CN104331542B - 一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法 - Google Patents

Abstract

一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，及机器人喷涂技术领域。该方法首先采用喷枪轨迹规划方法，完成对大型自由曲面分块和喷枪轨迹规划，然后在指定的站位搜索圆锥母线上，选出在喷涂机器人和三维移动平台的工作空间内的点，利用机器人学理论解出喷涂运动中的关节角和关节角速度对该点进行可行性检验，再利用三维造型软件的运动仿真功能进行碰撞干涉检查，最终找到所有自由曲面块对应的可行站位。本发明能实现对大型自由曲面中的多个自由曲面块批量进行站位规划，计算速度快，自动化程度高。

Description

一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法

技术领域

本发明涉及机器人喷涂技术领域，特别涉及大型自由曲面的喷涂机器人的站位规划方法。

背景技术

机器人自动喷涂系统具有可重复性好、便于调控、喷装质量稳定和工作效率高等优点，在各类产品的涂装作业中得到广泛应用。对小型产品进行涂装作业的喷涂机器人采用固定基座的安装方式，因此对喷涂机器人进行离线喷涂规划的核心是解决喷枪轨迹规划问题。而对于飞机、船舶等具有大型自由曲面外表的产品，一台采用固定基座安装方式的喷涂机器人只能覆盖很小的一部分待涂装区域，同时这类产品还具有重量大不易移动和定位的特点。虽然可以通过增加喷涂机器人的数量来覆盖更多区域，但数量增加会带来成本增加和管理困难的问题，所以需要将喷涂机器人的基座安装于大行程的可移动平台上，以扩展单台喷涂机器人的工作空间。对于基座安装于可移动平台上的喷涂机器人，离线喷涂规划不仅要完成喷枪轨迹规划，还需要进行站位规划，即对不同的自由曲面块进行喷涂时喷涂机器人的基座所处的不同位置进行规划的问题。

现有的技术中，发明专利《一种自由曲面喷涂机器人的喷枪轨迹规划方法》(专利号201210050434.3)给出一种适用于自由曲面的喷枪轨迹规划方法，但未涉及后续如何进行站位规划的问题。对于规划好的一组喷涂轨迹序列，如果找不到合适的站位，将可能出现在喷涂过程中与产品发生碰撞或无法满足喷涂过程中的速度要求，甚至喷涂机器人无法实现所指定的运动轨迹等问题。目前还有一种进行喷涂机器人工作空间综合的方法，是针对固定基座安装方式的喷涂机器人，根据特定的待喷涂对象，将基座的安装位置和机器人杆件长度一同作为设计参数进行优化计算，将计算结果用于喷涂机器人系统的设计和安装。由于进行优化计算的参数较多，计算的效率偏低。如果通过人工指定的方式确定站位，存在的问题是：一方面对与不能满足要求的站位该如何进行调整，需要依赖有丰富经验的规划员；另一方面大型自由曲面会被分为大量的自由曲面块，每个自由曲面块都需要找到一个站位，规划的需求量大。这样，若采用人工方式，离线喷涂规划的效率很低，因此，迫切需要提出一种速度快、自动化程度高的站位规划方法。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种快速、自动化程度高的大型自由曲面的喷涂机器人的站位规划方法，以此批量生成大型自由曲面块中多个自由曲面块的站位。对于规划好的一组喷涂轨迹序列，找到合适的站位，避免在喷涂过程中与产品发生碰撞或无法满足喷涂过程中的速度要求，使喷涂机器人实现所指定的喷涂轨迹。

一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，所述喷涂机器人在三维移动平台运动，其特征是该方法包含以下步骤：

1)采用三维造型软件分别建立喷涂机器人、三维移动平台和大型自由曲面的三维模型，再将喷涂机器人的三维模型装配在三维移动平台的三维模型上，大型自由曲面的三维模型放置于喷涂机器人的三维模型的工作空间内，建立世界坐标系S_w,任选一点作为S_w的原点，用三维移动平台的三个正交运动方向分别作为S_w的X、Y、Z轴的方向，再建立随着喷涂机器人一起运动的基坐标系S_b，用喷涂机器人(1)的基座中心点O_b作为S_b的原点，三个坐标轴的方向与S_w的三个坐标轴的方向相同；

