一種大型自由曲面的噴涂機器人站位規(guī)劃方法
【專利摘要】一種大型自由曲面的噴涂機器人站位規(guī)劃方法，及機器人噴涂【技術(shù)領域】。該方法首先采用噴槍軌跡規(guī)劃方法，完成對大型自由曲面分塊和噴槍軌跡規(guī)劃，然后在指定的站位搜索圓錐母線上，選出在噴涂機器人和三維移動平臺的工作空間內(nèi)的點，利用機器人學理論解出噴涂運動中的關節(jié)角和關節(jié)角速度對該點進行可行性檢驗，再利用三維造型軟件的運動仿真功能進行碰撞干涉檢查，最終找到所有自由曲面塊對應的可行站位。本發(fā)明能實現(xiàn)對大型自由曲面中的多個自由曲面塊批量進行站位規(guī)劃，計算速度快，自動化程度高。
【專利說明】-種大型自由曲面的噴涂機器人站位規(guī)劃方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人噴涂【技術(shù)領域】，特別涉及大型自由曲面的噴涂機器人的站位規(guī) 劃方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 機器人自動噴涂系統(tǒng)具有可重復性好、便于調(diào)控、噴裝質(zhì)量穩(wěn)定和工作效率高等 優(yōu)點，在各類產(chǎn)品的涂裝作業(yè)中得到廣泛應用。對小型產(chǎn)品進行涂裝作業(yè)的噴涂機器人采 用固定基座的安裝方式，因此對噴涂機器人進行離線噴涂規(guī)劃的核也是解決噴槍軌跡規(guī)劃 問題。而對于飛機、船舶等具有大型自由曲面外表的產(chǎn)品，一臺采用固定基座安裝方式的噴 涂機器人只能覆蓋很小的一部分待涂裝區(qū)域，同時該類產(chǎn)品還具有重量大不易移動和定位 的特點。雖然可W通過增加噴涂機器人的數(shù)量來覆蓋更多區(qū)域，但數(shù)量增加會帶來成本增 加和管理困難的問題，所W需要將噴涂機器人的基座安裝于大行程的可移動平臺上，W擴 展單臺噴涂機器人的工作空間。對于基座安裝于可移動平臺上的噴涂機器人，離線噴涂規(guī) 劃不僅要完成噴槍軌跡規(guī)劃，還需要進行站位規(guī)劃，即對不同的自由曲面塊進行噴涂時噴 涂機器人的基座所處的不同位置進行規(guī)劃的問題。
[0003] 現(xiàn)有的技術(shù)中，發(fā)明專利《一種自由曲面噴涂機器人的噴槍軌跡規(guī)劃方法》（專利 號201210050434. 3)給出一種適用于自由曲面的噴槍軌跡規(guī)劃方法，但未涉及后續(xù)如何進 行站位規(guī)劃的問題。對于規(guī)劃好的一組噴涂軌跡序列，如果找不到合適的站位，將可能出現(xiàn) 在噴涂過程中與產(chǎn)品發(fā)生碰撞或無法滿足噴涂過程中的速度要求，甚至噴涂機器人無法實 現(xiàn)所指定的運動軌跡等問題。目前還有一種進行噴涂機器人工作空間綜合的方法，是針對 固定基座安裝方式的噴涂機器人，根據(jù)特定的待噴涂對象，將基座的安裝位置和機器人桿 件長度一同作為設計參數(shù)進行優(yōu)化計算，將計算結(jié)果用于噴涂機器人系統(tǒng)的設計和安裝。 由于進行優(yōu)化計算的參數(shù)較多，計算的效率偏低。如果通過人工指定的方式確定站位，存在 的問題是；一方面對與不能滿足要求的站位該如何進行調(diào)整，需要依賴有豐富經(jīng)驗的規(guī)劃 員；另一方面大型自由曲面會被分為大量的自由曲面塊，每個自由曲面塊都需要找到一個 站位，規(guī)劃的需求量大。該樣，若采用人工方式，離線噴涂規(guī)劃的效率很低，因此，迫切需要 提出一種速度快、自動化程度高的站位規(guī)劃方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種快速、自動化程度高的大型自由曲面的噴涂 機器人的站位規(guī)劃方法，W此批量生成大型自由曲面塊中多個自由曲面塊的站位。對于規(guī) 劃好的一組噴涂軌跡序列，找到合適的站位，避免在噴涂過程中與產(chǎn)品發(fā)生碰撞或無法滿 足噴涂過程中的速度要求，使噴涂機器人實現(xiàn)所指定的噴涂軌跡。
