CN110238846B

CN110238846B - 基于cad模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法及系统

Info

Publication number: CN110238846B
Application number: CN201910431656.1A
Authority: CN
Inventors: 陶波; 石颖; 龚泽宇; 李可怡; 顾振峰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: CN110238846A

Abstract

本发明公开了一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法及系统，属于工业机器人相关技术领域，方法包括：求解涵盖待加工工件上待加工区域的CAD模型的包容盒，获得待加工工件尺寸范围；在该尺寸范围内对上述CAD模型进行切片处理得到各单条轨迹线；根据机器人的工作空间将各条轨迹线离散为独立的工作点；将各条轨迹线上相邻工作点之间离散为行驶轨迹点；利用贪心法获取连贯的加工轨迹。并提供了相应的系统。本发明利用工件CAD模型和爬壁机器人的工作空间，离线自动生成机器人的加工轨迹，由此解决现有机器人加工轨迹规划方法依赖在线人工干预，加工柔性差，对操作人员要求高的技术问题。

Description

基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法及系统

技术领域

本发明属于工业机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法及系统。

背景技术

工业生产中有很多恶劣工况，例如打磨、喷涂，工人在这种工况下工作，身体健康会受到极大地伤害。机器人的出现可以将工人从恶劣环境解放出来，同时还能极大地提高作业效率和加工质量。爬壁机器人作为机器人领域的重要分支，相比于工业机械臂可以在特种环境下进行作业。

机器人加工需要提前设定好机器人的加工轨迹，目前工业上广泛采用的示教编程，示教编程操作简单，但是加工柔性差，一旦需求变更需要重新编程，效率低，同时对操作人员要求高，编程质量受操作员的影响。目前市面上已有一些离线轨迹规划方法，但主要针对工业机械臂，而作为机器人领域的重要分支，爬壁机器人，却没有成熟的轨迹规划方法。

因此，针对爬壁机器人的工作特点，有必要开发一种基于CAD模型的爬壁机器人离线轨迹规划方法及系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法及系统，其目的在于，利用工件CAD模型和爬壁机器人的工作空间，离线自动生成机器人的加工轨迹，由此解决现有机器人加工轨迹规划方法依赖在线人工干预，加工柔性差，对操作人员要求高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)求解涵盖待加工工件上待加工区域的CAD模型的包容盒，获得待加工工件尺寸范围；

(S2)按照设定的切片间距d在步骤(S1)得到的尺寸范围内对所述CAD模型进行切片，每次切片得到的工件轮廓线框为单条轨迹线；根据选定的机器人的工作空间获得单条轨迹线上相邻工作点之间的距离s；所述工作空间是指机器人单次停留所能覆盖的加工区域；所述工作点是指机器人进行加工时所停留的位置点；

(S3)按照步骤(S2)得到的相邻工作点之间的距离s，在步骤(S2)得到的每单条轨迹线上等距离s取点，将各条轨迹线离散为独立的工作点；

(S4)将各条轨迹线上相邻的工作点之间离散为行驶轨迹点，所述行驶轨迹点用于使机器人工作时沿该些行驶轨迹点依次从当前工作点行驶至下一个工作点；

(S5)利用贪心法找到相邻的下一条轨迹线上距离其相邻的上一条轨迹线上的末尾行驶轨迹点行驶距离最近的首发轨迹点，依次将找出的相邻的下一条轨迹线上的首发轨迹点和其相邻的上一条轨迹线上的末尾行驶轨迹点相连，得到待加工工件上待加工区域内的一条连贯的由行驶轨迹点构成的行驶轨迹。

优选地，步骤(S2)中所述切片间距d根据机器人的工作空间确定。

优选地，根据选定的机器人不同其工作空间不同，所述工作空间为正六边形、矩形或圆形区域。

优选地，选定的机器人工作空间为正六边形区域，记所述正六边形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，则所述设定的切片间距d＝2L-δ，所述相邻工作点之间的距离

优选地，选定的机器人工作空间为矩形区域，记所述矩形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，则所述设定的切片间距d＝L-δ，所述相邻工作点之间的距离s＝L-δ。

