CN111347431B - 一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法和装置，方法中，利用安装在喷枪上的惯性测量单元IMU，记录喷涂过程中喷枪的位置和姿态，利用辅助传感器进行补偿。装置中，包括机器人，机器人末端安装有喷枪，喷枪上安装有激光接收点和IMU；涂料供给控制系统，包括流量计和压力计，喷枪连接，记录喷涂过程中的流量、压力等工艺参数；立体激光线阵，与激光接收点成套，用于测量喷枪的移动轨迹，作为辅助传感器消除积分所得位移数据的累积误差。上述数据均以时间分割采样的形式实时动态采集。本发明进一步降低操作者专业技能等级要求，且不但可以采用专用的手把手喷涂机器人，也可以采用通用喷涂工业机器人，使通用喷涂工业机器人示教编程简单化。

Description

一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法和装置

技术领域

本发明涉及喷涂机器人示教技术领域，更具体地，涉及一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法和装置。

背景技术

喷涂机器人，即携带喷枪对工件表面进行喷涂的机器人。由于其优良的重复精度、喷涂质量和效率，可有效降低喷涂环境对操作人员的危害，降低喷涂工职业病风险。随着中国传统产业的升级和人力成本的提高，喷涂机器人在涂装行业生产过程中的作用愈发强大。

目前，喷涂机器人示教方式主要为两种形式：一种是在远离机器人本体的计算机房，通过仿真技术建立虚拟喷涂作业场景对机器人进行示教编程，通常称之为离线示教；另一种是在真实作业场景直接面向机器人本体进行示教，称为直接示教。离线示教需要专用软件，对编程人员的要求较高，并且最终还是需要在现场完成示教标定，编程效率低。

直接示教可分为示教盒示教和手把手示教。

前者由操作人员在作业现场通过操作示教盒控制机器人运动，规划喷涂路径和喷枪姿态，记录喷涂作业中大量的特征点坐标、设置喷涂参数，完成示教编程。示教盒编程对操作者的专业性与工艺素质提出了较高的要求，面对结构复杂、型号多变、产品更新周期快的生产情况，编程效率低下无法满足产品的频繁变化，因此制约了喷涂机器人的推广应用，不能适应中小企业多品种产品频繁变换工件类型的生产。特别是连续喷涂流水线生产状况，如：高压静电喷涂吊挂生产线，工件相对机器人的位置随时间不断变化，手持示教盒编程难以动态捕捉大量示教特征点，对复杂产品无法现场编程。

手把手示教编程是由操作者直接牵引机器人末端工具(喷枪)预演一次喷涂作业，机器人控制器实时记录示教过程中机器人各关节坐标和喷涂工艺参数，完成一件产品的喷涂作业过程，同时示教预演结束。利用手把手示教所记录数据即可再现喷涂过程。手把手示教对操作人员要求低，普通喷涂工人经过简单操作培训即可升级为机器人操控人员，并且手把手示教的预演示教过程喷涂效果所见即所得，示教编程效率高，可不停线对连续运动的吊挂线上的工件进行预演示教，并立即获得机器人控制程序，特别适用于产品频繁变换的中小型企业喷涂生产。但由于示教过程需要拖拽机器人末端使其运动并按时间分割采样记录关节坐标数据，手把手示教需要使用专用机器人及控制器，手把手示教不能采用通用的工业机器人。此外，拖拽机器人末端的喷枪进行示教，由于关节约束和机器人总体惯量较大，造成示教操作不灵活，机器人难以获得最优的喷涂速度等运动参数，操作者体力消耗大，运动效率难以提高，不能适应一些快速和复杂的运动操作，这一问题成为了手把手示教技术推广应用的障碍。

对此，前人在手把手示教的基础上进行了改进和技术引入。

中国专利号：CN201810070780.5，名称：一种喷涂用机器人快速示教装置，该发明涉及一种喷涂机器人用示教装置，具体为：示教装置与对象机器人有一样的结构，采用质量轻的材料，附有自平衡结构、助力电机、末端示教按钮开关，等。然而，该方法具有一定的局限性：结构与对象一致，专用性太强；设备需要与对象成套购买，成本较高；电机产生的角度位移会带来偏差。

中国专利号：CN201910385953.7，名称：一种基于立体视觉的机器人快速示教方法，该发明公开了一种基于立体视觉的机器人快速示教方法，具体为：在机器人末端安装视觉图像采集装置，利用图像处理技术使末端在工作时对准工件。该方法的局限性体现在：图像处理模块占用了较多的计算资源；仍然需要拖拽机器。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法，提升示教编程的效率，使通用喷涂工业机器人示教编程简单化，并且示教喷涂效果所见即所得，减少了机器人控制程序的反复修改优化过程。

