬材料的网格位置相对于机器人簇绒机的簇绒针的索引位置；和
38.控制机器人簇绒机用簇绒针刺穿背衬材料的一个或多个指定索引网格位置以在一个或多个指定索引网格位置处形成簇绒。
附图说明
39.图1示出了一种用于索引簇绒的方法；
40.图2是背衬材料的图示；
41.图3是地毯的3维设计图示；
42.图4a至图4e示出曲率对未改性地毯簇绒的影响；
43.图4f和图4g示出了用于示例性曲率的改进的地毯簇绒。
44.图5a示出了地毯要覆盖的平面图；
45.图5b示出了地毯的图案；
46.图5c示出了地毯的负载图；
47.图6示出了离散化方法；
48.图7示出了用于索引簇绒的系统；并且
49.图8示出了用于图7的系统的控制器。
具体实施方式
50.如上所述，随着宽幅织造地毯制造的出现，“订做地毯”变成了“满铺地毯”，其中地毯块从大量生产的地毯材料卷上切割下来。制造商决定他们生产的地毯设计，从而限制消费者的选择并使满铺地毯成为以制造为中心的产品。满铺地毯的实际地毯设计与其安装房间的形状和大小无关。地毯的形状和尺寸由地毯层决定，地毯层测量要铺地毯的房间并确定需要多少卷材料。切割和贴合满铺地毯是一种剪裁过程，会导致原始宽幅原材料的材料浪费：这种材料浪费被称为地毯边角料。根据地毯的设计和纹理效果，地毯的浪费率从10％到30％不等，普通无图案地毯的边角料浪费最少：铺满地毯可被视为“切割即浪费”。满铺地毯的安装是一个以制造商为中心的多阶段减材制造过程，会产生地毯边角料形式的地毯废料。地毯制造商与消费者对其产品的最终使用没有关系，对产生的废料不承担任何责任。
51.一个问题包括地毯的曲率影响簇绒密度的方式，如图4a到4e所示。图4a示出了基本上平坦的地毯49，簇绒55基本上均匀分布在绒头51中。图4b示出了地毯49呈凹曲率，增加了簇绒55的密度。换句话说，各个簇绒更靠近彼此。图4c示出了呈拐角308(成直角)的地毯49，由此在拐角308处的一些簇绒57彼此重叠以提供非常高密度的簇绒。通常，拐角308处的区域是低磨损的并且因此不需要高密度。图4d示出了呈凸曲率的地毯49，其中绒头51的簇绒55彼此散开，这降低了簇绒密度。图4e示出了楼梯鼻部306处的地毯49，其包括绒头51中的开口53。
52.自1950年代以来，簇绒取代编织成为地毯制造的主要方法，大约90％的大规模生产的宽幅地毯材料是在多针簇绒机上生产的。使用宽幅地毯材料的满铺地毯安装占整个地毯市场的60％以上，因此是地毯废料的主要来源。由于簇绒已经取代机织成为主要的地毯制造技术，它也削弱了地毯的整体效用。机织地毯能够生产复杂的设计和具有多种颜色的重复大图案，使用axminster编织最多可达20种，而多针簇绒的设计能力有限，通常使用不到4种颜色。这种设计能力的降低导致满铺地毯的艺术功能性降低。此外，宽幅簇绒的高装配成本决定了大规模生产设计的最小经济批量大小，这有效地减少了可供消费者使用的设计种类。
53.目前，机器人簇绒机使用计算机算法来填充簇绒区域以创建针脚矢量，该针脚矢量利用不受正交约束的可变针脚长度和可变角度。这些针脚矢量用于勾勒和填充设计中的形状，以及勾勒形状，从而在设计周围形成平滑的曲线以消除锯齿状边缘。这种机器人簇绒方法有许多缺点：
54.·
针脚和簇绒针刺与待簇绒背衬材料网格的几何形状无关
55.·
针刺与背衬网格空间无关，放置不当会导致背衬材料变形引发可能的损坏
56.·
针脚长度和针脚间距不受标称值的限制，变化会导致不规则的针脚图案
57.·
用非正交缝合线填充形状会扭曲背衬材料并改变设计的几何形状
58.·
图案编辑起来费力且不便
59.计算机集成制造
