CN109876968A - 一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人喷涂加工领域，具体是一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其具体步骤如下：A、模式选择；B、建立坐标系并导入机器人模型、工件模型及设定参数；C、生成用于碰撞检测的网格模型；D、生成几何基元列表并转换为喷涂基元列表；E、喷涂基元路径规划并生成工件的完整喷涂路径；F、机器人关节臂运动规划；G、检查关节臂的速度和加速度是否超限；H、细节路径规划并生成喷涂程序。本发明实现了多姿态平面组合型构件，例如典型钢结构件的机器人喷涂自动路径规划方法，所输出的喷涂程序可直接在实际机器人控制器中运行；与人工示教作业相比，使用该方法可降低操作者的劳动强度，改善操作者的工作环境，易于集中处理相关污染源。

Description

一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法

技术领域

本发明涉及机器人喷涂加工领域，具体是一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法。

背景技术

当前钢结构行业的喷涂普遍采用人工作业，人工作业的方式存在诸多问题：喷涂质量一致性较差、效率偏低、操作者存在健康隐患、造成一定的环境污染等等。与其相比，机器人喷涂系统具有可重复性好、喷涂质量稳定、工作效率高、可集中处理相关污染源类优点。

在机器人喷涂应用中，喷涂路径规划问题一直是难点和研究热点之一，而喷涂路径规划又可以分解为两方面：1.机器人第六轴末端工具在工件表面的喷涂路径规划，简称为路径规划；2.机器人各关节臂的运动轨迹规划，简称为轨迹规划。对于具体的喷涂应用，研究者更关注的是前者，因为只需为后者选择一种通用的机器人轨迹规划算法即可。

典型钢结构件具有以下特点：1.从几何上看，它是由多种不同位置姿态的平面所组合而成的较复杂三维构件；2.在某个维度，假设为y方向，其尺寸远大于另外两个维度的尺寸，且y方向尺寸远超出六自由度喷涂机器人的工作范围；3.几乎所有的外表面都要求被涂料所覆盖。因此，在钢结构喷涂应用中，目前公开发表的路径规划方法几乎不能胜任。

如中国专利公开号为201510680245.8的大平面自动喷涂设备轨迹规划及控制方法中给出了一种适用于大平面的路径规划方法，但它只能处理单一平面，不能处理像钢结构这种由许多不同位置姿态平面组合而成的工件。

目前有不少用于解决自由曲面喷涂路径规划的方法。如中国专利公开号为CN201210050434.3的一种自由曲面喷涂机器人的喷枪轨迹规划方法、中国专利公开号为CN201410545718.9的一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法、中国专利公开号为CN201611049007.8的一种自动化喷涂系统集成喷涂工艺的喷涂路径规划算法，它们同样不能处理像钢结构这样的较复杂空间构件。此外，这些喷涂路径规划方法的计算效率偏低，很难满足实际工业生产中的时间节拍要求。

综上，钢结构行业的急切需求是：一种路径规划方法，能实现针对钢结构的喷涂路径自动规划，且尽量满足实际生产的节拍要求。

发明内容

基于对钢结构件的分析，设想钢结构机器人喷涂系统由布置在工件长度方向两侧的两台六自由度喷涂机器人协作完成其喷涂作业。为了解决该喷涂系统的路径规划问题，本发明提出一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法。

一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其具体步骤如下：

A、模式选择：选择喷涂系统的布置模式为输送线模式或者第七轴模式；

B、建立坐标系并导入机器人模型、工件模型及设定参数；

C、生成用于碰撞检测的网格模型；

D、生成几何基元列表并转换为喷涂基元列表；

E、对各喷涂基元进行路径规划，生成工件的完整喷涂路径；

F、机器人关节臂运动规划：根据喷涂路径以及机器人工作速度和加速度信息，给出机器人六个关节臂的速度曲线和加速度曲线；

G、检查关节臂的速度和加速度是否超限：检查机器人关节空间的速度、加速度是否超限，若超限则计算出超限因子，并据此减小笛卡尔移动速度和加速度、旋转速度和加速度；

H、细节路径规划并生成喷涂程序：根据高度值height与喷涂间距参数interval之间的相对大小关系，进行细节路径规划并按照制定的规范自动生成最终的喷涂程序，整个规划过程结束。