本发明的进一步目的是提供一种手持工具示教的机器人示教喷涂装置。

解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法，包括以下步骤：

S1：获取目标喷涂机器人的运动学参数{H}，根据{H}与参数变换规则，得到机器人位置和姿态(以下简称位姿)D在自身世界座标系O₁下的正运动学矩阵表达式

通过/>

建立从D到关节转角Θ的逆运动学映射f，使用矩阵变换M_f表示：

式中，R为根据机器人末端工具(喷枪)姿态的欧拉角与默认旋转顺序所得的三维姿态矩阵，P为机器人末端在O₁下的三维坐标向量；

S2：将惯性测量单元IMU、若干激光接收点固定于喷枪上，确定喷枪与IMU之间的位置关系；

S3：在机器人末端安装喷枪并确定其位置，建立以喷枪喷嘴为原点的工具坐标系；

S4：用机器人标定光栅线阵列组摆放位置、光束间距、立体激光线阵在O₁的坐标；其中光栅线阵列组为两两相对的光栅，所述光束为光栅发出，两个方向分别具有特定波长，所述光栅线阵列组至少两组，在空间中形成立体激光线阵，不同光栅线阵列组的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组的光束在空间中相互交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪的移动轨迹；

S5：IMU上电，操作机器人，使机器人运动到指定位置并停止，记录当前位姿P₀，打开示教模式，惯性测量单元IMU以及涂料供给控制系统的传感器采用时间分割法采样，周期为t₀，主控制计算机开始接收并记录IMU的采样输出的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力数据，以及同时刻的喷涂参数C，所有C组成{C}；

S6：工人拆下喷枪，使用喷枪进行手工喷涂作业，作业过程中，每当光栅探测到激光接收点与立体激光线阵触碰，记录触碰时间以及触碰位置的坐标P_t，所有P_t组成{P_t}；

S7：结束喷涂作业，将喷枪装回机器人末端，关闭示教模式，停止接收传感器的输出；

S8：主控制计算机结合惯性测量单元IMU输出数据、P₀和{P_t}进行批处理：计算手持示教过程中所有采样数据，利用各轴运动的加速度和角速度，通过滤波处理和数字积分，计算出喷枪在整个示教喷涂过程的位姿{D}，由{D}和M_f得到{Θ}；

S9：结合{Θ}和{C}，主控制计算机生成对应的机器人控制程序和涂料供给控制系统控制程序，并将控制程序传送给机器人控制器和涂料供给控制系统。

优选地，步骤S1中机器人运动学参数{H}选用D-H参数。

优选地，步骤S2中的惯性测量单元IMU包括三维加速度计、三维陀螺仪和三维磁力计算模块，其中，三维加速度计输出喷枪的三轴加速度，三维陀螺仪输出喷枪的三轴角速度，三维磁力计算模块输出喷枪的三轴磁力。

优选地，所述主控制计算机通过网络、工业现场总线及串行通讯协议与机器人控制器、涂料供给控制系统以及IMU、光栅线阵列组连接；示教时，所述主控制计算机接收IMU、激光接收点采样的信号，以及涂料供给控制系统采样的压力、流量等喷涂工艺参数数据；示教结束后，主控制计算机对上述IMU采样数据进行处理，并利用激光受点接收到的数据对积分计算得到的喷枪位姿数据累积误差进行修正补偿，获得整个示教过程中喷枪运动的位姿数据{D}。通过矩阵变换M_f获得机器人各关节坐标{Θ}；

优选地，所述惯性测量单元IMU利用无线蓝牙或WiFi或有线网络传输数据至主控制计算机。

优选地，所述激光接收点接收特定波长的光束，且一个接收点接收到其中一个方向的某光束照射后，光栅就会发出脉冲至主控制计算机。

优选地，当所述激光接收点接收到某个方向某束激光照射时，主控制计算机立即记录当前时间t和激光接收点当前坐标位置P_t，并得到一组由光栅线阵列组测量的示教时间-位置数据{t}和{P_t}；示教结束后主控制计算机利用这组标定数据与根据加速度数据计算得到的喷枪位姿数据{D}比较，可得到IMU采样计算的累计误差；主控制计算机利用线性插值法对累计误差进行补偿，修正IMU的采样计算误差，提高手持工具示教对喷枪位姿的采样精度。

