CN109794382A - 一种3d微涂覆机器人及其涂覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D微涂覆机器人系统，包括：3D视觉定位模块、涂覆材料终端执行模块、涂覆控制模块和机器人控制模块；所述3D视觉定位模块，用于获取待涂覆工件的三维数据，根据所述三维数据得到待涂覆工件的三维坐标位置，并将工件的三维坐标位置发送到涂覆控制模块和机器人控制模块；机器人控制模块采用平滑曲线构造归一化算子的插补方法执行空间规划与运动控制，可以有效控制工业机器人的速度和加速度平稳变化，从而减小急速的运动对机器人机构的冲击；涂覆控制模块智能选取涂覆路径，能有效提高工件涂覆效率；涂覆材料装载机构采用双料筒循环搅拌除泡，可避免管路过长而引起的堵塞。

Description

一种3D微涂覆机器人及其涂覆方法
技术领域
本发明涉及机器人涂覆技术领域，具体涉及一种3D微涂覆机器人及其涂覆方法。
背景技术
目前涂覆工艺不断发展和完善，用户对涂覆材料，涂覆方式、速度和精度要求越来越高，传统的人工涂覆作业在质量成本和安全效率方面已经无法满足。部分使用多轴联动机床的涂覆方式虽然可以在一定程度上进行自动化涂覆，但是对于表面形状不规则的工件涂覆就会出现无法全面作业的问题。涂覆机器人是机器人在工业自动化领域的重要应用，大量机器人涂覆工作站或生产线充分利用了机器人的灵活、稳定、高效的特点，适用于生产量大、产品型号多、表面形状不规则的工件外表面的涂覆，极大的提高了生产效率。
在涂覆领域常常需要准确定位涂覆工件的位置，需要对机器人终端执行器的运动轨迹进行严格控制，传统涂覆机器人多采用示教盒等外部设备进行工件定位和轨迹插补，但这种方式路径单一、较为繁琐且位置和姿态的精度也不高；在对机器人终端执行器做轨迹插补时，通常期望其运动轨迹是平滑的，但由于无法很好控制速度和加速度平稳变化而导致急速的运动加剧机构的磨损。此外，传统的涂覆材料搅拌机构由于管路过长的限制，常常导致涂覆材料还未到达喷头就已沉淀，从而使管路堵塞。因此，行业内急需研发一种可以准确定位涂覆工件的位置并智能选取涂覆路径的涂覆机器人。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种3D微涂覆机器人、3D微涂覆机器人系统及3D微涂覆机器人的涂覆方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种3D微涂覆机器人，包括：工业机器人；所述工业机器人上设置有N个关节轴，N≥2；所述工业机器人内部设置有控制关节轴旋转的第一伺服电机，所述工业机器人的底部安装有底座，底座内设有控制工业机器人水平旋转运动的第二伺服电机；关节轴的末端设置有终端喷头设备、涂覆材料装载机构和用于获取待涂覆工件的三维数据的双目视觉相机，所述涂覆材料装载机构包括双料筒和安装在双料筒旁边的控制双料筒左右循环的光电传感器；终端喷头设备通过管路连接至双料筒。
优选地，所述底座上加设有防滑橡胶垫。
优选地，N＝6。
优选地，所述终端喷头设备为雾化喷头。
优选地，终端喷头设备、涂覆材料装载机构和双目视觉相机均通过法兰块安装在关节轴的末端。
一种3D微涂覆机器人系统，包括：3D视觉定位模块、涂覆材料终端执行模块、涂覆控制模块和机器人控制模块；所述3D视觉定位模块，用于获取待涂覆工件的三维数据，根据所述三维数据得到待涂覆工件的三维坐标位置，并将工件的三维坐标位置发送到涂覆控制模块和机器人控制模块；所述机器人控制模块，用于根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法执行空间规划，并控制工业机器人的运动；所述涂覆控制模块，用于根据所述三维坐标位置将待涂覆工件归类、选取涂覆路径、修正涂覆位置，并控制涂覆材料终端执行模块对待涂覆工件执行涂覆动作；所述涂覆材料终端执行模块，包括双料筒循环搅拌单元和终端喷头设备，所述双料筒循环搅拌单元用于在涂覆过程中的物料搅拌除泡，所述终端喷头设备用于对待涂覆工件执行涂覆动作。