60.如上所述，生产定制地毯可能有利于减少地毯浪费等。然而，目前定制设计的设计和制造至少需要几周时间，通常需要几个月时间。它涉及许多单独和离散的步骤，每个步骤由不同的人执行，通常在不同的物理位置。该工艺的每个部分的记录可能以不同的形式存储，电子或纸质，很少或没有整合信息。如果地毯设计出现错误，则无法通过审计跟踪来确定错误来源。定制地毯价格昂贵且交货时间长。
61.一种消除地毯边角料的方法是恢复以消费者为中心的增材制造工艺，将满铺地毯制作成地毯材料块的马赛克，每块地毯材料块被设计成在没有材料浪费的情况下有助于实现订做地毯。这种订做地毯的制造方法是使用传统的手工簇绒来实现的，用于定制设计的满铺地毯。自1980年代以来，wilcom率先使用簇绒机器人实现了手工簇绒自动化，并使用计算机cad/cam系统进行设计和制造。在由具有上述缺点的簇绒工艺主导的地毯市场中，希望使用机器人簇绒作为生产定制设计的地毯块的手段，以实现满铺地毯的零浪费制造。这种增材制造过程可以被认为是“簇绒贴合”，使用计算机使地毯设计能够在一个阶段的设计/制造/安装过程中与房间的形状和大小相匹配——计算机集成地毯制造cicm。
62.此外，机器人簇绒机控制的现有方法独立于且不参考待簇绒的背衬材料中的网格位置来产生针刺。针刺点是相对于设计中的簇绒而不是背衬网格本身来确定和调整的。不规则的针刺可能会扭曲背衬材料和设计。针尖可能会撞击背衬材料细丝，导致细丝断裂，从而在背衬材料中形成孔洞。期望有一种系统允许考虑背衬材料的定制设计，使得针刺不会损坏背衬材料或不希望地扭曲背衬材料。
63.图1示出了使用机器人簇绒机生产定制地毯的方法100。如图2所示，机器人簇绒机使用簇绒针在编织背衬材料200中产生簇绒。背衬材料200包括编织成正交网格图案的细丝202，在细丝202之间具有网格位置204。网格位置204是接收用于在网格位置处形成簇绒的簇绒针的最佳位置。背衬材料200保留在诸如澳大利亚临时专利申请号：2020900821中描述的簇绒框架上。机器人簇绒机可包括簇绒枪，其包括簇绒针，诸如澳大利亚临时专利申请2019904414和2020900821(这些申请由本技术人提交，其中的内容通过引用并入本技术)中描述的那样。
64.方法100由控制机器人簇绒机的计算机或控制器执行。在方法100的步骤102，由图8中的控制器706表示的计算机接收背衬材料200的网格几何形状。网格几何形状基于背衬材料200的网格位置204的周期性和尺寸。
65.在一些实施例中，网格几何形状由用户通过如图8所示的界面810提供。在一些实施例中，从数据存储器访问网格几何形状，该数据存储器可以是本地的，例如数据储存库806，或外部的，例如背衬材料数据库809。在一些实施例中，使用光源来照明背衬材料200并使用光学检测器来接收通过背衬材料200反向散射或透射的照明光来确定网格几何形状。由光学检测器生成的信号可用于由控制器706的处理器802或一些其他处理器来确定网格几何形状。照明源和光学检测器可以位于任何合适的位置，例如在簇绒框架或簇绒头上。在一些示例中，光学检测器是捕捉背衬材料的视频和/或静止图像的数码相机。
66.在方法100的步骤104，控制器确定背衬材料的网格位置204相对于机器人簇绒机的簇绒针的索引位置。使用相对于背衬材料和网格几何形状固定的参考点来确定索引位置。例如，参考点可以是簇绒框架或背衬材料上的预定点，例如网格位置。然后，控制器使用
网格几何形状从参考点确定所有网格位置的位置。
67.然后，控制器控制(106)机器人簇绒机，以用簇绒针刺入背衬材料的一个或多个指定索引网格位置，以在一个或多个指定索引网格位置处形成簇绒。方法100确保每次针刺都发生在指定的背衬网格空间中。它标识了簇绒框架内背衬材料网格网络的每个网格空间的位置。该方法控制针穿透点，将其链接到指定的网格空间。这种方法是确定性的，消除了针撞击背衬细丝的可能性，而这种作用可能会使背衬材料变形。
