CN117086903A - 一种机器人智能化喷涂示教系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对喷涂机器人技术领域，具体为一种机器人喷涂智能示教系统及其控制方法，其中控制方法包括：获取智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，以及获取基于红外定位系统的第一工件坐标系；在示教作业过程中，根据第一定位追踪器获取所述喷枪的末端在所述喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹和喷枪的开关数据；将第一运动轨迹转化为所述第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据开关数据和第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将预设喷涂程序发送给喷涂机器人；喷涂机器人根据预设喷涂程序进行喷涂示教。本发明的技术方案能够解决现有技术中不便于获取示教系统的喷涂程序的问题。

Description

一种机器人智能化喷涂示教系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及喷涂机器人技术领域，特别是涉及一种机器人喷涂智能示教系统及其控制方法。

背景技术

近年来，由于喷涂工作环境恶劣且对人体有着严重的伤害作用，企业很难招到员工进行喷涂作业，因此企业对喷涂机器人替代人工喷涂的需求越发迫切。同时，喷涂机器人由于其优良的重复精度、喷涂一致性好和涂料利用率高等优点，越来越多的企业采购并使用喷涂机器人。但是，影响喷涂机器人大范围使用的主要难题是喷涂机器人编程操作困难，对操作人员要求高。因此，简化喷涂机器人程序编程流程和难度，已经成为中小厂家最急迫的需求。

喷涂机器人示教器编程是应用最为广泛的一种方式，通常由操作人员在作业现场操作示教器控制机器人运动到达位置点并记录，通过设置喷涂作业中大量的关键路径点的姿态、设置喷涂开关信号，设置喷涂参数，完成示教编程，喷涂机器人示教编程需要操作者具备一定的机器人使用经验。虽然喷涂机器人都内置一些喷涂工艺包，简化了喷涂示教流程，但是只能应对喷涂表面较为规则的情况，在实际工作中，面对产品结构复杂、型号随时变换等的生产情况，喷涂工艺包的作用范围很有限。喷涂机器人示教器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在中小厂家的推广应用。

喷涂机器人拖动示教编程，需要机器人操作者直接拖动机器人末端工具即喷枪预演一次喷涂作业，机器人控制器实时记录拖动过程中机器人的位姿信息和喷涂工艺参数。完成一件产品的喷涂拖动示教作业后，利用机器人控制器记录的拖动过程数据即可再现喷涂过程。拖动示教的预演示教过程喷涂效果所见即所得，可立即生成机器人控制程序，特别适用于产品频繁变换的中小型企业喷涂生产环境。但是拖动示教需要机器人控制器要么具备拖动示教功能，要么需要安装昂贵的6轴力传感器，这些在现有的大多数喷涂机器人应用现场并不具备。同时，在拖动操作大型的喷涂机器人时，由于机器人的空间约束以及质量较大，并不方便实际编程。这些都大大影响了喷涂机器人拖动示教编程的推广和应用。

喷涂机器人离线编程，需要机器人操作者将工件三维图纸、机器人模型和喷枪模型导入离线编程软件。在离线编程软件上设置喷涂参数后，选取需要喷涂的面，由软件规划路径并校验，生成喷涂作业程序。喷涂机器人离线编程需要工厂购买昂贵的离线编程软件，操作人员具备较高的技术水平，工件的三维模型等，可以实现高效能的编程，比较适用于人员素质较高的大型项目。在产品频繁变换的中小型企业喷涂生产环境中，工厂一般没有离线编程软件，且产品的三维模型也很难拿到手，导致离线编程在中小型工厂的喷涂作业实际环境中并不适用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种智能化喷涂示教系统及其控制方法，用于解决现有技术中不便于获取示教系统的喷涂程序的问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供了一种机器人喷涂智能化示教系统，包括喷涂机器人和智能喷枪设备，其中所述智能喷枪设备包括喷涂示教控制器、喷枪和设置在所述喷枪上的第一定位追踪器；所述喷涂示教控制器用于：

获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，以及获取基于红外定位系统的第一工件坐标系；

在示教作业过程中，根据所述第一定位追踪器获取所述喷枪的末端在所述喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及所述喷枪的开关数据；

将所述第一运动轨迹转化为所述第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据所述开关数据和所述第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将所述预设喷涂程序发送给所述喷涂机器人；