优选地，所述3D视觉定位模块包括：双目视觉相机、图像处理单元和工件定位单元；所述双目视觉相机，用于对待涂覆工件进行扫描，得到待涂覆工件的三维数据，并将三维数据发送到图像处理单元和工件定位单元；所述图像处理单元，用于利用深度学习算法处理三维数据，得到涂覆轨迹；所述工件定位单元，用于对三维图像数据进行去噪处理，并使用基于深度的边缘分割算法提取待涂覆工件的深度图像轮廓，得到待涂覆工件的三维坐标位置。
上述3D微涂覆机器人的涂覆方法，包括：
S1，双目视觉相机对待涂覆工件进行快速激光扫描，获取三维数据；
S2，工业机器人根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法进行空间规划，并根据空间规划控制工业机器人的运动；
S3，根据所述三维坐标位置将待涂覆工件归类、选取涂覆路径，并比较选取的涂覆路径与预设的涂覆位置，在线修正涂覆位置；
S4，工业机器人开启涂覆物料装载机构的双料筒，进行循环搅拌模式；
S5，控制工业机器人上的终端喷头设备移至涂覆区域执行涂覆动作。
优选地，步骤S2包括：
S21，根据所述高精度三维数据进行图像处理，计算出涂覆关键路径点的位置和姿态；
S22，根据所述涂覆关键路径点的位置和姿态，采用平滑插补曲线构造归一化时间算子进行插补，自动生成轨迹中间点的位置和姿态；
S23，根据生成的轨迹控制工业机器人的运动。
优选地，步骤S5包括：工业机器人上的终端喷头设备进行平面涂覆或者曲面涂覆。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本方案的工业机器人设置有N个关节轴，包含N个自由度，多个自由度可以提高机器人运动的灵活性；应用在工业机器人上的3D视觉定位模块可以精确获取待涂覆工件的位置并传送给涂覆控制模块和机器人控制模块；机器人控制模块采用平滑曲线构造归一化算子的插补方法执行空间规划与运动控制，可以有效控制工业机器人的速度和加速度平稳变化，从而减小急速的运动对机器人机构的冲击；涂覆控制模块智能选取涂覆路径，能有效提高工件涂覆效率；涂覆材料装载机构采用双料筒循环搅拌除泡，可避免管路过长而引起的堵塞。本发明可应用于自动化喷漆等各种物体表面处理过程，大幅度提升涂覆可靠性和智能化程度。
附图说明
图1是本发明的3D微涂覆机器人的结构图。
图2是本发明的3D微涂覆机器人系统的结构框图。
图3是本发明的3D微涂覆机器人的涂覆方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，一种3D微涂覆机器人，包括：工业机器人11；所述工业机器人11上设置有N个关节轴，N≥2；所述工业机器人11内部设置有控制关节轴旋转的第一伺服电机，所述工业机器人11的底部安装有底座16，底座16内设有控制工业机器人11水平旋转运动的第二伺服电机；关节轴的末端设置有终端喷头设备12、涂覆材料装载机构和用于获取待涂覆工件17的三维数据的双目视觉相机15，所述涂覆材料装载机构包括双料筒13和安装在双料筒13旁边的控制双料筒13左右循环的光电传感器14；终端喷头设备12通过管路连接至双料筒13。
在本实施例，所述底座16上加设有防滑橡胶垫，减小工业机器人11在移动过程中机械结构的磨损。在本实施例，N＝6。六个第一伺服电机直接通过减速器、同步带轮等驱动六轴工业机器人11的六个关节轴的旋转，六个关节轴通过六个不同方向的旋转可以实现动作控制。
终端喷头设备12可根据涂覆工艺和材料选择合适的喷头，在本实施例，所述终端喷头设备12为雾化喷头。
在本实施例，光电传感器14安装在双料筒13旁边控制双料筒13左右循环，这样可对双料筒13内涂覆材料进行在线搅拌除泡。
在本实施例，终端喷头设备12、涂覆材料装载机构和双目视觉相机15均通过法兰块18安装在关节轴的末端。所述双目视觉相机15的底部设置有保护盖，保护盖通过气缸的推拉进行开合，可用来保护精密的双目视觉相机15的镜头。