优选地，选定的机器人工作空间为圆形区域，记所述圆形的半径为R，加工时相邻的工作空间重叠的区域最宽处宽度为δ，则所述设定的切片间距

所述相邻工作点之间的距离s＝2R-δ。

按照本发明的另一个方面，还提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划系统，其特征在于，包括：

工件尺寸范围获取模块，用于求解涵盖待加工工件上待加工区域的CAD模型的包容盒，获得待加工工件尺寸范围；

切片模块，用于按照设定的切片间距d在所述工件尺寸范围获取模块获得的尺寸范围内对所述CAD模型进行切片，每次切片得到的工件轮廓线框为单条轨迹线；根据选定的机器人的工作空间获得单条轨迹线上相邻工作点之间的距离s；所述工作空间是指机器人单次停留所能覆盖的加工区域；所述工作点是指机器人进行加工时所停留的位置点；

工作点离散模块，用于按照所述切片模块得到的相邻工作点之间的距离s，在所述切片模块得到的每单条轨迹线上等距离s取点，将各条轨迹线离散为独立的工作点；

行驶轨迹点离散模块，用于将各条轨迹线上相邻的工作点之间离散为行驶轨迹点，所述行驶轨迹点用于使机器人工作时沿该些行驶轨迹点依次从当前工作点行驶至下一个工作点；

行驶轨迹获取模块，用于利用贪心法找到相邻的下一条轨迹线上距离其相邻的上一条轨迹线上的末尾行驶轨迹点行驶距离最近的首发轨迹点，依次将找出的相邻的下一条轨迹线上的首发轨迹点和其相邻的上一条轨迹线上的末尾行驶轨迹点相连，得到待加工工件上待加工区域内的一条连贯的由行驶轨迹点构成的行驶轨迹。

优选地，上述系统中根据选定的机器人不同其工作空间不同，所述工作空间为正六边形、矩形或圆形区域。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的方法和系统利用包容盒获得待加工尺寸范围，利用切片法每次切片的工件轮廓线得到单条轨迹线，根据机器人工作空间获取相邻工作点之间距离，利用该距离将轨迹线离散为独立工作点，再将相邻工作点之间离散为机器人行驶轨迹点，进一步地利用贪心法将相邻的轨迹线首尾连接，得到行驶轨迹点构成的最优行驶轨迹；本发明生成机器人轨迹的过程无需人工干预，是一种全自动的方法，这样不仅减少了操作者的工作量，而且相对于传统的遥控式操作爬壁机器人，也避免了由于操作者技术引起的加工质量不均。可以实现爬壁机器人的自动运行，大大提高了爬壁机器人的应用效率。

2.本发明生成机器人轨迹的过程是离线进行的，无需机器人停止作业，不影响实际加工过程，且轨迹生成过程自动化程度高，对操作者水平要求低，提高了生产效率，降低了使用难度。

3.本发明可根据不同的爬壁机器人工作空间的要求进行适配，使用范围广。

4.本发明可根据工件模型自动成复杂工件的加工轨迹，获得的轨迹精度高，从而保证良好的加工质量。

附图说明

图1是本发明提供的基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法流程示意图；

图2是本发明实施例1中机器人结构和工作空间示意图；

图3是本发明实施例1中涵盖待加工工件上待加工区域的CAD模型的包容盒示意图；

图4是本发明实施例1中对工件切片示意图；

图5是本发明实施例1中机器人工作空间和行驶轨迹示意图；

图6是本发明实施例2中机器人工作空间和行驶轨迹示意图；

图7是本发明实施例3中机器人工作空间和行驶轨迹示意图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、工作空间；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，包括如下步骤：

不同的爬壁机器人的所能覆盖的加工范围不同，因此需要对爬壁机器人进行工作空间分析，爬壁机器人的工作空间直接影响轨迹生成，具体地，直接影响轨迹间距L和工作点距离s这2个关键参数。根据爬壁机器人的工作空间和定位精度，确定轨迹规划的轨迹间距L和工作点距离s。

切片间距d根据机器人的工作空间确定。根据选定的机器人不同其工作空间不同，工作空间有正六边形、矩形或圆形区域，但不局限于这几种类型的区域，实际使用中选用不同工作区域的机器人都可以适用于本发明提供的方法和系统。