优选地，所述激光接收点在喷枪上安装了四个，其中，两个安装在涂料喷出方向，另外两个安装喷枪枪身上，其连线方向垂直于另外两个的连线。

一种手持工具示教的机器人示教喷涂装置，所述装置应用上述所述的喷涂方法，包括：

机器人，所述机器人包括控制器，机器人末端安装有喷枪，喷枪上安装有激光接收点和惯性测量单元IMU；

主控制计算机，包括与机器人控制器通讯的网络，与IMU通讯的蓝牙模块，以及与涂料供给控制系统、激光线阵列通讯的工业现场总线；

涂料供给控制系统，包括流量计和压力计等(对高压静电粉末喷涂还有电压、出粉量等测量)，所述涂料供给控制系统与喷枪连接；

立体激光线阵，立体激光线阵包括至少两组光栅线阵列组，光栅线阵列组为两两相对的光栅，发出的光束具有特定波长，不同光栅线阵列组的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组的光束在空间中形成交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪的移动轨迹。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明引入惯性测量技术，促成了手持工具示教技术，利用立体激光线阵与激光接收点的配合，补偿惯性测量单元IMU对三维位置测量计算的累积误差，与传统普通手工喷涂作业几乎一样，示教操作灵活，可以获得较优的机器人运动参数。同时还保留了手把手拖拽机器人示教喷涂效果所见即所得，示教编程效率高，对操作者的素质要求低等优点，进一步降低操作者专业技能等级要求，一个传统的喷涂工人经过简单培训就可以成为喷涂机器人示教操作员，且不但可以采用专用的手把手喷涂机器人，也可以采用通用喷涂工业机器人，使通用喷涂工业机器人示教编程简单化。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的装置结构示意图。

图3为立体激光线阵结构示意图。

图4为喷枪上惯性测量单元IMU和激光接收点安装示意图。

图中，1为机器人，2为光栅组，3为吊挂线，4为版式工件，5为喷枪，6为涂料供给控制系统，7为流量计和压力计，8为主控制计算机，9为惯性测量单元IMU，10为激光接收点，11为机器人控制器，12为蓝牙模块，13为工业现场总线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法，如图1，包括以下步骤：

S1：获取目标喷涂机器人1的运动学参数{H}，根据{H}与参数变换规则，得到机器人1位姿D在自身世界座标系O₁下的正运动学矩阵表达式

通过/>

建立从D到关节转角Θ的逆运动学映射f，在本实施例中，机器人1的运动自由度为6，因此Θ＝[θ₁θ₂θ₃θ₄θ₅θ₆]，f使用矩阵变换M_f表示：

D由三维坐标和欧拉角组成，所述

中，R为根据机器人1末端工具的欧拉角与默认旋转顺序所得的三维姿态矩阵，P为机器人1末端在O₁下的三维坐标向量；

S2：将惯性测量单元IMU9、若干激光接收点固定于喷枪5上，确定喷枪5与IMU9之间的位置关系；

S3：在机器人1末端安装喷枪5并确定其位置，建立以喷枪5喷嘴为原点的工具坐标系；

S4：用机器人1标定光栅线阵列组2摆放位置、光束间距、立体激光线阵在O₁的坐标，其中光栅线阵列组2为两两相对的光栅，所述光束为光栅发出，具有特定波长，如图3，箭头方向为光束照射方向，画出了两组光栅线阵列组2的激光照射方向，所述光栅线阵列组2至少两组，在空间中形成立体激光线阵，不同光栅线阵列组2的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组2的光束在空间中相互交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪5的移动轨迹；

S5：IMU9上电，操作机器人1，使机器人1运动到指定位置并停止，记录当前位姿P₀，打开示教模式，惯性测量单元IMU9以及涂料供给控制系统6的传感器采用时间分割法采样，周期为t₀，主控制计算机8开始接收并记录IMU9的采样输出的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力数据，以及同时刻的喷涂参数C，所有C组成{C}；

S6：工人拆下喷枪5，使用喷枪5进行手工喷涂作业，作业过程中，每当光栅探测到激光接收点10与立体激光线阵触碰，记录触碰时间以及触碰位置的坐标P_t，所有P_t组成{P_t}；

S7：结束喷涂作业，将喷枪5装回机器人1末端，关闭示教模式，停止接收传感器的输出；

S8：主控制计算机8结合惯性测量单元IMU9输出数据、P₀和{P_t}进行批处理：计算手持示教过程中所有采样数据，利用各轴运动的加速度和角速度，通过滤波处理和数字积分，计算出喷枪5在整个示教喷涂过程的位姿{D}，由{D}和M_f得到{Θ}；