2)采用三维造型软件将大型自由曲面(3)分为m个自由曲面块，将喷涂第i个自由曲面块时喷涂机器人的基座中心点O_b在S_w下的坐标记为站位O_b,i(x_b,i,y_b,i,z_b,i)，采用喷枪轨迹规划方法对第i个自由曲面块进行喷枪轨迹规划,得到喷锥的底部中心路径点P_i,j和喷锥位姿序列n是喷锥底部中心路径点总个数；建立喷锥局部坐标系S_i,j,S_i,j的原点为P_i,j，S_i,j的Z轴与自由曲面块在P_i,j处的外法线同向，S_i,j的X轴与喷锥底部截面椭圆的长轴平行；(x_i,j,y_i,j,z_i,j)是P_i,j在S_w下的三维坐标，α_i,j,β_i,j,γ_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S_i,j在S_w下的喷锥姿态；

3)通过喷涂工艺实验测定第i个自由曲面块所需的喷涂速度v_s,i和喷涂距离d_s,i；

4)建立喷枪局部坐标系S′_i,j，S′_i,j的原点为喷枪路径点P′_i，j，P′_i,j是P_i,j对应的喷枪的末端点，S′_i,j的Z轴与S_i,j的Z轴平行但方向相反，S′_i,j的Y轴与S_i,j的Y轴平行但方向相反，S′_i,j的X轴与S_i,j的X轴方向相同，因此得到在基坐标系S_b下的喷枪位姿序列其中

(^bx′_i,j,^by′_i,j,^bz′_i,j)是P′_i,j在S_b下的三维坐标，^bα′_i,j,^bβ′_i,j,^bγ′_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S′_i,j在S_b下的喷枪姿态；

5)提取第i个自由曲面块中心点P_c,i以及P_c,i处的单位法矢量以P_c,i处的法线为轴线作一个顶角为θ_k的站位搜索圆锥，取站位搜索圆锥上的一条母线ζ_i,k,0，ζ_i,k,0的方向矢量为其中

将ζ_i,k,0绕轴线旋转一个角度后得到站位搜索圆锥上的另一条母线ζ_i,k,l，

ζ_i,k,l的方向矢量可表示为

其中I为3×3单位矩阵，

6)根据喷涂机器人的可达距离的最大值r_max和最小值r_min在ζ_i,k,l上截取一条线段μ_i,k,l，线段μ_i,k,l的端点为和

7)检验并确保P_A,i,k,l和P_B,i,k,l至少有一个在三维移动平台的工作空间{P(x,y,z)|w_xmin＜x＜w_xmax,w_ymin＜y＜w_ymax,w_zmin＜z＜w_zmax}内,其中w_xmin,w_ymin,w_zmin分别是三维移动平台在S_w下沿X、Y、Z轴方向运动可到达的坐标的最小值，w_xmax,w_ymax,w_zmax分别是三维移动平台在S_w下沿x,y,z轴方向运动可到达的坐标的最大值，若不满足条件则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤6)；

8)在μ_i,k,l上标记Q+1个等间距的点递增q值依次选取点P_i,k,l,q进行检验，在μ_i,k,l上找到一个离P_c,i最近的可行站位P_st,i,k,l，使站位O_b,i(x_b,i,y_b,i,z_b,i)与P_st,i,k,l重合时能满足：a)喷枪位姿序列中每一个喷枪位姿的运动学逆解都存在并且不超出关节角度范围b)喷枪末端速度达到喷涂速度v_s,i时的各关节速度不超出关节角度限制

9)若在线段μ_i,k,l上没有找到满足条件的可行站位P_st,i,k,l，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤8)；

10)将可行站位P_st,i,k,l和运动学逆解输入三维造型软件进行仿真，检查机器人本体与喷涂对象是否存在碰撞；若无碰撞，则将当前的P_st,i,k,l保存为第i个自由曲面块的站位P_st,i；若存在碰撞，将点P_A,i,k,l的坐标值修改为P_A,i,k,l+(P_B,i,k,l-P_A,i,k,l)/s，s为大于1的整数，设定一个长度阈值D_thresh，用|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|表示修改坐标值后的点P_A,i,k,l和P_B,i,k,l连成的线段的长度，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＞D_thresh时，重复步骤8)～步骤9)计算新的P_st,i,k,l，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＜D_thresh则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤9)；

11)将i的值从1到m递增，重复步骤5)～步骤10)，得到m个自由曲面块的站位P_st,i，i＝1,2,…,m。

采用以上技术方案具有如下突出性的技术效果：本发明实现了大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，该方法解决了在完成喷枪轨迹规划后喷涂机器人的站位该如何确定的问题，能批量规划大型自由曲面细分后多个自由曲面块的站位，提高了离线喷涂规划的效率，自动化程度高。

