CN106881717A - 一种机器人定距的表面跟随喷漆方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，本发明涉及机器人定距的表面跟随喷漆方法。本发明是为了解决现有技术不易控制喷漆距离且步骤繁琐复杂的问题。本发明步骤为：一：操作员通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点；二：在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和三：求两方向向量所在平面对应的法向量；四：得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息；五：在方向向量和所在平面以第一个标定点为原点做局部坐标系；六：操作员在步骤五建立的局部坐标系上平移喷枪，标定下一个着漆点；七：重复步骤二至步骤六直至示教结束。本发明应用于汽车喷漆领域。

Description

一种机器人定距的表面跟随喷漆方法

技术领域

本发明涉及机器人定距的表面跟随喷漆方法。

背景技术

随着工业技术的发展，汽车产业变得越来越壮大，实现对汽车的自动化喷漆，节省人力成本就变得尤为重要。自然而然地，喷漆机器人数量应用数量大幅度增加，那么对于喷漆机器人的示教就成为了一个重要问题。目前，机器人的示教方式主要分为两种：在线示教编程、离线编程。

目前，应用于国内外生产的喷漆机器人大多数为在线示教型。即示教员在喷漆机器人工作现场，由示教员操作机器人喷枪终端移动到目标位置，并将此时对应位置的各关节角度信息记录到计算机中。当喷漆工作进行时，机器人依顺序复现刚才所记录各关节角度信息，机器人即可重复示教时的轨迹完成喷漆工作。这种方法适用于大批量生产，但完成任务单一且对操作人员的经验要求较高。在实际的生产应用中有着如下缺陷：1)很难规划复杂的运动轨迹以及准确的跟随工件表面的变化，且在整个示教过程中不易控制喷漆距离；2)示教质量取决于编程员经验，且步骤繁琐复杂。

机器人离线编程是机器人编程语言的拓展，它利用图像处理技术，建立机器人及其工作环境以及待喷工件的几何模型，然后对机器人所需要完成任务轨迹的离线规划和编程，并对最终的规划结果进行动态仿真。最后将满足条件的编程结果传输给机器人，使机器人完成喷漆任务。这种方法可规划复杂的运动轨迹，且若有精确地工件几何模型就可以在喷漆过程中准确的跟随喷漆表面的变化。但在实际的生产应用中有着如下缺陷：1)需要机器人及工作环境的仿真模型。2)编程系统对操作人员要求较高。

发明内容

本发明是为了解决现有技术不易控制喷漆距离且步骤繁琐复杂的问题，而提出的一种机器人定距的表面跟随喷漆方法。

一种机器人定距的表面跟随喷漆方法按以下步骤实现：

步骤一：操作员通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点；

步骤二：喷枪带测距传感器在第一个标定点周围分别进行两个方向的短距离移动，测距传感器传回距离数据，在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和

步骤三：用外积法求出两方向向量所在平面对应的法向量

步骤四：延长法向量得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息；

步骤五：在方向向量和所在平面以第一个标定点为原点做局部坐标系；

步骤六：操作员在步骤五建立的局部坐标系上平移喷枪，标定下一个着漆点；

步骤七：重复步骤二至步骤六直至示教结束。

发明效果：

本发明运用的喷漆示教方法旨在规避现有技术两种方法的缺陷，将两种方法的优点结合。在线示教的基础上实现对示教步骤及喷漆效果的优化。本发明将示教操作从传统的直接操作机器人、使着漆点到达期望位置，转换为直接操作着漆点的位置变化、通过计算机反解运算，得出喷漆机器人各关节角度数据，自动控制喷漆距离和方向。生成机器人的运动指令。简化繁琐的操作步骤，且本方法直接在工件表面进行工作，无需经过复杂的图像处理。