以下结合附图和实例分别对工作空间为正六边形、矩形和圆形区域曲面吸附机器人加工轨迹规划方法和系统进行详细的说明。其他工作空间类型的机器人的加工轨迹规划方法依据本发明方法可以类推，在此不一一详述。

实施例1：

如图2所示为工作空间1为正六边形区域的机器人，针对该种类型的机器人，本实施例提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，包括如下步骤：

(S1)求解涵盖待加工工件上待加工区域的CAD模型的包容盒，获得待加工工件尺寸范围；包容盒示意图如图3所示，其包覆待加工工件上的待加工区域，包容盒内部的区域即为待加工工件尺寸范围。

(S2)按照设定的切片间距d在步骤(S1)得到的尺寸范围内对所述CAD模型进行切片，切片示意图如图4所示，每次切片得到的工件轮廓线框为单条轨迹线；根据选定的机器人的工作空间获得单条轨迹线上相邻工作点之间的距离s；所述工作空间是指机器人单次停留所能覆盖的加工区域；所述工作点是指机器人进行加工时所停留的位置点；

如图5所示，机器人工作空间为正六边形区域，记正六边形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，如需要规划的轨迹覆盖整个待加工表面，则设定的切片间距d＝2L-δ，相邻工作点之间的距离

实施例2：

针对工作空间为矩形区域的机器人，本实施例提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，包括如下步骤：

如图6所示，机器人工作空间为矩形区域，记矩形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，如需要规划的轨迹覆盖整个待加工表面，则设定的切片间距d＝L-δ，相邻工作点之间的距离s＝L-δ。

实施例3：

针对工作空间为圆形区域的机器人，本实施例提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，包括如下步骤：

如图7所示，机器人工作空间为圆形区域，记圆形的半径为R，加工时相邻的工作空间重叠的区域最宽处宽度为δ，如需要规划的轨迹覆盖整个待加工表面，则设定的切片间距

相邻工作点之间的距离s＝2R-δ。

实施例4：

本实施例提供一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划系统，包括：

切片模块，用于按照设定的切片间距d在工件尺寸范围获取模块获得的尺寸范围内对CAD模型进行切片，每次切片得到的工件轮廓线框为单条轨迹线；根据选定的机器人的工作空间获得单条轨迹线上相邻工作点之间的距离s；工作空间是指机器人单次停留所能覆盖的加工区域；工作点是指机器人进行加工时所停留的位置点；

工作点离散模块，用于按照切片模块得到的相邻工作点之间的距离s，在切片模块得到的每单条轨迹线上等距离s取点，将各条轨迹线离散为独立的工作点；

行驶轨迹点离散模块，用于将各条轨迹线上相邻的工作点之间离散为行驶轨迹点，行驶轨迹点用于使机器人工作时沿该些行驶轨迹点依次从当前工作点行驶至下一个工作点；

该系统适用于不同类型工作空间的爬壁机器人，工作空间类型包括正六边形、矩形、圆形区域，以及其他各种类型。

本发明中的贪心法是指，在生成轨迹的末端，计算下一条轨迹上的点与当前点的距离，选取距离最短的点作为下一条轨迹的起点，两点计算出轨迹线，作为两条轨迹的连接轨迹。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

选定的机器人的工作空间为正六边形区域时，记所述正六边形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，则所述设定的切片间距d＝2L-δ，所述相邻工作点之间的距离

选定的机器人工作空间为矩形区域时，记所述矩形的边长为L，加工时相邻的工作空间重叠的区域宽度为δ，则所述设定的切片间距d＝L-δ，所述相邻工作点之间的距离s＝L-δ；

选定的机器人工作空间为圆形区域时，记所述圆形的半径为R，加工时相邻的工作空间重叠的区域最宽处宽度为δ，则所述设定的切片间距

所述相邻工作点之间的距离s＝2R-δ；

2.根据权利要求1所述的一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划方法，其特征在于，步骤(S2)中所述切片间距d根据机器人的工作空间确定。

3.一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划系统，其特征在于，包括：

所述相邻工作点之间的距离s＝2R-δ；

4.根据权利要求3所述的一种基于CAD模型的曲面吸附机器人加工轨迹规划系统，其特征在于，根据选定的机器人不同其工作空间不同，所述工作空间为正六边形、矩形或圆形区域。