附图说明

图1是大型自由曲面、三维移动平台和喷涂机器人位置关系示意图。

图2是喷锥局部坐标系和喷枪局部坐标系关系示意图。

图3是站位搜索圆锥的示意图。

图4是本发明所述的站位规划方法的流程图。

具体实施方式

对于大型自由曲面，常见的6自由度喷涂机器人的工作空间只能覆盖其上的一小部分区域。为了用尽可能少的喷涂机器人完成对大型自由曲面的喷涂，要将喷涂机器人安装到大行程的三维移动平台上，三维移动平台将喷涂机器人运送到合适的位置后保持静止不动，这时喷涂机器人才进行喷涂。喷涂机器人在进行喷涂时，其基坐标系原点所在的位置称为站位。大型自由曲面的喷涂机器人的站位规划，是在完成喷枪轨迹规划的基础上，为大型自由曲面中的每一个自由曲面找到一个合适的站位，使喷涂机器人按照喷枪轨迹运动时满足机器人本身对关节角度和角速度的限制，并且在运动过程中喷涂机器人本体不会与自由曲面发生碰撞。应用机器人学现有的理论可方便地计算出当基坐标系原点为一个确定值时喷涂机器人在各喷涂路径点的关节角度和角速度，利用三维造型软件的运动仿真功能也可以方便地进行干涉碰撞检测，因此可设计一种特定的规则在三维移动平台的工作空间挑选出一系列点，检验将基坐标系原点移动到这些点时喷涂机器人在各喷涂路径点的关节角度和角速度是否未超出限制范围并且不会与自由曲面块产生碰撞。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1～图4所示，依据本发明的大型自由曲面的喷涂机器人的站位规划方法包括以下步骤：

1)采用三维造型软件，以CATIA为例，分别建立喷涂机器人1、三维移动平台(2)和大型自由曲面3的三维模型；再进入CATIA的装配模块Assmebly Design，将喷涂机器人1的三维模型装配在三维移动平台2的三维模型上，大型自由曲面3的三维模型放置于喷涂机器人1的三维模型的工作空间内；建立世界坐标系S_w,任选一点作为S_w的原点，用三维移动平台2的三个正交运动方向分别作为S_w的X、Y、Z轴的方向；再建立随着喷涂机器人1一起运动的基坐标系S_b，用喷涂机器人(1)的基座中心点O_b作为S_b的原点，三个坐标轴的方向与S_w的三个坐标轴的方向相同；

2)使用CATIA中的Generative Shape Design模块中的工具将大型自由曲面(3)分为m个自由曲面块(4)，将喷涂第i个自由曲面块(4)时喷涂机器人(1)的基座中心点O_b在S_w下的坐标记为站位O_b,i(x_b,i,y_b,i,z_b,i)，采用喷枪轨迹规划方法对第i个自由曲面块(4)进行喷枪轨迹规划,得到喷锥(6)的底部中心路径点P_i,j和喷锥位姿序列n是喷锥底部中心路径点总个数；建立喷锥局部坐标系S_i,j,S_i,j的原点为P_i,j，S_i,j的Z轴与自由曲面块(4)在P_i,j处的外法线同向，S_i,j的X轴与喷锥(6)底部截面椭圆的长轴平行；(x_i,j,y_i,j,z_i,j)是P_i,j在S_w下的三维坐标，α_i,j,β_i,j,γ_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S_i,j在S_w下的喷锥姿态；

3)通过喷涂工艺实验测定第i个自由曲面块(4)所需的喷涂速度v_s,i和喷涂距离d_s,i；

4)建立喷枪局部坐标系S′_i,j，S′_i,j的原点为喷枪路径点P′_i,j，P′_i,j是P_i,j对应的喷锥(6)的末端点，S′_i,j的Z轴与S_i,j的Z轴平行但方向相反，S′_i,j的Y轴与S_i,j的Y轴平行但方向相反，S′_i,j的X轴与S_i,j的X轴方向相同，因此得到在基坐标系S_b下的喷枪位姿序列其中

(^bx′_i,j,^by′_i,j,^bz′_i,j)是P′_i,j在S_b下的三维坐标，^bα′_i,j,^bβ′_i,j,^bγ′_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S′_i,j在S_b下的喷枪姿态；