所述步骤A的输送线模式，由输送线带着工件移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动；

所述步骤A的第七轴模式，由线性附加轴带着机器人移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动。

所述步骤B中设定参数的第一部分是机器人工作参数；

第二部分是其它设备的工作参数；

第三部分是路径规划相关参数；

第四部分是程序生成相关参数。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对梯形类几何基元的处理：依据梯形分割准则，将其转换为相应类型的喷涂基元。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对平行四边形类几何基元的处理：依据最小基元阈值和线-面阈值参数，将其转换为相应类型的喷涂基元。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对公共区域的处理：依据公共区域识别及其宽度阈值参数，将属于公共区域的几何基元转换为相应类型的喷涂基元，并分配给对应的机器人。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对锐边邻接区域的处理：依据锐边识别及靠近锐边部分宽度参数，将锐边邻接区域转换为相应类型的喷涂基元。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括基于偏移量的修正处理：依据偏移量参数，对梯形类、平行四边形类几何基元进行修正处理，以控制其喷涂效果。

所述步骤E中的步骤为a、为分段长度或者位移百分比选择初值，所述初值通常取最大值；

b、选取喷枪角度初值，通常初选0°，通过函数R2E()将选定的喷枪角度转换为三个欧拉角，即姿态坐标，并获得对应的工件整体位移坐标或第七轴位移坐标；

c、根据路径点位姿坐标，使用空间解析几何方法和机器人逆运动学算法，计算出机器人关节空间的六维坐标(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅,J₆)；

d、关节角度超限检测：检查(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅)是否超出步骤B中设定的限制区间，若J₁～J₅超限，则首先尝试跳到步骤b中为喷枪角度选取新值，若已超出喷枪角度的取值范围则跳到步骤a中为分段长度或者位移百分比选取新值；若J₁～J₅没超限，则直接执行下一步；

e、笛卡尔空间z向超限检测：检查此时的机器人第六轴末端点的z坐标z₆是否超出设定的限制区间并进行调整；

f、绕管检测：检查J₆是否超出步骤B中设定的限制区间，如超限则根据J₆与限制区间的关系添加过渡点；

g、碰撞检测：依据枪尖点和第六轴末端点的位姿坐标检查是否发生碰撞；如果有碰撞现象则根据碰撞发生时工件与喷枪之间的相对位置姿态关系，在喷涂路径中添加两个避让点。

本发明的有益效果是：本发明实现了多姿态平面组合型构件，例如典型钢结构件的机器人喷涂自动路径规划方法，所输出的喷涂程序可直接在实际机器人控制器中运行；与人工示教作业相比，使用该方法可降低操作者的劳动强度，改善操作者的工作环境，提高喷涂质量的一致性和生产效率，易于集中处理相关污染源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的输送线模式布局示意图；

图2为本发明的第七轴模式布局示意图；

图3为本发明的自动路径规划流程图；

图4为本发明的自定义XML模型图；

图5为本发明的梯形分割准则示意a图；

图6为本发明的梯形分割准则示意b图；

图7为本发明的梯形分割准则示意c图；

图8为本发明的梯形分割准则示意d图；

图9为本发明的复杂平面连通域的分割示意图；

图10为本发明的公共区域处理示意图；

图11为本发明的锐边检测原理图；

图12为本发明的锐边邻接区域处理示意图；

图13为本发明的沿短边方向的偏移量修正示意图；

图14为本发明的沿长边方向的偏移量修正示意图；

图15为本发明的平行四边形细节路径规划示意a图；

图16为本发明的平行四边形细节路径规划示意b图；

图17为本发明的平行四边形细节路径规划示意c图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

考虑到典型钢结构件长度方向的尺寸远大于另外两个维度方向的尺寸，且长度方向尺寸远超出普通六自由度喷涂机器人的工作范围。因此，设想钢结构机器人喷涂系统由布置在工件长度方向两侧的两台六自由度喷涂机器人协作完成其喷涂作业，且该喷涂系统中需要实现工件整体与机器人之间的平移运动。本发明提出的自动路径规划方法正是为了解决该喷涂系统的路径规划问题。