所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教。

根据本发明的一个实施例，所述的获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，包括：

将所述喷枪的末端绕作业空间中的预设点进行多个角度的转动，并在转动过程中根据所述定位追踪器获取所述智能喷枪设备的位置信息；

根据所述位置信息计算所述喷枪的末端相对于所述定位追踪器的旋转矩阵，以得到所述喷枪工具坐标系。

根据本发明的一个实施例，所述示教系统还包括示教笔，所述获取基于红外定位系统的第一工件坐标系包括：

采用示教笔对多个预设点的坐标进行标定，以生成所述第一工件坐标系，其中多个所述预设点至少包括原点和各坐标轴的方向点。

根据本发明的一个实施例，所述示教笔包括笔身，所述笔身的一端设置有定位追踪器，所述笔身上设置有第一按钮面板。

根据本发明的一个实施例，所述的所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教，包括：

获取基于所述喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系，其中所述第二工件坐标系与所述第一工件坐标系相对应；

根据所述预设喷涂程序控制所述喷涂机器人的末端在所述第二工件坐标系中按照所述第二运动轨迹进行喷涂示教。

根据本发明的一个实施例，所述的获取基于所述喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系，包括：

采用所述喷涂机器人的末端对多个预设点的坐标进行标定，以生成所述第二工件坐标系。

根据本发明的一个实施例，所述智能喷枪设备还包括支架，所述支架设置在所述喷枪上，所述喷涂示教控制器和/或所述定位追踪器设置在所述支架上。

根据本发明的一个实施例，所述定位追踪器连接有第二按钮面板，所述第二按钮面板固定在所述支架上。

根据本发明的一个实施例，所述支架上还设置有激光显示装置，所述激光显示装置用于显示所述喷枪的喷涂位置。

另一方面，本发明还提供了上述任一项实施例所述的喷涂智能化示教系统的控制方法，包括：

获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，以及获取基于红外定位系统的第一工件坐标系；

在示教作业过程中，根据所述定位追踪器获取所述喷枪的末端在所述喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及所述喷枪的开关数据；

将所述第一运动轨迹转化为所述第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据所述开关数据和所述第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将所述预设喷涂程序发送给所述喷涂机器人；

所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教。

本发明所提供的技术方案，在示教作业过程中根据定位追踪器获取喷枪的末端在喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及喷枪的开关数据；然后将第一运动轨迹转化为第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据开关数据和第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将预设喷涂程序发送给喷涂机器人；喷涂机器人根据预设喷涂程序进行喷涂示教。由于本发明所提供的技术方案，只需要根据示教作业即可得到用于控制喷涂机器人的预设喷涂程序，不需要进行人工编程，因此可以解决现有技术中不便于获取示教系统的喷涂程序的问题，达到提高用户体验的目的。

下面结合附图对本发明的智能化喷涂示教编程系统及编程方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中的喷涂示教设备的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中的示教笔的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中喷涂示教控制器意图；

图4为本发明的一个实施例的示教系统的控制方法的流程图；

图5为本发明的一个实施例示教系统的运行流程图；

图6为本发明的一个实施例中的一种示教系统的布置图；

图7为本发明的一个实施例中的另一种示教系统的布置图；

图中标记示意为：1-第一定位追踪器；2-第一按钮面板；3-连接线缆；4-喷枪；5-支架；6-化喷涂示教控制器；7-激光显示装置；8-示教笔；81-第二定位追踪器；82-第二按钮面板；83-笔身；84-尖头；21-显示面板；22-无线连接器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一个实施例提供了一种机器人喷涂智能化示教系统，该示教系统包括智能喷枪设备和智能喷涂示教笔，智能喷枪设备的结构如图1所示，包括第一定位追踪器1、第一按钮面板2、连接线缆3、喷枪4、智能化喷枪装置支架系统5、智能化喷涂示教控制器6和激光显示装置7。其中喷枪装置支架系统5具有多种连接接口，用于连接多个部件：智能化喷枪装置支架系统5上方中间部位连接有第一定位追踪器1，上方前端连接激光显示装置7，上方后部连接有智能化喷涂示教控制器6，下方连接有喷枪4，第二按钮面板2通过连接线缆3与第一定位追踪器1连接，同时根据实际情况粘贴到喷枪4上。上述激光显示装置7用于通过激光显示喷枪4的喷涂位置，第一定位追踪器1用于对智能喷枪设备进行定位，以获取智能喷枪设备的位置。

