基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及喷涂自动化技术领域，尤其涉及一种基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人。
[0002]
【背景技术】
[0003]喷涂机器人作为工业机器人的典型应用之一，在提升喷涂质量、降低喷涂成本、改善工作环境、满足环保要求等方面具有人工或半自动喷涂难以比拟的巨大优势。随着我国制造业转型升级的逐步推进以及机器代替人工的持续进行，先进制造技术正在向信息化、自动化和智能化的方向发展，以机器人为代表的智能制造已成为下一代制造业发展的重要内容。
[0004]目前喷涂机器人多为人工示教型和离线编程型。所谓人工示教，是指由操作者通过示教盒操纵机器人完成空间作业轨迹点位置及有关速度等信息的示教和记录，然后借助操作键盘利用机器人语言命令进行用户工作程序的编辑，并存储在示教数据区。再现时，机器人的计算机控制系统自动逐条取出示教命令与位置数据，进行解读、运算并作出判断，将各种控制信号送到相应的驱动系统或端口，使机器人忠实地再现示教动作。离线编程则是通过使用计算机内存储的机器人模型，不要求机器人实际运动，在示教结果的基础上对进行机器人运动仿真，从而确定示教内容是否恰当以及机器人是否按照预期方式运动。
[0005]现有喷涂机器人存在以下不足:
1.生产柔性差。对于不同的喷涂目标，不同的相对位置，不同的位姿，都需要重新编程。整个喷涂过程为刚性流程，适应性差。
[0006]2.路径规划效率低。无论是在线示教还是离线编程，均需要工人根据经验进行点对点的示教，效率低，质量不一，严重依赖工作人员的生产经验和喷涂实验。
[0007]3.喷涂过程为开环控制。喷涂过程中未能对喷涂机器人状态、喷涂目标进行实时监控，不能及时发现喷涂过程中的问题与事故，喷涂过程质量难以保证。
[0008]
【发明内容】
[0009]针对上述不足，本发明旨在提供一种适应性强，生产效率高，喷涂质量好的基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人，用于解决现有喷涂机器人存在的生产柔性差，路径规划效率低，喷涂质量难以保证的缺陷。
[0010]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人，包括控制箱，机械手，三维形貌仪以及计算机；三维形貌仪的输出端与计算机的输入端连接，计算机的输出端与控制箱的输入端连接，控制箱的输出端与机械手连接；三维形貌仪用于对喷涂目标进行三维形貌测量，获得喷涂目标的三维数据点云；计算机用于接收并处理三维形貌仪获得的三维数据点云，获得喷涂机器人各关节的运动轨迹并利用机器人语言生成用户工作程序；控制箱用于自动逐条读取命令和数据，生成各种控制信号；机械手按照用户工作程序执行喷涂过程；所述喷涂机器人实现喷涂作业包括以下步骤:
(1)获取喷涂目标三维形貌数据；
借助三维形貌仪对喷涂目标进行三维形貌测量，获取喷涂目标的三维数据点云，实现实物模型数字化；
(2)重构喷涂目标的三维实体模型；
首先在计算机上将三维形貌仪测得的三维数据点云运用粒子群算法进行三角网格划分，将获得的数据进行预处理后，获得点云数据；再通过插值、逼近拟合成样条曲线或参数曲线，运用造型软件工具完成曲面片造型；然后通过曲面编辑，得到喷涂目标完整曲面模型；最后运用曲面重构技术，获得喷涂目标的三维CAD模型；
(3)基于几何拓扑的曲面分片与喷涂路径在线自主规划；
首先在计算机上对喷涂目标的三维CAD模型进行三角网格化，生成多个三角面片；计算出每个三角面片的法向量；按照相邻三角面片之间的法向量夹角不超过设定阈值的连接规则生成单连通近似平面片后，对每一个单连通近似平面片进行处理，得到平滑且保持原有特性的曲面；然后按照每一个单连通近似平面片上不同的路径模式和喷枪走向建立喷枪路径的评价函数，并以评价函数值最大为优化目标，选出最佳的路径模式和喷枪走向，再使用边界盒子法生成该面片的喷枪轨迹；最后运用群体智能优化算法得到整个喷涂目标中所有面片之间的路径规划；
(4)喷涂过程实施；