如图1至图17所示，一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其具体步骤如下：

A、模式选择：选择喷涂系统的布置模式为输送线模式或者第七轴模式；

B、建立坐标系并导入机器人模型、工件模型及设定参数；

C、生成用于碰撞检测的网格模型；

D、生成几何基元列表并转换为喷涂基元列表；

E、对各喷涂基元进行路径规划，生成工件的完整喷涂路径；

F、机器人关节臂运动规划：根据喷涂路径以及机器人工作速度和加速度信息，给出机器人六个关节臂的速度曲线和加速度曲线；

G、检查关节臂的速度和加速度是否超限：检查机器人关节空间的速度、加速度是否超限，若超限则计算出超限因子，并据此减小笛卡尔移动速度和加速度、旋转速度和加速度；

H、细节路径规划并生成喷涂程序：根据高度值height与喷涂间距参数interval之间的相对大小关系，进行细节路径规划并按照制定的规范自动生成最终的喷涂程序，整个规划过程结束。

所述步骤A的输送线模式，由输送线带着工件移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动；该模式的喷涂系统中，设置有用于输送工件5的输送线3、设置在输送线3上用于装夹工件5的装夹装置4、分别设置在输送线3两侧的R1机器人1和R2机器人2。

其工作过程为：由输送线3带着工件5移动，首先进入R2机器人2的工作区域，然后输送线3暂停，R2机器人2开始喷涂作业；该段喷涂作业完成之后，输送线3带着工件5继续移动，进入下一个工作段，然后输送线暂停，R1机器人1、R2机器人2同时进行喷涂作业；工件到达最后一个喷涂位置后，由R1机器人1完成剩余的喷涂作业。

所述步骤A的第七轴模式，由线性附加轴带着机器人移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动；该模式的喷涂系统中，设置有用于装夹工件5的装夹装置4、分别设置在工件5两侧的R1线性附加轴6和R2线性附加轴7、分别安装在线性附加轴6和7上的R1机器人1和R2机器人2。

其工作过程为：由R1机器人1从工件5的最左边开始喷涂作业，R2机器人2从工件5的最右边开始喷涂作业；等到R1机器人1和R2机器人2分别完成避让区一侧左半部分和避让区另一侧右半部分的喷涂之后，R2机器人2退回到一个安全点，由R1机器人1先完成避让区左侧的喷涂作业；然后R1机器人1退回到一个安全点，再由R2机器人2完成避让区右侧的喷涂作业，此时避让区的喷涂作业结束；然后再由R1机器人1和R2机器人2分别完成避让区一侧右半部分和避让区另一侧左半部分的喷涂，从而完成整个工件的喷涂作业。

所述的步骤B的建立坐标系为：依次建立世界坐标系F_w、机器人基坐标系F_b1和F_b2、工件坐标系F_p、R1机器人1的工具坐标系F_t11和F_t12、R2机器人2的工具坐标系F_t21和F_t22。