5)提取第i个自由曲面块中心点P_c,i以及P_c,i处的单位法矢量以P_c,i处的法线为轴线作一个顶角为θ_k的站位搜索圆锥(7)，取站位搜索圆锥(7)上的一条母线ζ_i,k,0，ζ_i,k,0的方向矢量为

其中

将ζ_i,k,0绕轴线旋转一个角度后得到站位搜索圆锥(7)上的另一条母线ζ_i,k,l，

ζ_i,k,l的方向矢量可表示为

其中I为3×3单位矩阵，

6)根据喷涂机器人的可达距离的最大值r_max和最小值r_min在ζ_i,k,l上截取一条线段μ_i,k,l，线段μ_i,k,l的端点为和

7)检验并确保P_A,i,k,l和P_B,i,k,l至少有一个在三维移动平台的工作空间{P(x,y,z)|w_xmin＜x＜w_xmax,w_ymin＜y＜w_ymax,w_zmin＜z＜w_zmax}内,其中w_xmin,w_ymin,w_zmin分别是三维移动平台在S_w下沿X、Y、Z轴方向运动可到达的坐标的最小值，w_xmax,w_ymax,w_zmax分别是三维移动平台在S_w下沿x,y,z轴方向运动可到达的坐标的最大值，若不满足条件则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤6)；

8)在μ_i,k,l上标记Q+1个等间距的点递增q值依次选取点P_i,k,l,q并假设将站位O_b,i(x_b,i,y_b,i,z_b,i)移动到了点P_st,i,k,l的位置，此时应用机器人学逆运动学的方法，由喷枪位姿序列计算出对应关节角度序列再应用机器人学速度分析的方法，计算出机器人机构雅克比矩阵，利用雅克比矩阵和指定的喷涂速度v_i,s计算对应的关节角速度确保计算出的和都满足以下两个条件：a)b)此时，就在μ_i,k,l上找到一个离P_c,i最近的可行站位P_st,i,k,l；

9)若在线段μ_i,k,l上没有找到满足条件的可行站位P_st,i,k,l，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤8)；

10)使用CATIA的“DMU运动机构”模块为CATIA中已建立的三维移动平台(2)和喷涂机器人(1)的三维模型分别添加棱形接合和旋转接合(运动副)，并将三维移动平台(2)、喷涂机器人(1)和大型自由曲面(3)的三维模型添加到碰撞检测组中，再将可行站位P_st,i,k,l和运动学逆解格式化为法则曲线文件输入CATIA，开启碰撞检测并运行仿真，CATIA就能检测出喷涂机器人(1)、三维移动平台(2)与大型自由曲面(3)是否存在碰撞；若无碰撞，则将当前的P_st,i,k,l保存为第i个自由曲面块的站位O_b,i；若存在碰撞，将点P_A,i,k,l的坐标值修改为s为大于1的整数，设定一个长度阈值D_thresh，用表示修改坐标值后的点P_A,i,k,l和P_B,i,k,l连成的线段的长度，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＞D_thresh时，重复步骤8)～步骤9)计算新的P_st,i,k,l，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＜D_thresh则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤9)；

11)将i的值从1到m递增，重复步骤5)～步骤10)，得到m个自由曲面块的站位O_b,i，i＝1,2,…,m。

Claims (1)

1.一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，所述喷涂机器人(1)在三维移动平台(2)运动，其特征是该方法包含以下步骤：

1)采用三维造型软件分别建立喷涂机器人(1)、三维移动平台(2)和大型自由曲面(3)的三维模型，再将喷涂机器人(1)的三维模型装配在三维移动平台(2)的三维模型上，大型自由曲面(3)的三维模型放置于喷涂机器人(1)的三维模型的工作空间内，建立世界坐标系S_w,任选一点作为S_w的原点，用三维移动平台(2)的三个正交运动方向分别作为S_w的X、Y、Z轴的方向，再建立随着喷涂机器人(1)一起运动的基坐标系S_b，用喷涂机器人(1)的基座中心点O_b作为S_b的原点，三个坐标轴的方向与S_w的三个坐标轴的方向相同；