根据喷涂机器人逆运动学原理，在计算机上将生成的路径规划转换为喷涂机器人各关节的运动轨迹，并进行分析仿真，然后利用机器人语言命令进行用户工作程序的编辑；实施喷涂时，控制箱自动逐条取出命令和数据，生成各种控制信号控制机械手执行喷涂作业；
(5)喷涂过程闭环在线检测与反馈；
机械手在喷涂过程中，通过六维力传感器和三维形貌仪在线实时监控机械手的六维空间位姿，对喷涂目标的喷涂表面质量进行图像采集，借助计算处理获得喷涂效果，反馈给控制箱控制机械手执行喷涂作业的修补。
[0011]进一步，所述步骤(3)中，计算机“按照相邻三角面片之间的法向量夹角不超过设定阈值的连接规则生成单连通近似平面片”的步骤具体为:
a)设定相邻三角面片之间的法向量夹角阈值，设定任意一个三角面片作为初始三角面片;
b)以初始三角面片为中心，计算其周围所有三角面片与初始三角面片的法向量夹角；
c)若计算得到的夹角不超过法向量夹角阈值，则将该三角面片与初始三角面片连接成片，否则，寻找尚未连接成片的新的三角面片作为新的初始三角面片，重复执行步骤a和b，直到所有三角面片都连接成片为止。
[0012]相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
本发明提供的基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人，本发明具有如下有益效果:
I)该机器人通过直接对喷涂目标进行三维形貌测量，三维实体建模，避免了现有的喷涂机器人现场示教或离线编程等流程，适应性强，生产效率高。
[0013]2)该机器人能对任意姿态的喷涂目标进行识别与喷涂，不用提前按照一定的姿态对喷涂目标进行固定与标定，具有极大的生产柔性。
[0014]3)该机器人能基于自主获得的喷涂目标三维模型，自主高效准确地进行喷涂机器人路径规划，喷涂效率高、喷涂质量好。
[0015]4)该机器人通过视觉反馈，实现喷涂过程闭环控制，且能及时发现喷涂过程中的问题，显著提升喷涂质量与喷涂效率，具有很高的经济价值。
[0016]【附图说明】:
图1为本发明实施例的喷涂机器人的结构示意图。
[0017]图1中I为控制箱；2为基座；3为机械手；4为喷枪；5为三维形貌仪；6为喷涂目标；7为计算机。
[0018]图2为本发明实施例的智能喷涂机器人完成喷涂过程的流程图。
[0019]【具体实施方式】:
下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细地描述。实施例:
基于喷涂目标三维成像技术的全流程闭环智能喷涂机器人，如图1、2所示，包括控制箱1，机械手3，三维形貌仪5以及计算机7 ;其中2为基座，4为喷枪，6为喷涂目标。三维形貌仪的输出端与计算机的输入端连接，计算机的输出端与控制箱的输入端连接，控制箱的输出端与机械手连接；机械手安装在基座2上，机械手的头部安装有喷枪4 ;三维形貌仪用于对喷涂目标进行三维形貌测量，获得喷涂目标的三维数据点云；计算机用于接收并处理三维形貌仪获得的三维数据点云，获得喷涂机器人各关节的运动轨迹并利用机器人语言生成用户工作程序；控制箱用于自动逐条读取命令和数据，生成各种控制信号，将各种控制信号送到相应的驱动系统或端口 ；机械手按照用户工作程序执行喷涂过程；所述喷涂机器人实现喷涂作业包括以下步骤:
(I)获取喷涂目标三维形貌数据；
待喷涂相关设备检查无误后，将喷涂目标6 (待喷涂物)置于基板上。然后打开三维形貌仪5 (摄像头、三维扫描仪等)，运用基于机械学、电子学、光学、声学以及磁学等原理的机器视觉、三维扫描等技术，对喷涂目标6进行三维形貌测量，获取喷涂目标6的三维数据点云并存储在计算机7中，实现实物模型数字化。
[0020](2)重构喷涂目标的三维实体模型；
首先在计算机7上对三维形貌测量仪5测得的散乱数据点云(原始数据)运用粒子群算法(PSO算法)进行三角网格划分，再进行数据排序、精简、去噪、滤波、拼接等预处理，获得高质量的点云数据。然后通过插值、逼近拟合成样条曲线或参数曲线，运用造型软件工具(如imageware, Geomagic stud1)完成曲面片造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到喷涂目标6的完整曲面模型，运用曲面重构技术，获得喷涂目标6的三维CAD模型。