阅读说明：本技术 钉线画绕线机器人及其应用方法 (Winding robot for nail line painting and application method thereof ) 是由 牟牧云 朱银龙 张宇豪 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了钉线画绕线机器人及应用方法,包括设置有绕线区域的基座、X轴运动系统、Y轴运动系统、Z轴运动系统、滑块和针头。所述的基座上,设置X轴运动系统、Y轴运动系统和Z轴运动系统,X轴运动系统和Y轴运动系统,可以控制绕线模块在X、Y轴方向移动,Z轴运动系统可以控制绕线模块在Z轴方向移动,再由控制算法控制绕线模块在X、Y、Z轴三个方向移动,由此实现全部绕线动作,机器代替人工完成绕线操作,整个绕线过程高效准确。(The invention discloses a nail line drawing winding robot and an application method thereof. The base on, set up X axle motion system, Y axle motion system and Z axle motion system, X axle motion system and Y axle motion system can control the module of coiling and move in X, Y axle directions, Z axle motion system can control the module of coiling and move in Z axle direction, again by control algorithm control module of coiling and move in X, Y, Z three directions, realize whole wire winding actions from this, the machine replaces the manual work to accomplish the wire winding operation, whole wire winding process is high-efficient accurate.)

钉线画绕线机器人及其应用方法

技术领域

本发明涉及绕线机器人及绕线方法，特别是涉及一种高精度的钉线画绕线机器人及绕线方法。

背景技术

钉线画(string art)是由钉子和线组成的工艺品；其做法是先在木板特定位置钉上钉子，常见的一种排布是将钉子排成一个圆环，然后用缝纫线于钉子间缠绕构成图像。传统钉线画是人工绕线，效率低、耗时长、工作枯燥且产品质量易受人工影响。若用绕线机器人代替手工绕线，那么绕线效率、质量将会大大提高。如公开日为2016年11月30日，公开号为CN106166741A的中国专利中，公布的一种高精度智能写字机器人，用于代替人工写字等。本发明设计的绕线机器人，能用于钉线画的制作过程，国内没有此类绕线机器人。

发明内容

绕线机器人的发明目的，在于提高绕线效率、成品质量，用机器代替人工。钉线画的绕线过程，通过以下技术方案实现：

钉线画绕线机器人，包括设置有绕线区域的基座、X轴运动系统、Y轴运动系统、Z轴运动系统、滑块和针头。设置有绕线区域的基座上，加底板、左侧挡板和右侧挡板，绕线区域位于左侧挡板和右侧挡板之间，左侧挡板和右侧挡板分别位于基座两侧的边缘；此外基座上，加设X轴运动系统，X轴运动系统由2个滑竿组成，滑竿上配置2个滑块，可以沿X轴移动的第一滑块和第二滑块，在第一滑块和第二滑块上，配置1个横向滑竿，将Y轴运动系统设置其上，Y轴运动系统上，加装1个柱形滑块，将Z轴运动系统设置其上，并安装绕线模块，绕线模块包括连接器和针头；柱形滑块由X、Y轴运动系统拖动，在X、Y轴运动系统移动，绕线模块通过连接器固定针头；连接器为一金属板，上有多个小孔用于固定针头；针头为一空心导管，线穿过过线导管与底部针头相连，在Z轴运动系统移动，来调节控制线的位置。

绕线机器人的应用方法如下：

针对钉子排布在圆板边缘的绕线过程，控制算法按照给定钉子序列(s(0)，s(1)，s(2)...s(m-1))控制机器移动进行绕线，整个绕线过程可由若干单颗钉子绕线操作串联而成，为了操作方便，不妨规定在绕每颗钉子的时候都从该钉子左方入口点顺时针绕到右方出口点(圆板中心指向对应钉子的方向规定为前方)。图4所示为绕线过程中针对圆环上一颗钉子(j号钉子)绕线的示意图，图中圆板边缘等间距分布12颗钉子，针头从A点离开上一颗i号钉子，经过轨迹S1到达B点准备绕j号钉子，从B点出发经过轨迹S2到达C点完成对j号钉子的绕线操作，j号钉子绕完后针头通过轨迹S3移动到下一颗k号钉子入口点D。

注意，每颗钉子对应一个入口点和一个出口点。入口点和出口点的计算方法，除了通过计算相邻两颗钉子的中心点得到之外，可替换为任意相邻钉子之间的一个点。此外需要说明的是，上述方法中S2在不触碰对应钉子(图中为j号)的情况下可替换为任意曲线或折线；S1和S3在不触碰圆环上钉子的情况下可替换为任意曲线或折线。