2)采用三维造型软件将大型自由曲面(3)分为m个自由曲面块(4)，将喷涂第i个自由曲面块(4)时喷涂机器人(1)的基座中心点O_b在S_w下的坐标记为站位采用喷枪轨迹规划方法对第i个自由曲面块(4)进行喷枪轨迹规划,得到喷锥(6)的底部中心路径点P_i,j和喷锥位姿序列i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，n是喷锥底部中心路径点总个数；建立喷锥局部坐标系S_i,j,S_i,j的原点为P_i,j，S_i,j的Z轴与自由曲面块(4)在P_i,j处的外法线同向，S_i,j的X轴与喷锥(6)底部截面椭圆的长轴平行；(x_i,j,y_i,j,z_i,j)是P_i,j在S_w下的三维坐标，α_i,j,β_i,j,γ_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S_i,j在S_w下的喷锥姿态；

3)通过喷涂工艺实验测定第i个自由曲面块(4)所需的喷涂速度v_s,i和喷涂距离d_s,i；

4)建立喷枪局部坐标系S′_i,j，S′_i,j的原点为喷枪路径点P′_i,j，P′_i,j是P_i,j对应的喷锥(6)的末端点，S′_i,j的Z轴与S_i,j的Z轴平行但方向相反，S′_i,j的Y轴与S_i,j的Y轴平行但方向相反，S′_i,j的X轴与S_i,j的X轴方向相同，因此得到在基坐标系S_b下的喷枪位姿序列其中，

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(^bx′_i,j,^by′_i,j,^bz′_i,j)是P′_i,j在S_b下的三维坐标，^bα′_i,j,^bβ′_i,j,^bγ′_i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S′_i，j在S_b下的喷枪姿态；

5)提取第i个自由曲面块中心点P_c,i以及P_c,i处的单位法矢量以P_c,i处的法线为轴线作一个顶角为θ_k的站位搜索圆锥(7)，k＝0,1,...,K-1，取站位搜索圆锥(7)上的一条母线ζ_i,k,0，ζ_i,k,0的方向矢量为其中

将ζ_i,k,0绕轴线旋转一个角度后得到站位搜索圆锥(7)上的另一条母线ζ_i,k,l，l＝0,1,...,L-1，ζ_i,k,l的方向矢量可表示为

其中I为3×3单位矩阵，

6)根据喷涂机器人的可达距离的最大值r_max和最小值r_min在ζ_i,k,l上截取一条线段μ_i,k,l，线段μ_i,k,l的端点为和

7)检验并确保P_A,i,k,l和P_B,i,k,l至少有一个在三维移动平台的工作空间{P(x,y,z)|w_{x min}＜x＜w_{x max},w_{y min}＜y＜w_{y max},w_{z min}＜z＜w_{z max}}内,其中w_{x min},w_{y min},w_{z min}分别是三维移动平台在S_w下沿X、Y、Z轴方向运动到达的坐标的最小值，w_{x max},w_{y max},w_{z max}分别是三维移动平台在S_w下沿X、Y、Z轴方向运动可到达的坐标的最大值，若不满足条件，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤6)；

8)在μ_i,k,l上标记Q+1个等间距的点递增q值依次选取点P_i,k,l,q进行检验，在μ_i,k,l上找到一个离P_c,i最近的可行站位P_st,i,k,l，使站位O_b,i(x_b,i,y_b,i,z_b,i)与P_st,i,k,l重合时能满足：a)喷枪位姿序列中每一个喷枪位姿的运动学逆解都存在并且不超出关节角度范围b)喷枪末端速度达到喷涂速度v_s,i时的各关节速度不超出关节角度限制

9)若在线段μ_i,k,l上没有找到满足条件的可行站位P_st,i,k,l，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤8)；

10)将可行站位P_st,i,k,l和运动学逆解输入三维造型软件进行仿真，检查机器人本体与喷涂对象是否存在碰撞；若无碰撞，则将当前的P_st,i,k,l保存为第i个自由曲面块的站位P_st,i；若存在碰撞，将点P_A,i,k,l的坐标值修改为P_A,i,k,l+(P_B,i,k,l-P_A,i,k,l)/s，s为大于1的整数，设定一个长度阈值D_thresh，用|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|表示修改坐标值后的点P_A,i,k,l和P_B,i,k,l连成的线段的长度，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＞D_thresh时，重复步骤8)～步骤9)计算新的P_st,i,k,l，当|P_B,i,k,l-P_A,i,k,l|＜D_thresh，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤9)；

11)将i的值从1到m递增，重复步骤5)～步骤10)，得到m个自由曲面块的站位P_st,i，i＝1,2,...,m。