参见图2、应用在上述3D微涂覆机器人内的3D微涂覆机器人系统，包括：3D视觉定位模块、涂覆材料终端执行模块、涂覆控制模块和机器人控制模块；所述3D视觉定位模块，用于获取待涂覆工件17的三维数据，根据所述三维数据得到待涂覆工件17的三维坐标位置，并将工件的三维坐标位置发送到涂覆控制模块和机器人控制模块；所述机器人控制模块，用于根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法执行空间规划，并控制工业机器人11的运动；所述涂覆控制模块，用于根据所述三维坐标位置将待涂覆工件17归类、选取涂覆路径、修正涂覆位置，并控制涂覆材料终端执行模块对待涂覆工件17执行涂覆动作。所述涂覆材料终端执行模块，包括双料筒13循环搅拌单元和终端喷头设备12，所述双料筒13循环搅拌单元用于在涂覆过程中的物料搅拌除泡，所述终端喷头设备12用于对待涂覆工件17执行涂覆动作。
在本实施例，所述3D视觉定位模块包括：双目视觉相机15、图像处理单元和工件定位单元；所述双目视觉相机15，用于对待涂覆工件17进行扫描，得到待涂覆工件17的三维数据，并将三维数据发送到图像处理单元和工件定位单元；所述图像处理单元，用于利用深度学习算法处理三维数据，得到涂覆轨迹；所述工件定位单元，用于对三维图像数据进行去噪处理，并使用基于深度的边缘分割算法提取待涂覆工件17的深度图像轮廓，得到待涂覆工件17的三维坐标位置。
进一步的说明，所述3D视觉定位模块负责对工件位置的精确测量和定位，并将工件位置信息以网络通讯方式传送给涂覆控制模块和机器人控制模块；所述机器人控制模块负责执行空间规划与运动控制，是实现工业机器人11轨迹插补运动的关键模块，用于灵活控制工业机器人11的点位运动以及连续运动。所述涂覆控制模块负责根据双目视觉相机15所获取的工件三维图像数据提取工件形状特征，并智能选取涂覆路径、修正涂覆位置以及执行涂覆任务。所述双料筒13循环搅拌单元通过控制左右料筒存在的气压差实施物料搅拌工作。
参见图3、上述的3D微涂覆机器人的涂覆方法，包括：
S1，双目视觉相机15对待涂覆工件17进行快速激光扫描，获取三维数据；
S2，工业机器人11根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法进行空间规划，并根据空间规划控制工业机器人11的运动；
S3，根据所述三维坐标位置将待涂覆工件17归类、选取涂覆路径，并比较选取的涂覆路径与预设的涂覆位置，在线修正涂覆位置；
S4，工业机器人11开启涂覆物料装载机构的双料筒13，进行循环搅拌模式；
S5，控制工业机器人11上的终端喷头设备12移至涂覆区域执行涂覆动作。在本实施例，步骤S5包括：工业机器人11上的终端喷头设备12进行平面涂覆或者曲面涂覆。
在本实施例，步骤S2包括：
S21，根据所述高精度三维数据进行图像处理，计算出涂覆关键路径点的位置和姿态；
S22，根据所述涂覆关键路径点的位置和姿态，采用平滑插补曲线构造归一化时间算子进行插补，自动生成轨迹中间点的位置和姿态；
S23，根据生成的轨迹控制工业机器人11的运动。
上述归一化时间算子在插补运算中决定位置的变化趋势：若归一化时间算子为l(t)，在时间T内从X0运动到X1，则位置函数X(t)＝X0+l(t)×(X1-X0),由其n阶导数可知选择合适的平滑曲线构造归一化时间算子可满足速度平滑，加速度连续变化的要求。
其中平滑归一化时间算子的插补算法可以使用不同的平滑曲线，目标则是保证机器人末端执行器的速度光滑和加速度连续。例如，使用“S型”加减速曲线。所述“S型”加减速曲线的特征在于机器人末端执行器沿直线或圆弧切线方向的速度呈“S型”加减速曲线变化。对机器人的位置和姿态都进行插补使其连续平滑运动，最终可有效的减少机器人系统启动或停止时的冲击。
在本实施例，步骤S5之后还包括：判断待涂覆工件17的涂覆区域是否喷涂完毕。若完成，待涂覆工件17下料。否则转至步骤S5。