所述步骤B中的世界坐标系F_w，其原点为相对于大地固定不动的一个点，其x、y、z三个坐标轴方向与R1机器人1的基坐标系F_b1的对应方向相同。

所述步骤B中的机器人基坐标系F_b1，其原点为R1机器人1底座中心点，其y轴方向为工件的长度方向，z轴方向为竖直向上，x轴方向为满足右手法则的另一个方向。

所述步骤B中的机器人基坐标系F_b2，其原点为R2机器人2底座中心点，其z轴与F_b1的z轴同向，其x轴是F_b1的x轴反向，其y轴是F_b1的y轴反向。

所述步骤B中的工件坐标系F_p，其原点为工件5上表面的任一点，其x、y、z三个坐标轴的方向与世界坐标系F_w的对应方向相同。

所述步骤B中的R1机器人1的工具坐标系F_t11和F_t12，其原点为R1机器人1第六轴末端法兰的中心点，然后根据枪架和设定的初始喷枪姿态，分别用六维位姿坐标(x_t11,y_t11,z_t11,a_t11,b_t11,c_t11)和(x_t12,y_t12,z_t12,a_t12,b_t12,c_t12)来描述F_t11和F_t12；例如，典型的F_t11和F_t12，可分别用(40,-120,180,0,45,0)和(80,-150,100,60,0,0)来描述。

所述步骤B中的R2机器人2的工具坐标系F_t21和F_t22，其原点为R2机器人2第六轴末端法兰的中心点，然后根据枪架和设定的初始喷枪姿态，分别用六维位姿坐标(x_t21,y_t21,z_t21,a_t21,b_t21,c_t21)和(x_t22,y_t22,z_t22,a_t22,b_t22,c_t22)来描述F_t21和F_t22。

为确定步骤B中机器人基坐标系F_b1、F_b2及工件坐标系F_p之间的具体相对位置，实际实施时，需要根据最大钢构和最小钢构的尺寸，在机器人离线仿真软件中进行测试，以给出钢构喷涂系统中各部分的合理布局位置。

所述步骤B中的模型可为STEP模型或自定义XML模型。

自定义XML模型是发明者团队自定义的一种XML格式文本，可用来表示较简单的钢结构件模型；所谓较简单模型，是指该模型可由简单几何体直接组合到一起而生成，且无需简单几何体之间的布尔操作，包括交操作、并操作和差操作；所谓简单几何体是指可由平面轮廓经单次拉伸操作而生成的几何体。

实际操作中，若导入的是STEP模型，则可由意大利软件公司devDept发布的Eyeshot图形控件中的函数ReadStep()来生成其对应的三维实体对象；若导入的是自定义XML模型，则可由Eyeshot图形控件中相应的几何实体生成函数来生成构件的三维实体对象；有了三维实体对象以后，可使用Eyeshot图形控件中的函数ConvertToMesh()，将其转换为构件的网格模型。

所述步骤B中设定参数的第一部分是机器人工作参数，包括：各关节臂的角度限制、角速度限制、角加速度限制，第六轴末端的笛卡尔移动速度和加速度、旋转速度和加速度，机器人工作空间限制。

第二部分是其它设备的工作参数：

a、对于输送线模式，这部分指输送线的工作参数，包括运动速度、运动方向；

b、对于第七轴模式，这部分指第七轴的工作参数，包括运动速度、工作行程。

第三部分是路径规划相关参数：

a、输送线模式特有的参数，包括：分段长度的取值范围和变化步长值、前伸长度；

b、第七轴模式特有的参数，包括：第七轴移动位移与总位移的百分比的取值范围和变化步长值、中间段避让区长度；

c、两种模式共同的参数，包括：工具号分配准则、梯形分割准则、最小基元阈值与线-面阈值、公共区域的范围及其宽度阈值、靠近锐边部分宽度、偏移量、喷涂顺序准则、喷枪角度的取值范围和变化步长值、摆枪范围、喷枪及枪架的尺寸参数和避免碰撞的避让距离；

第四部分是程序生成相关参数，包括：先验的工艺参数、机器人安全距离、喷涂间距interval、过渡部分的运行速度。

所述步骤B中第三部分的分段长度的取值范围和变化步长值，是输送线模式中用来控制规划迭代过程的变量。例如，当分段长度的取值范围为1000mm～1500mm、变化步长为100mm时，则在规划迭代过程中，分段长度将依次取值为1500、1400、1300、1200、1100和1000，单位是mm。