通过直接控制着漆点的位置而无需调整喷漆机器人姿态，本方法可以较大程度的降低示教员的工作量。且由于示教过程中的喷漆机器人位姿均由距离传感器与计算机相互配合反解计算完成，故在喷漆过程中中可以对喷漆距离起到良好的控制。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明方法示意图；图中“1”为操作员通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点(此时喷枪姿态为初始垂直向下状态)。“2”为喷枪带测距传感器在第一个标定点周围分别进行两个方向的短距离移动，测距传感器传回距离数据，在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和通过计算机计算调整喷枪轨迹垂直于着漆点所在平面，并记录位姿信息(此时喷枪姿态为垂直待喷平面状态)。“3”为操作员通过示教器移动喷枪，标定下一个着漆点(此时喷枪姿态不变，与2相同)。“4”为重复步骤2。“5”为重复上述步骤直到示教结束。

图3为五自由度喷漆机器人示意图；

图4为实际云台图；

图5为云台示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种机器人定距的表面跟随喷漆方法包括以下步骤：

为了实现对着漆点的反解以及对喷漆距离的控制，将红外测距传感器安置在喷枪侧端，为使测距传感器的测距点与喷枪的着漆点重合，并在喷枪头出额外放置一小型激光笔，方便操作人员观察当前喷枪所对应着漆点的位置。其中方法流程图如图1所示，方法示意图如图2所示，图2中箭头代表喷枪姿态，相同颜色箭头代表相同姿态喷枪。叉点代表着漆点，其附近短虚线代表短距移动轨迹。连接两叉点虚线为在平移喷枪过程中，测距传感器在工件表面得到的曲线，可作为下一个标定点两方向向量其中之一，简化确定下一个标定点法向量的步骤。

步骤一：操作员通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点(对于不同自由度、规格、类型的喷漆机器人着漆点求解方法不同)；

步骤二：喷枪带测距传感器在第一个标定点周围分别进行两个方向的短距离移动，测距传感器传回距离数据，在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和

步骤三：用外积法求出两方向向量所在平面对应的法向量

步骤四：延长法向量(延长距离d即为喷漆距离)，得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息(对于不同自由度、规格、类型的喷漆机器人反解方法不同)并存储，作为第一个示教点的位姿信息；

步骤五：在方向向量和所在平面以第一个标定点为原点做局部坐标系；

步骤六：操作员在步骤五建立的局部坐标系上平移喷枪，标定下一个着漆点；

步骤七：重复步骤二至步骤六直至示教结束。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中第一个着漆点具体为P₁(x₁,y₁,z₁)。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中方向向量和具体为和

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中用外积法出两方向向量所在平面对应的法向量具体为：

其中：

其中为拟合曲线l₁在标定点处对应的方向向量，为为拟合曲线l₂在标定点处对应的方向向量；

则：

其中为单位向量；

得到：

其中所述拟合方向向量所在平面的法向量的求法。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中延长法向量得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息具体过程为：

其中过点P₁，方向向量为的直线方程为：

喷枪头距离着漆点距离为d时：

将公式(2)带入公式(1)得喷枪头坐标：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例一：

本方法适用于五、六或更多自由度的喷漆机器人，只要有明确的着漆点坐标和机器人位姿转换公式即可实施本方法。

在此特提供一种框架式五自由度机器人的实施例。其中云台有两个自由度(x,y)。如图3为喷漆机器人的整体，图4为云台，图5为云台示意图。喷枪有三个自由度(z,θ₁,θ₂)，在云台的第一个转动轴，可围绕z轴旋转360度，我们定义图中云台的第一个电机角度为0度，第二个转动轴可围绕中心点旋转180度。云台可假设为一一般三角形其中AB边145mm，BC边185mm，AC边145mm，∠A＝0.3526rad，∠B＝0.7970rad，∠C＝1.9920rad。设喷漆距离d＝180mm。

步骤1：操作员通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点P₁(x₁,y₁,z₁)，此时五自由度机器人位姿(x,y,z,θ₁,θ₂)。

步骤2：喷枪带测距传感器在第一个标定点周围分别进行两个方向的短距离移动，测距传感器传回距离数据，在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和