68.方法100可包括控制机器人簇绒机以根据设计簇绒背衬材料200。该设计可以在计算机辅助设计(cad)文件中指定，并且可以包括一个或多个图案的配置(下面更详细地讨论)，物品的形状和物品的尺寸。在这种情况下，指定索引网格位置是通过使用网格几何形状对设计进行离散化来确定的。
69.在一些实施例中，这涉及基于网格几何形状将设计下采样到较低的“像素化”分辨率。下采样设计的最大分辨率等于背衬材料的网格间距，最小分辨率等于所需的最小簇绒密度。这些在下面更详细地描述。
70.除了视觉方面，该设计还可以包括纺织品构造参数。纺织品构造参数可包括簇绒类型(开绒或毛圈)、簇绒长度和簇绒密度中的一种或多种。应当理解，这样的设计将允许纺织品构造参数在整个地毯上变化。
71.在一些实施例中，设计可以包括加载图，其指示地毯上的预期人流量。加载图可用于改变簇绒密度。例如，为了延长地毯的使用寿命，预期人流量大的区域会增加簇绒密度。类似地，低预期人流量的区域以较低的簇绒密度簇绒以减少生产地毯所需的材料量。还可以考虑将材料分布在整个地毯上以优化地毯寿命和材料使用。这个概念在图5a至5c所示的示例设计中得到了说明并在下面加以讨论。
72.该设计还可包括地毯表面的曲率。纺织品的构造则由曲率决定。例如，考虑图3中用于覆盖楼梯302的地毯300的设计。楼梯302包括楼梯踏板302、楼梯竖板304、楼梯鼻部306和楼梯拐角308。
73.在鼻部306处，地毯300是弯曲的，转过一个锐角。如图4e所示，转过该角度具有打开53地毯中的绒头51的效果。此外，鼻部306处的地毯由于曲率和位置而经受最大磨损。调整鼻部306处的纺织品构造，使得箭头402指示的绒头高度随着它绕过拐角而逐渐变细，同时由减小的簇绒间距404指示的簇绒密度将增加以最大化耐磨性，如图4g所示。簇绒构造的另一种变化可以是散布高绒头高度和低绒头高度两者，其中低绒头高度具有更大的密度以抵抗穿过地毯到达下方表面的磨损。
74.在转角308处，地毯300转过90度的凸曲率，导致簇绒的尖端重叠并相互干扰，如图4c所示。在这种情况下，如图4f所示，可以改变纺织品构造以降低簇绒密度，如增加的簇绒间距406和/或如箭头408所示绒头高度所示，以防止干扰。拐角308也是低磨损位置，意味着无需担心降低该位置的簇绒密度。
75.类似地，可以调整纺织品构造以降低承受最小磨损的竖板304上的簇绒密度。
76.在一些实施例中，该设计还包括声学图并且纺织品构造参数由该声学图确定。地毯根据其纺织结构提供声学阻尼。该实施例提供了一种映射地毯在其区域上的声学特性的方法，以提供可测量的声学阻尼性能。地毯内纺织结构的变化可以反映在该区域的声学特性中。地毯不仅可以用在地板上，还可以用在墙壁和天花板上以提供隔音效果。
77.可以通过计算机程序测量或模拟房间或空间的声学特性，以识别局部噪声水平。声学特征因空间内的位置而异。空间中的噪音可能会因混响而被放大，例如在房间的角落。噪声可以通过表面传播，例如进入机动车内部的发动机振动。在坚硬的表面上铺设地毯可为房间或空间提供声学阻尼。
78.该实施例提供了一种设计具有根据位置改变织物结构的声学特性的地毯的方法。纺织品构造参数的局部变化是通过改变簇绒参数来实现的，这些参数例如但不限于绒头类型、绒头高度、针脚间距和针脚长度以及纱线类型和密度。
79.该实施例的好处是优化铺有地毯的空间的声学特征以增强可用性和舒适度。它有助于使用专为改善墙壁和天花板的声学效果而设计的地毯。
80.在一些实施例中，地毯的设计对于机器人簇绒机来说可能太大而不能作为单个物品生产。在这种情况下，设计根据尺寸进行分段，以便每个分段的尺寸允许机器人簇绒机将其作为单个物品生产。