本方案的3D微涂覆机器人的涂覆方法不仅适用于生产量大、产品型号多、表面形状不规则的工件外表面的涂覆，并均匀搅拌涂覆材料，而且还可以智能选取涂覆路径，精确定位涂覆工件的位置并修正涂覆轨迹，从而保证涂覆效果的均匀一致性，尤其适用于高精度涂覆要求的工艺。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D微涂覆机器人，其特征在于，包括：工业机器人；所述工业机器人上设置有N个关节轴，N≥2；所述工业机器人内部设置有控制关节轴旋转的第一伺服电机，所述工业机器人的底部安装有底座，底座内设有控制工业机器人水平旋转运动的第二伺服电机；关节轴的末端设置有终端喷头设备、涂覆材料装载机构和用于获取待涂覆工件的三维数据的双目视觉相机，所述涂覆材料装载机构包括双料筒和安装在双料筒旁边的控制双料筒左右循环的光电传感器；终端喷头设备通过管路连接至双料筒。
2.根据权利要求1所述的3D微涂覆机器人，其特征在于，所述底座上加设有防滑橡胶垫。
3.根据权利要求1所述的3D微涂覆机器人，其特征在于，N＝6。
4.根据权利要求1所述的3D微涂覆机器人，其特征在于，所述终端喷头设备为雾化喷头。
5.根据权利要求1所述的3D微涂覆机器人，其特征在于，终端喷头设备、涂覆材料装载机构和双目视觉相机均通过法兰块安装在关节轴的末端。
6.一种3D微涂覆机器人系统，其特征在于，包括：3D视觉定位模块、涂覆材料终端执行模块、涂覆控制模块和机器人控制模块；
所述3D视觉定位模块，用于获取待涂覆工件的三维数据，根据所述三维数据得到待涂覆工件的三维坐标位置，并将工件的三维坐标位置发送到涂覆控制模块和机器人控制模块；
所述机器人控制模块，用于根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法执行空间规划，并控制工业机器人的运动；
所述涂覆控制模块，用于根据所述三维坐标位置将待涂覆工件归类、选取涂覆路径、修正涂覆位置，并控制涂覆材料终端执行模块对待涂覆工件执行涂覆动作；
所述涂覆材料终端执行模块，包括双料筒循环搅拌单元和终端喷头设备，所述双料筒循环搅拌单元用于在涂覆过程中的物料搅拌除泡，所述终端喷头设备用于对待涂覆工件执行涂覆动作。
7.根据权利要求6所述的3D微涂覆机器人系统，其特征在于，所述3D视觉定位模块包括：双目视觉相机、图像处理单元和工件定位单元；
所述双目视觉相机，用于对待涂覆工件进行扫描，得到待涂覆工件的三维数据，并将三维数据发送到图像处理单元和工件定位单元；
所述图像处理单元，用于利用深度学习算法处理三维数据，得到涂覆轨迹；
所述工件定位单元，用于对三维图像数据进行去噪处理，并使用基于深度的边缘分割算法提取待涂覆工件的深度图像轮廓，得到待涂覆工件的三维坐标位置。
8.一种基于权利要求1-5任意一项的3D微涂覆机器人的涂覆方法，其特征在于，包括：
S1，双目视觉相机对待涂覆工件进行快速激光扫描，获取三维数据；
S2，工业机器人根据所述三维坐标位置采用平滑曲线归一化插补控制方法进行空间规划，并根据空间规划控制工业机器人的运动；
S3，根据所述三维坐标位置将待涂覆工件归类、选取涂覆路径，并比较选取的涂覆路径与预设的涂覆位置，在线修正涂覆位置；
S4，工业机器人开启涂覆物料装载机构的双料筒，进行循环搅拌模式；
S5，控制工业机器人上的终端喷头设备移至涂覆区域执行涂覆动作。
9.根据权利要求8所述的3D微涂覆机器人的涂覆方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21，根据所述高精度三维数据进行图像处理，计算出涂覆关键路径点的位置和姿态；
S22，根据所述涂覆关键路径点的位置和姿态，采用平滑插补曲线构造归一化时间算子进行插补，自动生成轨迹中间点的位置和姿态；
S23，根据生成的轨迹控制工业机器人的运动。
10.根据权利要求8所述的3D微涂覆机器人的涂覆方法，其特征在于，步骤S5包括：工业机器人上的终端喷头设备进行平面涂覆或者曲面涂覆。
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