所述步骤B中第三部分的第七轴移动位移与总位移的百分比的取值范围和变化步长值，是第七轴模式中用来控制规划迭代过程的变量。例如，当第七轴移动位移与总位移的百分比的取值范围为60％～80％、变化步长为5％时，则在规划迭代过程中，此百分比将依次取值为80％、75％、70％、65％、60％。

所述步骤B中第三部分的工具号分配准则，是指按某种规则给每个平面区域分配一个喷涂工具号，例如按平面区域法向量所属的卦限来分配。一个三维空间有8个卦限。喷涂系统中有两台机器人，每台机器人有两个工具坐标系，则将这8个卦限均匀分配给每个工具坐标系，即每个工具坐标系负责2个卦限。例如，当一个平面区域的法向量属于第一卦限时，则由分割该平面区域而获得的所有喷涂基元都将由负责第一卦限的工具坐标系来处理。

所述步骤B中第三部分的喷枪角度的取值范围和变化步长值，是根据喷涂效果而设置的先验参数。所谓的喷枪角度，是指喷涂时喷枪轴线与所喷涂平面区域的法向量之间的夹角。例如，当喷枪角度的取值范围为0°～20°、变化步长为5°时，则喷枪角度可取为0°、5°、10°、15°、20°。

所述步骤B的第四部分中的先验的工艺参数包括：喷涂距离、喷涂速度、流量、雾化值、扇形角度值。

所述步骤C的网格模型，由两部分组成：第一部分包括工件、输送线及装夹装置，第二部分包括喷枪和枪架、机器人的第四、第五和第六关节臂。第二部分网格模型的生成，需要使用步骤B第三部分参数中的喷枪及枪架尺寸参数。

实际实施时，可使用计算机图形库相关函数，例如Eyeshot图形控件的函数ConvertToMesh()，生成相应的网格模型。为了提高计算效率，尽量用球体、圆柱体、圆锥体、长方体等简单三维几何体的组合来表示碰撞检测中涉及的物体。

所述步骤D生成几何基元列表的过程是：分析工件的三维实体模型，依据其表面几何信息和拓扑信息，得到由一系列平面区域所组成的一个列表，它表征工件的外轮廓；然后根据工具号分配准则和平面区域的姿态，为每个平面区域分配一个喷涂工具号；再依次将列表中的每一个平面区域分割为一系列的几何基元，即可得到几何基元列表。

所述步骤D的几何基元，其类型包括：梯形、平行四边形、三角形；如图5所示的平面连通域，它可被分割为八个几何基元，包括四个梯形类基元和四个平行四边形类基元。

所述步骤D的喷涂基元，其类型包括：线段、平行四边形、梯形、三角形。

所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括：

a、对梯形类几何基元的处理：依据步骤B中第三部分的梯形分割准则，将其转换为相应类型的喷涂基元；

所谓的梯形分割准则，即指定对梯形类几何基元的喷涂方式；如图6～图9所示，可以将梯形当作一个整体进行喷涂，也可以将梯形分割为一个平行四边形和一个三角形；当进行分割处理时，则对所获得的三角形又有三种处理方式，第一种是将该三角形补全为一个虚拟平行四边形，第二种是指定数条平行于三角形最大边长方向的喷涂路径，第三种是在三角形中指定一条样条曲线喷涂路径；

b、对平行四边形类几何基元的处理：依据步骤E中第三部分的最小基元阈值和线-面阈值参数，将其转换为相应类型的喷涂基元；

当平行四边形短边方向的高度值小于最小基元阈值时，该几何基元将被忽略；当高度值大于等于最小基元阈值但小于线-面阈值时，则该几何基元将被转换为线段类喷涂基元，即其喷涂路径为一条沿长度方向的中线；当高度值大于等于线-面阈值时，则该几何基元将被转换为平行四边形类喷涂基元；

c、对公共区域的处理：所谓的公共区域，是指两台机器人中的任一台都有可能可以完成其喷涂作业的区域；当公共区域的尺寸过大，则由单台机器人独自来完成其喷涂很可能出现奇异点或者接近奇异姿态的问题；