S9：结合{Θ}和{C}，主控制计算机8生成对应的机器人1控制程序和涂料供给控制系统6控制程序，并将控制程序传送给机器人控制器11和涂料供给控制系统6。

步骤S1中机器人1运动学参数{H}选用D-H参数。

步骤S2中的惯性测量单元IMU9包括三维加速度计、三维陀螺仪和三维磁力计算模块，其中，三维加速度计输出喷枪5的三轴加速度，三维陀螺仪输出喷枪5的三轴角速度，三维磁力计算模块输出喷枪5的三轴磁力。

所述主控制计算机8通过网络、工业现场总线13及串行通讯协议与机器人控制器11、涂料供给控制系统6以及IMU9、激光线阵列组2连接；示教时，所述主控制计算机8接收IMU9、激光接收点10采样的信号，以及涂料供给控制系统6采样的压力、流量等喷涂工艺参数数据；示教结束后，主控制计算机8对上述IMU9采样数据进行处理，并利用激光接收点10所接收到的数据对积分计算得到的喷枪5位姿数据累积误差进行修正补偿，获得整个示教过程中喷枪5运动的位姿数据{D}。通过矩阵变换M_f获得机器人1各关节坐标{Θ}；

所述惯性测量单元IMU9利用蓝牙模块12或WiFi或有线网络传输数据至主控制计算机8。

当所述激光接收点10接收到某个方向某束激光照射时，主控制计算机8立即记录当前时间t和激光接收点10当前坐标位置P_t，并得到一组由光栅线阵列组2测量的示教时间-位置数据{t}和{P_t}；示教结束后主控制计算机8利用这组标定数据与根据加速度数据计算得到的喷枪5位姿数据{D}比较，可得到IMU9采样计算的累计误差；主控制计算机8利用线性插值法对累计误差进行补偿，修正IMU9的采样计算误差，提高手持工具示教对喷枪5位姿的采样精度。

所述激光接收点10是一种传感器，当特定波长的光束照到了激光接收点10，传感器使光栅发出脉冲，此处要求一个激光接收点10受到一个方向的光线照射后立刻发出脉冲。当光栅发出脉冲后，系统接收并记录发出时间以及发出脉冲的光栅光束序号，从而遍历得到光束触碰位置的坐标。

所述激光接收点在喷枪5上安装了四个，其中，如图4，两个安装在涂料喷出方向，另外两个安装喷枪5枪身上，其连线方向垂直于另外两个的连线。

本实施例的应用场景为喷涂作业现场，以吊挂线3为例，喷涂对象为板式工件4。

由于映射变换M_f只对D产生作用，综上，本实施例S8和S9步骤所述过程可表示如下：

实施例2

本实施例提供一种手持工具示教的机器人1示教喷涂装置，所述装置应用实施例1所述的喷涂方法，如图2，包括：

机器人1，所述机器人1包括控制器8，机器人1末端安装有喷枪5，喷枪5上安装有激光接收点10和惯性测量单元IMU9；

主控制计算机8，包括与机器人控制器11通讯的网络，与IMU通讯的蓝牙模块12，以及与涂料供给控制系统6、激光线阵列组2通讯的工业现场总线13；

涂料供给控制系统6，包括流量计和压力计7等(对高压静电粉末喷涂还有电压、出粉量等测量)，所述涂料供给控制系统6与喷枪5连接；

立体激光线阵，立体激光线阵包括至少两组光栅线阵列组2，光栅线阵列组2为两两相对的光栅，发出的光束具有特定波长，不同光栅线阵列组2的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组2的光束在空间中形成交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪5的移动轨迹。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取目标喷涂机器人的运动学参数{H}，根据{H}与参数变换规则，得到机器人位姿D在自身世界坐标系O₁下的正运动学矩阵表达式

通过/>

建立从D到关节转角Θ的逆运动学映射f，使用矩阵变换M_f表示：

式中，R为根据机器人末端工具的欧拉角与默认旋转顺序所得的三维姿态矩阵，P为机器人末端在O₁下的三维坐标向量；

S2：将惯性测量单元IMU、若干激光接收点固定于喷枪上，确定喷枪与IMU之间的位置关系；

S3：在机器人末端安装喷枪并确定其位置，建立以喷枪喷嘴为原点的工具坐标系；

S4：用机器人标定光栅线阵列组摆放位置、光束间距、立体激光线阵在O₁的坐标；其中光栅线阵列组为两两相对的光栅，所述光束为光栅发出，两个方向分别具有特定波长，所述光栅线阵列组至少两组，在空间中形成立体激光线阵，不同光栅线阵列组的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组的光束在空间中相互交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪的移动轨迹；