[0005] -種大型自由曲面的噴涂機器人站位規(guī)劃方法，所述噴涂機器人在H維移動平臺 運動，其特征是該方法包含W下步驟：
[0006] 1)采用H維造型軟件分別建立噴涂機器人、H維移動平臺和大型自由曲面的H維 模型，再將噴涂機器人的H維模型裝配在H維移動平臺的H維模型上，大型自由曲面的H 維模型放置于噴涂機器人的H維模型的工作空間內(nèi)，建立世界坐標系S，，任選一點作為S， 的原點，用H維移動平臺的H個正交運動方向分別作為S，的X、Y、Z軸的方向，再建立隨著 噴涂機器人一起運動的基坐標系Sb,用噴涂機器人（1)的基座中也點化作為Sb的原點，H 個坐標軸的方向與S，的H個坐標軸的方向相同；
[0007] 。采用S維造型軟件將大型自由曲面做分為m個自由曲面塊，將噴涂第i個自 由曲面塊時噴涂機器人的基座中也點Ob在S，下的坐標記為站位Ob,i (Xb,i，yy，Zb, 1)，采用噴 槍軌跡規(guī)劃方法對第i個自由曲面塊進行噴槍軌跡規(guī)劃，得到噴錐的底部中也路徑點Pu 和噴錐位姿序列恥=h.,，義.パリ，巧v，保,，r,,,レ'二l，2，...，訊，./' = U2，…，B，n是噴錐底部中 也路徑點總個數(shù)；建立噴錐局部坐標系Su, Su的原點為Pu, Su的Z軸與自由曲面塊在 P。處的外法線同向，S。的X軸與噴錐底部截面楠圓的長軸平行；(Xu,心，Zu)是Pu在 S，下的H維坐標，Uu,目U，Y U依次是W偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、滾動角表示的Su在S，下的噴 錐姿態(tài)；
[0008] 3)通過噴涂工藝實驗測定第i個自由曲面塊所需的噴涂速度和噴涂距離 屯，1 ;
[0009] 4)建立噴槍局部坐標系S' U，S' U的原點為噴槍路徑點P' U，P' U是Pu 對應的噴槍的末端點，S' U的Z軸與Su的Z軸平行但方向相反，S' U的Y軸與Su的 Y軸平行但方向相反，S' U的X軸與Su的X軸方向相同，因此得到在基坐標系Sb下的噴 槍位姿序列％ =1%，乂保,，％],其中
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種大型自由曲面的噴涂機器人站位規(guī)劃方法，所述噴涂機器人（1)在三維移動平 臺（2)運動，其特征是該方法包含以下步驟： 1) 采用三維造型軟件分別建立噴涂機器人（1)、三維移動平臺（2)和大型自由曲面（3) 的三維模型，再將噴涂機器人（1)的三維模型裝配在三維移動平臺（2)的三維模型上，大型 自由曲面（3)的三維模型放置于噴涂機器人（1)的三維模型的工作空間內(nèi)，建立世界坐標 系Sw，任選一點作SSw的原點，用三維移動平臺（2)的三個正交運動方向分別作為X、 Y、Z軸的方向，再建立隨著噴涂機器人（1) 一起運動的基坐標系Sb，用噴涂機器人（1)的基 座中心點Ob作為Sb的原點，三個坐標軸的方向與Sw的三個坐標軸的方向相同； 2) 采用三維造型軟件將大型自由曲面（3)分為m個自由曲面塊（4)，將噴涂第i個自由 曲面塊⑷時噴涂機器人⑴的基座中心點Ob在Sw下的坐標記為站位0M 采用噴槍軌跡規(guī)劃方法對第i個自由曲面塊（4)進行噴槍軌跡規(guī)劃，得到噴錐￠)的底 部中心路徑點Pi;j和噴錐位姿序列Ij=[氣，，凡氣,，^，心,]，i = 1，2，...，^^ 1，2,. . .