首先依据公共区域的范围参数来判断某个几何基元是否属于公共区域。如果其属于公共区域，则将该基元的短边方向高度值与公共区域宽度阈值进行对比，如果高度值小于宽度阈值，则不对该基元进行分割处理。如果高度值大于等于高度阈值，则将该基元分割为两个喷涂基元，并分配给对应的机器人进行喷涂作业；

d、对锐边邻接区域的处理：考虑到所处理的工件表面模型为正则的流形曲面模型，其中每条边有且仅有两个父面；所谓的锐边，是指由该边及其两个父平面所定义的二面角小于π；

考虑到算法的效率，锐边检测过程如图11所示；待检测边为E_test，找到E_test的中点P_em，在父平面1内，找出过点P_em且垂直于边E_test的直线L_p，在直线L_p上找到距离点P_em为面1宽度值一半的两个点P_pm和P₂，找出过点P_pm的面1的法线N_pm。在法线N_pm上找到距离点P_pm为10mm的点P₁；连接点P₁和P₂，得到直线L_test；检测L_test与父平面2是否有交点；为保证算法的稳定性，将上述检测过程中面1和面2的角色对调，重复一遍上述检测过程；若在这两个检测过程中发现交点，则边E_test为锐边，否则，边E_test为非锐边；

对锐边邻接区域的处理，如图12所示：当锐边的父平面的宽度值小于等于步骤B中第三部分的靠近锐边部分宽度参数值时，认为喷枪对着锐边喷涂时已经覆盖了其邻接区域，因此将锐边邻接区域从几何基元列表中移除，且在喷涂基元列表中添加一个线段型基元；当锐边的父平面的宽度值大于靠近锐边部分宽度参数值时，将每个父平面分割为两部分，即将父平面1分割为面1靠近锐边部分和面1单独喷涂部分，将父平面2分割为面2靠近锐边部分和面2单独喷涂部分，面1靠近锐边部分和面2靠近锐边部分由喷枪对着锐边一次喷涂完成，面1单独喷涂部分和面2单独喷涂部分则分别进行独立喷涂作业；

e、基于偏移量的修正处理：步骤B中第三部分的偏移量，是喷涂效果的控制参数；偏移量可正可负，若偏移方向指向平面内部，则偏移量为正，反之则为负；如图13和图14所示，有两种类型的偏移，即沿短边方向的偏移和沿长边方向的偏移。

所述步骤E对各喷涂基元进行路径规划时，首先需要对喷涂基元列表进行排序操作：根据步骤B第三部分设定的喷涂顺序准则，对列表中的喷涂基元进行排序操作。

所述步骤E的路径规划，其步骤为：a、若为输送线模式，则在步骤B所设定的取值范围内，为分段长度选择初值；若为第七轴模式，则在步骤B所设定的取值范围内，为第七轴移动位移与总位移百分比选择初值；所述初值通常取最大值；

b、在步骤B所设定的取值范围内，选取喷枪角度初值，通常初选0°，并根据步骤B中设定的摆枪参数，由函数R2E()将选定的喷枪角度转换为三个欧拉角，即姿态坐标，从而得到该喷涂基元各个关键点的喷涂位姿(x_p,y_p,z_p,a_p,b_p,c_p)_i，1≤i≤N，N为关键点的数量；此六维坐标是在基坐标系F_b1或F_b2中度量的；若为输送线模式，还将获得对应的工件整体位移坐标；若为第七轴模式，还将获得对应的第七轴位移坐标；

