[发明专利]一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法

摘要

一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，及机器人喷涂技术领域。该方法首先采用喷枪轨迹规划方法，完成对大型自由曲面分块和喷枪轨迹规划，然后在指定的站位搜索圆锥母线上，选出在喷涂机器人和三维移动平台的工作空间内的点，利用机器人学理论解出喷涂运动中的关节角和关节角速度对该点进行可行性检验，再利用三维造型软件的运动仿真功能进行碰撞干涉检查，最终找到所有自由曲面块对应的可行站位。本发明能实现对大型自由曲面中的多个自由曲面块批量进行站位规划，计算速度快，自动化程度高。

主权项

一种大型自由曲面的喷涂机器人站位规划方法，所述喷涂机器人(1)在三维移动平台(2)运动，其特征是该方法包含以下步骤：1)采用三维造型软件分别建立喷涂机器人(1)、三维移动平台(2)和大型自由曲面(3)的三维模型，再将喷涂机器人(1)的三维模型装配在三维移动平台(2)的三维模型上，大型自由曲面(3)的三维模型放置于喷涂机器人(1)的三维模型的工作空间内，建立世界坐标系Sw,任选一点作为Sw的原点，用三维移动平台(2)的三个正交运动方向分别作为Sw的X、Y、Z轴的方向，再建立随着喷涂机器人(1)一起运动的基坐标系Sb，用喷涂机器人(1)的基座中心点Ob作为Sb的原点，三个坐标轴的方向与Sw的三个坐标轴的方向相同；2)采用三维造型软件将大型自由曲面(3)分为m个自由曲面块(4)，将喷涂第i个自由曲面块(4)时喷涂机器人(1)的基座中心点Ob在Sw下的坐标记为站位采用喷枪轨迹规划方法对第i个自由曲面块(4)进行喷枪轨迹规划,得到喷锥(6)的底部中心路径点Pi,j和喷锥位姿序列i＝1,2,...,m,j＝1,2,...,n，n是喷锥底部中心路径点总个数；建立喷锥局部坐标系Si,j,Si,j的原点为Pi,j，Si,j的Z轴与自由曲面块(4)在Pi,j处的外法线同向，Si,j的X轴与喷锥(6)底部截面椭圆的长轴平行；(xi,j,yi,j,zi,j)是Pi,j在Sw下的三维坐标，αi,j,βi,j,γi,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的Si,j在Sw下的喷锥姿态；3)通过喷涂工艺实验测定第i个自由曲面块(4)所需的喷涂速度vs,i和喷涂距离ds,i；4)建立喷枪局部坐标系S′i,j，S′i,j的原点为喷枪路径点P′i,j，P′i,j是Pi,j对应的喷锥(6)的末端点，S′i,j的Z轴与Si,j的Z轴平行但方向相反，S′i,j的Y轴与Si,j的Y轴平行但方向相反，S′i,j的X轴与Si,j的X轴方向相同，因此得到在基坐标系Sb下的喷枪位姿序列其中，xi,j′b=xi,j-xb,i-xb,i+ds,i(cosαi,jsinβi,jcosγi,j+sinαi,jsinγi,j)yi,j′b=yi,j-yb,i+ds,i(cosαi,jsinβi,jsinγi,j-sinαi,jcosγi,j)zi,j′b=zi,j-zb,i+ds,icosαi,jcosβi,jαi,j′b=αi,j-πβi,j′b=βi,jγi,j′b=γi,j]]>(bx′i,j,by′i,j,bz′i,j)是P′i,j在Sb下的三维坐标，bα′i,j,bβ′i,j,bγ′i,j依次是以偏转角、俯仰角、滚动角表示的S′i，j在Sb下的喷枪姿态；5)提取第i个自由曲面块中心点Pc,i以及Pc,i处的单位法矢量以Pc,i处的法线为轴线作一个顶角为θk的站位搜索圆锥(7)，k＝0,1,...,K‑1，取站位搜索圆锥(7)上的一条母线ζi,k,0，ζi,k,0的方向矢量为其中将ζi,k,0绕轴线旋转一个角度后得到站位搜索圆锥(7)上的另一条母线ζi,k,l，l＝0,1,...,L‑1，ζi,k,l的方向矢量可表示为其中I为3×3单位矩阵，6)根据喷涂机器人的可达距离的最大值rmax和最小值rmin在ζi,k,l上截取一条线段μi,k,l，线段μi,k,l的端点为和7)检验并确保PA,i,k,l和PB,i,k,l至少有一个在三维移动平台的工作空间{P(x,y,z)|wx min＜x＜wx max,wy min＜y＜wy max,wz min＜z＜wz max}内,其中wx min,wy min,wz min分别是三维移动平台在Sw下沿X、Y、Z轴方向运动到达的坐标的最小值，wx max,wy max,wz max分别是三维移动平台在Sw下沿X、Y、Z轴方向运动可到达的坐标的最大值，若不满足条件，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤6)；8)在μi,k,l上标记Q+1个等间距的点递增q值依次选取点Pi,k,l,q进行检验，在μi,k,l上找到一个离Pc,i最近的可行站位Pst,i,k,l，使站位Ob,i(xb,i,yb,i,zb,i)与Pst,i,k,l重合时能满足：a)喷枪位姿序列中每一个喷枪位姿的运动学逆解都存在并且不超出关节角度范围b)喷枪末端速度达到喷涂速度vs,i时的各关节速度不超出关节角度限制9)若在线段μi,k,l上没有找到满足条件的可行站位Pst,i,k,l，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤8)；10)将可行站位Pst,i,k,l和运动学逆解输入三维造型软件进行仿真，检查机器人本体与喷涂对象是否存在碰撞；若无碰撞，则将当前的Pst,i,k,l保存为第i个自由曲面块的站位Pst,i；若存在碰撞，将点PA,i,k,l的坐标值修改为PA,i,k,l+(PB,i,k,l‑PA,i,k,l)/s，s为大于1的整数，设定一个长度阈值Dthresh，用|PB,i,k,l‑PA,i,k,l|表示修改坐标值后的点PA,i,k,l和PB,i,k,l连成的线段的长度，当|PB,i,k,l‑PA,i,k,l|＞Dthresh时，重复步骤8)～步骤9)计算新的Pst,i,k,l，当|PB,i,k,l‑PA,i,k,l|＜Dthresh，则改变k和l的值后重复步骤5)～步骤9)；11)将i的值从1到m递增，重复步骤5)～步骤10)，得到m个自由曲面块的站位Pst,i，i＝1,2,...,m。