示教笔8如图2所示，包括第二定位追踪器81、第二按钮面板82、笔身83和笔尖84。示教笔8主要用于标定工件坐标系，并且在标定时，通过示教笔8末端的笔尖84精确对准待标定的位置，以对待标定的位置进行准确标定，同时通过第二按钮面板82上的按钮发出信号，以对标定操作进行记录。

如图3所示，喷涂示教控制器6设置有显示面板21，以及与第一定位追踪器1连接的无线连接器22。智能化喷涂示教控制器6通过自身的物理接口连接定位追踪器的无线连接器22，接收第一定位追踪器1所检测到的位置状态信息，以及第一按钮面板2的输入信息和输出信息，并在自身的显示面板21上显示。

在本实施例中，喷涂示教控制器6在使用时，可以独立放置，或者通过接口连接到智能喷涂示教设备上。喷涂示教控制器6具有内置的路径记录模块和路径优化模块计算生成喷涂机器人的预设喷涂程序，然后通过无线或者物理接口将生成的喷涂机器人的预设喷涂程序导出，并发送给喷涂机器人控制器进行运行。

如图4和图5所示，喷涂示教控制器6智能喷涂示教系统的控制方法的流程如下：

首先，获取智能喷枪设备的喷枪工具坐标系。本实施例中将喷枪4安装到智能喷枪系统框架并固定好后，在编程系统中设置进入喷枪标定模式，以生成喷枪工具坐标系。在本实施例中，喷枪工具坐标系与第一定位装置1所在的全局坐标系之间存在对应关系，两者之间可以通过预设转换矩阵进行转换。

其次，获取基于红外定位系统的第一工件坐标系。在本实施例中，首先获取第一工件坐标系与全局坐标系之间的转换矩阵，然后根据该转换矩阵和全局坐标系，得到在工件作业环境中标定红外系统下的第一工件坐标系。

再次，使用智能喷枪设备在工件范围内进行示教作业，并在示教作业的过程中，记录喷枪4末端的在喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹和喷枪的开关数据，其中开关数据不仅包括在第一运动轨迹的各位置上喷枪4和开关的开度信息，还包括通过第一定位追踪器1上IMU传感器检测到的喷枪4的姿态信息；然后将上述第一运动轨迹转换到第一工件坐标系的第二运动轨迹，即先根据喷枪工具坐标系与全局坐标系之间的预设转换矩阵得到第一运动轨迹在全局坐标系中的中间运动轨迹，再根据全局坐标系与第一工件坐标系之间的转换关系得到中间运动轨迹在第一工件坐标系中的运动轨迹，该运动轨迹即为第二运动轨迹；根据喷枪4末端在第一工件坐标系中的第二运动轨迹以及喷枪4的开关数据，生成对应的喷涂机器人的预设喷涂程序。

最后，将生成的预设喷涂程序导入喷涂机器人控制器，并采用该预设喷涂程序控制喷涂机器人运行，以进行喷涂示教。

本实施例中，在示教作业过程中根据定位追踪器获取喷枪的末端在喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及喷枪的开关数据；然后将第一运动轨迹转化为第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据开关数据和第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将预设喷涂程序发送给喷涂机器人；喷涂机器人根据预设喷涂程序进行喷涂示教。由于本实施例只需要根据示教作业即可得到用于控制喷涂机器人的预设喷涂程序，不需要进行人工编程，因此可以解决现有技术中不便于获取示教系统的喷涂程序的问题，达到提高用户体验的目的。

在本发明的一个实施例中，获取智能喷枪设备的喷枪工具坐标系的方法包括：在作业空间中找一个固定尖点作为第一预设点，将喷枪4的末端绕该第一预设点进行多角度转动，并在转动的过程中，记录在多个角度上第一定位追踪器1所得到喷枪4在全局坐标系中的全局坐标，以及喷枪4在喷枪工具坐标系中的局部坐标，然后通过标定算法生成喷枪4末端相对于喷枪设备上的第一定位追踪器1的旋转矩阵，从而得到喷枪工具坐标系与全局坐标系之间的转换关系。