c、由每个路径关键点的六维坐标(x_p,y_p,z_p,a_p,b_p,c_p)，喷涂距离Ds和所用的工具坐标系F_t(x_t,y_t,z_t,a_t,b_t,c_t)，使用空间解析几何学方法，计算出枪尖点的位姿六维坐标(x_g,y_g,z_g,a_g,b_g,c_g)和第六轴末端法兰中心点的位姿六维坐标(x₆,y₆,z₆,a₆,b₆,c₆)。再利用机器人逆运动学算法，计算出机器人关节空间的六维坐标(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅,J₆)；

d、关节角度超限检测：检查(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅)是否超出步骤B中设定的限制区间，若J₁～J₅超限，则首先尝试跳到步骤b中为喷枪角度选取新值，若已超出喷枪角度的取值范围则跳到步骤a中为分段长度或者位移百分比选取新值；若J₁～J₅没超限，则直接执行下一步；

e、笛卡尔空间z向超限检测：检查此时的机器人第六轴末端点的z坐标z₆，是否超出步骤B中设定的限制区间：如果z6超限，则使枪尖点位置坐标(x_g,y_g,z_g)保持不变，使喷枪绕该点进行旋转，直至z₆不超限，计算出微调后的枪尖点姿态坐标(a'_g,b'_g,c')，再计算出微调后的第六轴法兰中心点(x'₆,y'₆,z'₆,a'₆,b'₆,c'₆)，以及微调后的关节空间坐标(J'₁,J'₂,J'₃,J'₄,J'₅,J'₆)。如果z₆不超限，则直接执行下一步。

f、绕管检测：检查J₆或者J'₆是否超出步骤B中设置的限定区间，若超限，表明存在绕管风险，则根据J₆或者J'₆与限制区间的关系添加过渡点，然后继续执行下一步；若没超限，则直接执行下一步；

生成避免绕管过渡点的过程是：假定步骤B中设定的J₆限制区间为－360°～+360°；如果喷涂路径上点P对应的J₆小于－360°，则在点P附近增加一个过渡点，使其绕机器人第六轴正向旋转一周，即增加360°；如果点P对应的J₆大于360°，则在点P附近增加一个过渡点，使其绕机器人第六轴反向旋转一周，即减小360°。

g、碰撞检测：依据此时枪尖点和第六轴末端点的位姿坐标，将步骤C中生成的两部分网格模型布置到世界坐标系F_w中，检查这两部分之间是否发生碰撞；如果发生碰撞，则根据碰撞发生时工件与喷枪之间的相对位置姿态关系和步骤B中避让距离参数，在喷涂路径中添加两个避让点，然后执行下一步；若没有碰撞，则直接执行下一步。

所述步骤E中得到完整喷涂路径之后，如果该路径过于散乱，则可以扩大对机器人第六轴的角度限制，即根据需要增大上限或者减小下限，则可防止因避免绕管而增加太多的过渡点，从而可生成更顺畅的喷涂路径。

所述步骤H的细节路径规划，对于平行四边形类喷涂基元，其具体过程为：如图15～17所示，假设平行四边形喷涂基元的短边方向高度为height，步骤B中喷涂间距参数为interval，喷涂该基元时喷枪的开启次数表示为num_pass，令n＝height/interval：

当0<n<1.5时，num_pass＝2；

当1.5≤n<2.5时，num_pass＝3；

当2.5≤n<3.5时，num_pass＝4。

所述步骤H按照制定的规范自动生成最终的喷涂程序，其具体过程为：

a、对于输送线模式，将每次输送线停止时机器人所执行的喷涂指令放到一个子程序段中；进一步，在每个子程序段中，将其中使用工具坐标系F_t1的喷涂指令作为上半段，将其中使用工具坐标系F_t2的喷涂指令作为下半段，且在这上、下半段中间插入一个输出控制信号指令，用来控制喷枪装置中摆动气缸的动作，以获得正确的工具坐标系；最后按照csv文件或bin文件格式保存此喷涂程序，所输出的喷涂程序可直接发送或者拷贝到喷涂机器人的运动控制器中运行；

b、对于第七轴模式，在每条机器人喷涂指令中，除了记录常规的信息之外，还需要记录其线性附加轴的坐标；整个喷涂程序同样分为一系列的子程序段，将工件在长度方向上分段，喷涂每个工件子段的喷涂指令集合即为一个子程序段；每个子程序段的结构与输送线模式完全相同，其中对摆动气缸的控制也完全相同；最后同样以csv文件或者bin文件保存整个喷涂程序。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其具体步骤如下：