，n，n是噴錐底部中心路徑點總個數(shù)；建立噴錐局部坐標系Si;j，Si;j的原點為P i; j， Si;j的Z軸與自由曲面塊（4)在Pu處的外法線同向，Sg的X軸與噴錐（6)底部截面橢圓 的長軸平行；(Xi^yi,」，?，」）是Pi,」在SwT的三維坐標，Ci ij, Pij,、，」依次是以偏轉(zhuǎn)角、俯 仰角、滾動角表示的Su在Sw下的噴錐姿態(tài)； 3) 通過噴涂工藝實驗測定第i個自由曲面塊（4)所需的噴涂速度vs，i和噴涂距離ds，i ; 4) 建立噴槍局部坐標系S' i;」，S' i;」的原點為噴槍路徑點P' i,」，P' i;」是Pi;」對應 的噴槍（6)的末端點，S' i;」的Z軸與Si;」的Z軸平行但方向相反，S' i;」的Y軸與Si;」的 Y軸平行但方向相反，S' u的X軸與Sg的X軸方向相同，因此得到在基坐標系Sb下的噴 槍位姿序列％,= [bKl, %％山其中，
父/5%)是p' ^在Sb下的三維坐標，V,:/成p %依次是以偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、 滾動角表示的S' U在Sb下的噴槍姿態(tài)； 5) 提取第i個自由曲面塊中心點Pcu以及Pcu處的單位法矢量 丐，以Pm處的法線為軸線作一個頂角為0k的站位搜索圓錐（7)，
，取站位搜索圓錐（7)上的一條母線的方向矢量為
6) 根據(jù)噴涂機器人的可達距離的最大值最小值!"^在4 U1上截取一條線段 y山，線段yi.u的端點為戶磁/ 和1kw = p?'+r?Aw; 7) 檢驗并確保PA，i;lu和Pwu至少有一個在三維移動平臺的工作空間{P(x，y，z) |wx"^〈叉〈界腿!￡，￥加11〈7〈￥師!￡，￥2_〈2〈界 2隱}內(nèi)，其中 Wxmin，Wymin，W _"分別是三維移動平臺在SwT 沿X，y, z軸方向運動到達的坐標的最小值，wxmax，wymax，Wzmax分別是三維移動平臺在S w下沿 x，y，z軸方向運動可到達的坐標的最大值，若不滿足條件，則改變k和1的值后重復步驟 5)?步驟6); 8) 在上標記Q+1個等間距的點
，遞增q值依 次選取點Puu進行檢驗，在上找到一個離Pcu最近的可行站位Ps^iu,使站位 (xb，i，yM，zM)與重合時能滿足：a)噴槍位姿序列中每一個噴槍位姿的運動 學逆解都存在并且不超出關節(jié)角度范圍iCin <氣^, <是_ ; h)噴槍末端速度達到噴 涂速度's時的各關節(jié)速度不超出關節(jié)角度限制<Ias ; 9) 若在線段上沒有找到滿足條件的可行站位？^1;，1，則改變1^和1的值后重復 步驟5)?步驟8); 10) 將可行站位P^iu和運動學逆解瓦^,.輸入三維造型軟件進行仿真，檢查機器人 本體與噴涂對象是否存在碰撞；若無碰撞，則將當前的PstAU保存為第i個自由曲面塊的 站位Pst，i ;若存在碰撞，將點PiU，k，1的坐標值修改為PiU，k，I+ (PB，i，k，1-PiU，k，I) /s，S為大于1的 整數(shù)，設定一個長度閾值Dtteesh,用I Pb丨k，fPA，k，i I表示修改坐標值后的點PA，k，i和PB，t i 連成的線段的長度，當|?^1；，1-?^1；，1|>〇伽_時,重復步驟8)?步驟9)計算新的？^ 1;，1， 當I PB，i，U-P^uKDthrash，則改變k和I的值后重復步驟5)?步驟9); 11) 將i的值從1到m遞增，重復步驟5)?步驟10)，得到m個自由曲面塊的站位Pst，i， i - I，2，? ? ?，in〇
【文檔編號】G06F17/50GK104331542SQ201410545718
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】王國磊, 陳懇, 謝穎, 楊向東, 帥朝林, 鄭林斌, 劉莉, 吳聊, 劉志, 任書楠, 程建輝, 于乾坤 申請人:清華大學