81.可以根据包括一个或多个图案(也称为装饰)的配置的设计来制作定制地毯。图案的边界可能不与背衬网格平行。当使用传统机器人簇绒机对此类图案进行簇绒时，背衬材料可能会变形，因为簇绒枪会在固定距离处生成簇绒。因此，当连续簇绒不平行于网格几何形状时，第二簇绒可能不位于网格位置。
82.然而，上述方法100能够通过将一个或多个指定网格位置定义为图案的边界位置来克服这一问题。为此，识别定制地毯设计中图案的图案边界。
83.然后将识别的图案边界离散化到网格位置以确定边界位置。然后簇绒机器人可以在位于网格位置的这些边界位置处生成簇绒以簇绒图案的边界。这方面的一个示例如图6所示。
84.图6显示了背衬材料网格602的前侧，其中叠加了用于针刺的针脚网格604。针脚网格604具有整数个网格间距(在该示例中为3)。每个针刺606在簇绒过程中变成簇绒。图案边界由矢量形状轮廓608表示，显示为叠加在背衬网格上。用于构成轮廓针脚矢量端部的背衬材料正面上的图案边界608的针刺606位于针脚网格604的线上。用于填充针脚610的针穿孔符合针脚网格中的空间。
85.在一些情况下，图案边界被离散化为由最小距离分开的网格位置。这样做是为了保持更均匀的簇绒密度。
86.为了完成图案的簇绒，在边界内进行簇绒。边界内的簇绒是通过确定填充位置来执行的。填充位置610是图案内的索引位置并且通过将图案的填充离散化到边界位置之间或边界位置内的网格位置来找到。应当理解，这可以在边界实际簇绒之前完成。
87.为了实现期望的均匀性，填充位置可以由整数个网格位置分开。在这种情况下，整数个网格位置将是针脚长度或针脚间距。在一些实施例中，网格位置的整数由在定制地毯的设计中指定或确定的所需簇绒密度确定。
88.示例性设计在图5a至5c中示出。图5a示出了要铺地毯的走廊500。走廊提供定制地毯的形状和尺寸。图5b示出了地毯的视觉设计，包括图案502。图5c示出了覆盖在地毯上的负载图504。预计经受更大人流量的高负载区域506将以更大密度簇绒以增加地毯的寿命。类似地，邻近墙壁的低负荷区域508可以较低密度簇绒以节省材料和制造成本。部分510分别进行簇绒，它们代表机器人簇绒机可以生产的最大尺寸。
89.数据文件
90.通常，控制机器人簇绒机簇绒给定地毯设计的指令存储在计算机辅助制造(cam)文件中。要更改cam文件中包含的设计，需要手动编辑cam数据文件以反映设计更改。如果平面布置图不正确并且需要修改地毯尺寸，则可能会发生这种情况。编辑过程既费力又费时。
91.上述方法允许更简单的过程来改变设计，因为设计可以被编辑为一个或多个计算机辅助设计(cad)文件中的图像，该文件可以自动转换为最终的cam程序。例如，该设计可以包括以压缩矢量格式存储的负载地图cad文件、平面图cad文件和图案/装饰cad文件。这些中的每一个可以是单个cad文件中的不同层或在它们之间具有预定关系的不同文件中。通常，该关系由将设计图映射到平面图的转换定义。例如，图案cad文件可以随平面图缩放，这样编辑平面图将通过转换自动编辑图案以适合平面图。一般而言，所有cad文件(定义平面图、图案/装饰、负载图、声学图等)都通过转换相互关联，因此由于文件之间的关系，它们可以一致地放大、缩小或几何地扭曲。
92.然后，处理器802可以接收cad文件和网格几何形状，并自动生成cam数据文件，该文件指定用于簇绒的索引网格位置。在一些实施例中，索引网格位置包括簇绒机器人的矢量运动列表。机器人的每个动作都是代表地毯中单个簇绒的针脚矢量。作为说明性示例，对于4毫米的针间距和8毫米的行间距，每平方米可能有多达30,000个针脚或矢量——如果存储了cam数据文件，这可以为整个地毯占用相应大量的存储器存储。使用压缩矢量格式的cad文件有助于减少存储需求，同时允许处理器在需要时生成一致且可重复的cam数据文件。