通过坐标转换公式得

步骤3：延长法向量(延长距离d即为喷漆距离)，得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得喷漆机器人各关节角度信息(对于不同自由度、规格、类型的喷漆机器人反解方法不同)，存储，作为第一个示教点的位姿信息。(喷枪头坐标求法见发明内容步骤3在此不给出)

由法向量得机器人位姿θ₁、θ₂。

由步骤2坐标转换公式反解得

步骤4：延长法向量得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息；

步骤5：在方向向量和所在平面以第一个标定点为原点做局部坐标系；

步骤6：操作员在步骤五建立的局部坐标系上平移喷枪，标定下一个着漆点；

步骤7：重复步骤二至步骤六直至示教结束。

Claims (5)

1.一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，其特征在于，所述表面跟随喷漆方法包括以下步骤：

步骤一：通过示教器移动喷枪，标定第一个着漆点；

步骤二：喷枪带测距传感器在第一个标定点周围分别进行两个方向的短距离移动，测距传感器传回距离数据，在计算机中拟合两条曲线l₁、l₂，得到两曲线在标定点对应的方向向量和

步骤三：用外积法求出两方向向量所在平面对应的法向量

步骤四：延长法向量得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息；

步骤五：在方向向量和所在平面以第一个标定点为原点做局部坐标系；

步骤六：操作员在步骤五建立的局部坐标系上平移喷枪，标定下一个着漆点；

步骤七：重复步骤二至步骤六直至示教结束。

2.根据权利要求1所述的一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，其特征在于，所述步骤一中第一个着漆点具体为P₁(x₁,y₁,z₁)。

3.根据权利要求2所述的一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，其特征在于，所述步骤二中方向向量和具体为和

4.根据权利要求3所述的一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，其特征在于，所述步骤三中用外积法出两方向向量所在平面对应的法向量具体为：

其中：

$\stackrel{\→}{n_i}=\stackrel{\→}{a_i}\×\stackrel{\→}{b_i}$

其中为拟合曲线l₁在标定点处对应的方向向量，为为拟合曲线l₂在标定点处对应的方向向量；

则：

$\stackrel{\→}{n_1}=\left|\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{i}& \stackrel{\→}{j}& \stackrel{\→}{k}\\ x_{a1}& y_{a1}& z_{a1}\\ x_{b1}& y_{b1}& z_{b1}\end{array}\right|$

其中为单位向量；

$\stackrel{\→}{n_1}=\left|\begin{array}{cc}{y}_{a1}& z_{a1}\\ y_{b1}& z_{b1}\end{array}\right|\stackrel{\→}{i}+\left|\begin{array}{cc}{x}_{a1}& z_{a1}\\ x_{b1}& z_{b1}\end{array}\right|\stackrel{\→}{j}+\left|\begin{array}{cc}{x}_{a1}& y_{a1}\\ x_{b1}& y_{b1}\end{array}\right|\stackrel{\→}{k}$

得到：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=y_{a1}{z}_{b1}-y_{b1}{z}_{a1}\\ j_1=x_{a1}{z}_{b1}-x_{b1}{z}_{a1}\\ k_1=x_{a1}{y}_{b1}-x_{b1}{y}_{a1}\end{array}\right..$

5.根据权利要求4所述的一种机器人定距的表面跟随喷漆方法，其特征在于，所述步骤四中延长法向量得到喷枪喷嘴位置，计算机反解得到喷漆机器人各关节角度信息并存储，作为第一个示教点的位姿信息具体过程为：

其中过点P₁，方向向量为的直线方程为：

$\frac{x-x_1}{a_1}=\frac{y-y_1}{b_1}=\frac{z-z_1}{c_1}---\left(1\right)$

喷枪头距离着漆点距离为d时：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}=d---\left(2\right)$

将公式(2)带入公式(1)得喷枪头坐标：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{a_{1}d}{\sqrt{a_1^2+b_1^2+c_1^2}}+x_1\\ y=\frac{b_{1}d}{\sqrt{a_1^2+b_1^2+c_1^2}}+y_1\\ z=\frac{c_{1}d}{\sqrt{a_1^2+b_1^2+c_1^2}}+z_1\end{array}\right..$