S5：IMU上电，操作机器人，使机器人运动到指定位置并停止，记录当前位姿P₀，打开示教模式，惯性测量单元IMU以及涂料供给控制系统的传感器采用时间分割法采样，周期为t₀，主控制计算机开始接收并记录IMU的采样输出的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力数据，以及同时刻的喷涂参数C，所有C组成{C}；

S6：工人拆下喷枪，使用喷枪进行手工喷涂作业，作业过程中，每当光栅探测到激光接收点与立体激光线阵触碰，记录触碰时间以及触碰位置的坐标P_t，所有P_t组成{P_t}；

S7：结束喷涂作业，将喷枪装回机器人末端，关闭示教模式，停止接收传感器的输出；

S8：主控制计算机结合惯性测量单元IMU输出数据、P₀和{P_t}进行批处理：计算手持示教过程中所有采样数据，利用各轴运动的加速度和角速度，通过滤波处理和数字积分，计算出喷枪在整个示教喷涂过程的位姿{D}，由{D}和M_f得到{Θ}；

S9：结合{Θ}和{C}，主控制计算机生成对应的机器人控制程序和涂料供给控制系统控制程序，并将控制程序传送给机器人控制器和涂料供给控制系统。

2.根据权利要求1所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，步骤S1中机器人运动学参数{H}选用D-H参数。

3.根据权利要求1所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，步骤S2中的惯性测量单元IMU包括三维加速度计、三维陀螺仪和三维磁力计算模块，其中，三维加速度计输出喷枪的三轴加速度，三维陀螺仪输出喷枪的三轴角速度，三维磁力计算模块输出喷枪的三轴磁力。

4.根据权利要求1所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，所述主控制计算机通过网络、工业现场总线及串行通讯协议与机器人控制器、涂料供给控制系统以及IMU、光栅线阵列组连接；示教时，所述主控制计算机接收IMU、激光接收点采样的信号，以及涂料供给控制系统采样的包括压力、流量喷涂工艺的参数数据；示教结束后，主控制计算机对上述IMU采样数据进行处理，并利用激光接收点接收到的数据对积分计算得到的喷枪位姿数据累积误差进行修正补偿，获得整个示教过程中喷枪运动的位姿数据{D}，通过矩阵变换M_f获得机器人各关节坐标{Θ}。

5.根据权利要求3或4所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，所述惯性测量单元IMU利用无线蓝牙或WiFi或有线网络传输数据至主控制计算机。

6.根据权利要求1所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，所述激光接收点接收特定波长的光束，且一个接收点接收到其中一个方向的某光束照射后，光栅就会发出脉冲至主控制计算机。

7.根据权利要求1或6所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，当所述激光接收点接收到某个方向某束激光照射时，主控制计算机立即记录当前时间t和激光接收点当前坐标位置P_t，并得到一组由光栅线阵列组测量的示教时间-位置数据{t}和{P_t}；示教结束后主控制计算机利用这组标定数据与根据加速度计算得到的喷枪位姿数据{D}比较，可得到IMU采样计算的累计误差；主控制计算机利用线性插值法对累计误差进行补偿，修正IMU的采样计算误差，提高手持工具示教对喷枪位姿的采样精度。

8.根据权利要求7所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，其特征在于，所述激光接收点在喷枪上安装了四个，其中，两个安装在涂料喷出方向，另外两个安装喷枪枪身上，其连线方向垂直于另外两个的连线。

9.一种手持工具示教的机器人示教喷涂装置，其特征在于，所述装置应用权利要求1至8任一项所述的手持工具示教的机器人示教喷涂方法，包括：

机器人，所述机器人包括控制器，机器人末端安装有喷枪，喷枪上安装有激光接收点和惯性测量单元IMU；

主控制计算机，包括与机器人控制器通讯的网络，与IMU通讯的蓝牙模块，以及与涂料供给控制系统、光栅线阵列组通讯的工业现场总线；

涂料供给控制系统，包括流量计和压力计，对高压静电粉末喷涂还有电压、出粉量的测量，所述涂料供给控制系统与喷枪连接；

立体激光线阵，立体激光线阵包括至少两组光栅线阵列组，光栅线阵列组为两两相对的光栅，发出的光束具有特定波长，不同光栅线阵列组的光束在空间中互相垂直，不同光栅线阵列组的光束在空间中形成交错，所述立体激光线阵用于测量喷枪的移动轨迹。

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