在本发明的一个实施例中，获取基于喷涂机器人基座标系的工件坐标系的方法包括：在工件作业环境中选取三个第二预设点，分别为工件坐标系原点、X轴的方向点和Y轴方向点。然后使用示教笔8标定上述三个第二预设点的在全局坐标系中的坐标，即将示教笔8的笔尖84设置在各第二预设点处，并通过示教笔8上的第二定位追踪器81得到各第二预设点在全局坐标系中的坐标；最后根据该坐标得到生成基于红外定位系统的第一工件坐标系与全局坐标系之间的转换关系。

在本发明的一个实施例中，采用该预设喷涂程序控制喷涂机器人运行的方法包括：

首先，获取基于喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系，该第二工件坐标系与上述第一工件坐标系相对应；

然后，根据预设喷涂程序控制喷涂机器人的末端在第二工件坐标系按照第二运动轨迹进行喷涂示教，并在喷涂示教过程中，根据喷涂机器人的末端的位置控制喷枪的角度、开关参数等。

在本发明的一个实施例中，获取基于喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系的方法包括：控制喷涂机器人末端的喷枪尖点标定上述第二预设点，以得到各第二预设点在基于机器人基座标系的第二工件坐标系中的坐标，并根据该坐标得到第二工件坐标系与全局坐标系之间的转换关系。本实施例中不需要喷涂机器人的关节参数也不限制喷涂机器人的类型，只需喷涂机器人具备工件坐标系的标定功能。

在本发明的一个实施例中，智能喷涂示教设备所在的定位系统布置与实际的机器人作业空间不一致，如图6所示。在示教区域的对角线上分别布置定位基站A和定位基站B，定位基站A和定位基站B的高度大约为2.2-2.5米，水平相对距离为5米左右，减少操作人对激光的遮挡。由于智能喷涂示教设备所在的定位系统布置与实际的机器人作业空间不在一个区域，因此可以通过在异地编程示教的方式，实现远程编程示教，再发送给机器人现场的功能。

首先，在机器人作业空间中，标定机器人喷枪工具坐标系，用机器人喷枪工具标定工件坐标系。放置工件的桌子左上角为工件坐标系的原点，桌子的两条边为X轴方向和Y轴方向。后续使用该工件坐标系作为机器人喷涂程序的坐标系。

其次，在另一个空间的示教过程中，首先用示教笔8标记放置工件的桌子左上角为第一工件坐标系的原点，桌子的两条边为X轴方向和Y轴方向，标定好后，计算出第一工件坐标系原点在红外激光定位系统中的位姿。使用智能喷涂示教设备在工件表面进行喷涂示教作业，记录喷枪末端在追踪定位系统中的轨迹，并计算出该轨迹在工件坐标系的路径，结合IO信号，喷涂参数设置生成喷涂机器人预设喷涂程序。

最后，将机器人喷涂程序导入到喷涂机器人控制器中，设置对应的第二工件坐标系，进行测试运行，无误后开始正常运行。

本实施例中，智能喷涂示教设备所在的定位系统布置与实际的机器人作业空间一致，如图7所示。由于机器人对视线的阻挡，需要在示教区域的四个角，分别布置定位基站A、定位基站B、定位基站C和定位基站D，示教区域的空间范围在5m*5m,到7m*7m之间，保证定位精度的同时，四个定位器也保证了第一定位追踪器1和第二定位追踪器81能被有效追踪并记录轨迹。使用桌子的左上角以及两条边，标定第一工件坐标系和第二工件坐标系下的原点、X轴方向点和Y轴方向点。

本发明机器人智能化喷涂示教系统和控制方法通过使用基于红外激光定位技术的定位追踪系统，可以使用示教笔和智能喷涂示教设备进行简单高效的示教喷涂程序。该系统的操作简捷，示教流程简单便捷，对操作员的技能要求低。同时，该系统的成本低，示教精度高，示教速度快，可以广泛应用在中小厂家中。本发明的机器人智能化喷涂示教系统和控制方法具有很高的经济效益和社会效益。

在本发明的一个实施例中，还提供了上述任意一项实施例中的机器人喷涂智能化示教系统的控制方法，该控制方法包括：

首先，获取智能喷枪设备的喷枪工具坐标系。本实施例中将喷枪4安装到智能喷枪系统框架并固定好后，在编程系统中设置进入喷枪标定模式，以生成喷枪工具坐标系。在本实施例中，喷枪工具坐标系与第一定位装置1所在的全局坐标系之间存在对应关系，两者之间可以通过预设转换矩阵进行转换。