对于钉子呈非圆周排布的绕线方法与圆周排布类似，同样可以将钉子序列分解为对单颗钉子的绕线操作，非圆周排布的单颗钉子绕线方法类似上述方法。

绕线机器人按照控制算法生成的坐标序列生成对应的控制命令(数控编程语言G代码)传人机器即可控制机器完成绕线操作。

绕线机器人的序列算法步骤如下：

第一步：设置圆形板半径R(圆心为原点)、钉子数目N；

第二步：由于钉子等间距分布，可计算出每颗钉子所在位置；

第三步：计算出圆弧上相邻两颗钉子的中心点位置，作为针头对钉子绕线的入口点和出口点；图4中B点为j号钉子绕线的人口点，C点为j号钉子绕线的出口点；

第四步：输出需要绕线的钉子序列，长度为m，编号为s(0)，s(1)，s(2)...s(m-1)；

第五步：从输入序列的第二颗钉子开始，按照顺时针顺序得到每颗钉子的入口点和出口点，得出一组长度为2(m-1)的坐标序列。

有益效果

本发明由机器代替人工完成绕线，通过控制芯片进行控制，利用在Z轴移动的绕线模块和在X、Y轴移动的滑块，旋转往复进行绕线，将多个钉子间的绕线操作，转化为两个钉子间的循环往复，整个绕线过程高效准确，结束后取下成品即可。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图：包括基座1、滑竿2-1、滑竿2-2、滑块2-3、滑块2-4、滑竿4、柱形滑块5-1、绕线模块7；

图2为基座的结构示意图：包括底板1-1、左侧挡板1-2、右侧挡板1-3、绕线区域1-4；

图3为绕线模块的结构示意图：连接器7-1，第一孔7-4，第二孔7-3，过线导管7-2，垫片7-5、第一螺丝7-6、第二螺丝7-7、第三螺丝7-8、底部针头7-9；

图4为绕线方法示意图：图中圆板边缘等间距分布12颗钉子，i、j、k为圆周上3颗钉子，依次为1号、2号、3号钉子。其中A、B为第一轨迹S1的两个端点，B、C为第二轨迹S2的两个端点，C、D为第三轨迹S3的两个端点。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明技术方案。

如图1所示，包括设置有绕线区域的基座上，加底板1-1、左侧挡板1-2和右侧挡板1-3，绕线区域1-4位于左侧挡板1-2和右侧挡板1-3之间，左侧挡板1-2和右侧挡板1-3分别位于基座两侧的边缘；此外基座1上，加设X轴运动系统2，X轴运动系统2由滑竿2-1和滑竿2-2组成，滑竿2-2上配置2个滑块，可以沿X轴移动的第一滑块2-3和第二滑块2-4，在第一滑块2-3和第二滑块2-4上，配置一个横向滑竿4，将Y轴运动系统3设置其上，Y轴运动系统3上，加装一个柱形滑块5-1，将Z轴运动系统6设置其上，并安装绕线模块7；柱形滑块5-1由X、Y轴运动系统2、3拖动，在X、Y轴运动系统2、3移动，绕线模块7通过连接器7-1固定针头7-9，在Z轴运动系统6移动，来调节控制线的位置。

如图2所示，基座1包括底板1-1、左侧挡板1-2和右侧挡板1-3，绕线区域1-4。

如图3所示，连接器7-1下方开有第一孔7-4和第二孔7-3，过线导管7-2通过垫片7-5、螺丝7-6、螺丝7-7、螺丝7-8、底部针头7-9固定。

绕线方式如下：

针对钉子排布在圆板边缘的绕线过程，控制算法按照给定钉子序列(s(0)，s(1)，s(2)...s(m-1))控制机器移动进行绕线，整个绕线过程可由若干单颗钉子绕线操作串联而成，为了操作方便，规定在绕每颗钉子的时候都从该钉子左方入口点顺时针绕到右方出口点(圆板中心指向对应钉子的方向规定为前方)。如图4所示为绕线过程中针对圆环上钉子j绕线的示意图，图中圆板边缘等间距分布12颗钉子，针头从A点离开上一颗钉子i，经过轨迹S1到达B点准备绕钉子j，从B点出发经过轨迹S2到达C点完成对钉子j的绕线操作，钉子j绕完后针头通过轨迹S3移动到下一颗k钉子入口点D。