A、模式选择：选择喷涂系统的布置模式为输送线模式或者第七轴模式；

B、建立坐标系并导入机器人模型、工件模型及设定参数；

C、生成用于碰撞检测的网格模型；

D、生成几何基元列表并转换为喷涂基元列表；

E、对各喷涂基元进行路径规划，生成工件的完整喷涂路径；

F、机器人关节臂运动规划：根据喷涂路径以及机器人工作速度和加速度信息，给出机器人六个关节臂的速度曲线和加速度曲线；

G、检查关节臂的速度和加速度是否超限：检查机器人关节空间的速度、加速度是否超限，若超限则计算出超限因子，并据此减小笛卡尔移动速度和加速度、旋转速度和加速度；

H、细节路径规划并生成喷涂程序：根据高度值height与喷涂间距参数interval之间的相对大小关系，进行细节路径规划并按照制定的规范自动生成最终的喷涂程序，整个规划过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤A的输送线模式，由输送线带着工件移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动；

所述步骤A的第七轴模式，由线性附加轴带着机器人移动来实现工件整体与机器人之间的平移运动。

3.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤B中设定参数的第一部分是机器人工作参数；

第二部分是其它设备的工作参数；

第三部分是路径规划相关参数；

第四部分是程序生成相关参数。

4.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对梯形类几何基元的处理：依据梯形分割准则，将其转换为相应类型的喷涂基元。

5.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对平行四边形类几何基元的处理：依据最小基元阈值和线-面阈值参数，将其转换为相应类型的喷涂基元。

6.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对公共区域的处理：依据公共区域识别及其宽度阈值参数，将属于公共区域的几何基元转换为相应类型的喷涂基元，并分配给对应的机器人。

7.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括对锐边邻接区域的处理：依据锐边识别及靠近锐边部分宽度参数，将锐边邻接区域转换为相应类型的喷涂基元。

8.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤D中将几何基元转换为喷涂基元的处理操作，包括基于偏移量的修正处理：依据偏移量参数，对梯形类、平行四边形类几何基元进行修正处理，以控制其喷涂效果。

9.根据权利要求1所述的一种钢结构机器人喷涂自动路径规划方法，其特征在于：所述步骤E中的步骤为a、为分段长度或者位移百分比选择初值，所述初值通常取最大值；

b、选取喷枪角度初值，通常初选0°，通过函数R2E()将选定的喷枪角度转换为三个欧拉角，即姿态坐标，并获得对应的工件整体位移坐标或第七轴位移坐标；

c、根据路径点位姿坐标，使用空间解析几何方法和机器人逆运动学算法，计算出机器人关节空间的六维坐标(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅,J₆)；

d、关节角度超限检测：检查(J₁,J₂,J₃,J₄,J₅)是否超出步骤B中设定的限制区间，若J₁～J₅超限，则首先尝试跳到步骤b中为喷枪角度选取新值，若已超出喷枪角度的取值范围则跳到步骤a中为分段长度或者位移百分比选取新值；若J₁～J₅没超限，则直接执行下一步；

e、笛卡尔空间z向超限检测：检查此时的机器人第六轴末端点的z坐标z₆是否超出设定的限制区间并进行调整；

f、绕管检测：检查J₆是否超出步骤B中设定的限制区间，如超限则根据J₆与限制区间的关系添加过渡点；

g、碰撞检测：依据枪尖点和第六轴末端点的位姿坐标检查是否发生碰撞；如果有碰撞现象则根据碰撞发生时工件与喷枪之间的相对位置姿态关系，在喷涂路径中添加两个避让点。