其次，获取基于红外定位系统的第一工件坐标系。在本实施例中，首先获取第一工件坐标系与全局坐标系之间的转换矩阵，然后根据该转换矩阵和全局坐标系，得到在工件作业环境中标定红外系统下的第一工件坐标系。

再次，使用智能喷枪设备在工件范围内进行示教作业，并在示教作业的过程中，记录喷枪末端的在喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹和喷枪的开关数据；然后将上述第一运动轨迹转换到第一工件坐标系的第二运动轨迹，即先根据喷枪工具坐标系与全局坐标系之间的预设转换矩阵得到第一运动轨迹在全局坐标系中的中间运动轨迹，再根据全局坐标系与第一工件坐标系之间的转换关系得到中间运动轨迹在第一工件坐标系中的运动轨迹，该运动轨迹即为第二运动轨迹；根据喷枪4末端在第一工件坐标系中的第二运动轨迹以及喷枪4的开关数据，生成对应的喷涂机器人的预设喷涂程序。

最后，将生成的预设喷涂程序导入喷涂机器人控制器，并采用该预设喷涂程序控制喷涂机器人运行，以进行喷涂示教。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，包括喷涂机器人和智能喷枪设备，其中所述智能喷枪设备包括喷涂示教控制器、喷枪和设置在所述喷枪上的第一定位追踪器；所述喷涂示教控制器用于：

获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，以及获取基于红外定位系统的第一工件坐标系；

在示教作业过程中，根据所述第一定位追踪器获取所述喷枪的末端在所述喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及所述喷枪的开关数据；

将所述第一运动轨迹转化为所述第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据所述开关数据和所述第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将所述预设喷涂程序发送给所述喷涂机器人；

所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教。

2.根据权利要求1所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述的获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，包括：

将所述喷枪的末端绕作业空间中的预设点进行多个角度的转动，并在转动过程中根据所述定位追踪器获取所述智能喷枪设备的位置信息；

根据所述位置信息计算所述喷枪的末端相对于所述定位追踪器的旋转矩阵，以得到所述喷枪工具坐标系。

3.根据权利要求1所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述示教系统还包括示教笔，所述获取基于红外定位系统的第一工件坐标系包括：

采用示教笔对多个预设点的坐标进行标定，以生成所述第一工件坐标系，其中多个所述预设点至少包括原点和各坐标轴的方向点。

4.根据权利要求3所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述示教笔包括笔身，所述笔身的一端设置有定位追踪器，所述笔身上设置有第一按钮面板。

5.根据权利要求1所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述的所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教，包括：

获取基于所述喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系，其中所述第二工件坐标系与所述第一工件坐标系相对应；

根据所述预设喷涂程序控制所述喷涂机器人的末端在所述第二工件坐标系中按照所述第二运动轨迹进行喷涂示教。

6.根据权利要求5所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述的获取基于所述喷涂机器人基坐标系的第二工件坐标系，包括：

采用所述喷涂机器人的末端对多个预设点的坐标进行标定，以生成所述第二工件坐标系。

7.根据权利要求1所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述智能喷枪设备还包括支架，所述支架设置在所述喷枪上，所述喷涂示教控制器和/或所述定位追踪器设置在所述支架上。

8.根据权利要求7所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述定位追踪器连接有第二按钮面板，所述第二按钮面板固定在所述支架上。

9.根据权利要求7所述的机器人喷涂智能化示教系统，其特征在于，

所述支架上还设置有激光显示装置，所述激光显示装置用于显示所述喷枪的喷涂位置。

10.一种权利要求1-9任一项所述的机器人喷涂智能化示教系统的控制方法，其特征在于，包括：

获取所述智能喷枪设备的喷枪工具坐标系，以及获取基于红外定位系统的第一工件坐标系；

在示教作业过程中，根据所述定位追踪器获取所述喷枪的末端在所述喷枪工具坐标系中的第一运动轨迹，以及所述喷枪的开关数据；

将所述第一运动轨迹转化为所述第一工件坐标系下的第二运动轨迹，根据所述开关数据和所述第二运动轨迹得到预设喷涂程序，并将所述预设喷涂程序发送给所述喷涂机器人；

所述喷涂机器人根据所述预设喷涂程序进行喷涂示教。