93.即，处理器802被配置成基于对一个或多个cad数据文件的修改来自动修改存储在cam文件中的纺织品构造参数。如前所述，cad数据文件是可编辑的图像，可以轻松修改，从而简化定制地毯的设计和制造。好处是在为不同尺寸的地毯创建视觉设计变体时消除了不必要的编辑。
94.这样做的一个优点是cam文件相对于cad文件的矢量形状是可直接缩放的。cam软件中生成的纺织结构与cad几何图形相关联。保留簇绒参数以自动创建反映几何变化的新cam数据文件。
95.因此，上述方法将地毯设计和制造集成并整合到单个cad文件中，该文件以最小的存储要求捕获所有数据，以生产地毯。一次可以在一个程序中查看和审查地毯设计和制造的所有方面。这些方法使地毯能够满足布局、视觉设计和要生产的纺织品构造的规范。这使单个设计师能够控制和负责地毯的各个方面。
96.系统
97.可以使用图7中所示的系统700来实施上述方法。系统700包括机器人簇绒机和用于根据上述方法控制机器人簇的控制器706。机器人簇绒机包括用于保持背衬材料200的簇绒框架702和具有簇绒针的簇绒头704。
98.控制器706在图8中更详细地示出并且包括连接到程序存储器804的处理器802、数据存储器806、通信端口808和用作接口设备的用户端口810。程序存储器804是非暂时性计算机可读介质，例如硬盘、固态盘或cd-rom。软件，即，存储在程序存储器804上的可执行程序使处理器802执行上述方法中的任一种方法。
99.处理器802可以从数据存储器806以及从通信端口808和用户端口810接收数据，例
如网格几何形状。在一个示例中，处理器802通过通信端口808从背衬材料数据库809接收网格几何形状，例如使用符合ieee802.11的wi-fi网络。wi-fi网络可以是分散的自组织网络，这样不需要专用的管理基础设施，例如路由器，或者是具有管理网络的路由器或接入点的集中式网络。
100.如上所述，处理器802执行上述方法，例如方法100，其指令存储在程序数据804中。存储在程序数据804中的方法体现在用诸如c 或java等编程语言编写的软件程序中。然后，所得源代码被编译并作为计算机可执行指令存储在程序存储器804上。
101.本领域的技术人员将理解，在不脱离本公开的广泛的一般范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。
102.应当理解，可以使用多种技术来实现本公开的技术。例如，本文描述的方法可以通过驻留在合适的计算机可读介质上的一系列计算机可执行指令来实现。合适的计算机可读介质可以包括易失性(例如随机存取存储器)和/或非易失性(例如读存储器、磁盘)存储器、载波和传输介质。示例性的载波可以采用电、电磁或光信号的形式，沿着本地网络或诸如因特网的公共可访问网络传送数字数据流。
103.还应当理解，除非如从以下讨论中显而易见的那样另外明确说明，应当理解，在整个描述中，讨论使用诸如“估计”或“处理”或“计算(computing)”或“计算(calculating)”之类的术语，“优化”或“确定”或“显示”或“最大化”等是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，其处理计算机系统的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据并将其转换为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。
104.因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。