[0021](3)基于几何拓扑的曲面分片与喷涂路径在线自主规划；
在计算机7上对喷涂目标6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，然后按照如下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较大的单连通近似平面片:
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。
[0022]接着运用3L算法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，选出最佳喷枪路径模式和走向。再使用边界盒子法(即bounding-box法)生成单连通近似平面片的喷枪轨迹，即已知一个面片，用一个盒子完全将该面片包括在内。FRONT方向是喷枪的喷射方向，RIGHT方向是沿着单连通近似平面片最长边的方向，其中喷射轨迹的生成是用垂直于RIGHT方向一系列的平面去切割该面片，在该面片上得到一系列的交叉线，每条交叉线被一些采样点分为若干个部分，该采样点之间在切割方向上的距离即是路径生成后的相邻路径间的间距，最后沿着RIGHT方向将采样点进行连接就可得到该面片上的喷枪路径。最后运用蚁群算法、粒子群优化算法(PSO)等群体智能优化算法解决整个喷涂目标6中所有单连通近似面片之间的路径规划。
[0023](4)喷涂过程实施；
根据机器人逆运动学原理，在计算机7上将将生成的路径规划转换为机械手3各关节的运动轨迹，并进行分析仿真，以检查机械手3各关节的运动是否满足约束条件，是否发生机械臂碰到喷涂目标6的情况。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，闭合控制箱I开关，开启供漆、供气系统，机器人的控制箱3自动逐条读取计算机7生成的命令与数据，进行解读、运算并做出判断，同时生成各种控制信号，将各种控制信号送到相应的驱动系统或端口，控制机械手3执行喷涂作业。
[0024](5)喷涂过程闭环在线检测与反馈；
机械手3在喷涂过程中相对于喷涂目标6的六维空间位姿直接影响着喷涂质量。在喷枪4实施喷涂过程中，通过六维力(力矩)传感器和机器视觉(三维形貌仪5)，在线实时监控机械手3的六维空间位姿，确保在任意局部区域，机器人末端喷枪4与喷涂目标6有相对固定的六维空间位姿(即喷枪与喷涂点具有相对固定的距离，喷枪与喷涂点法向具有相对固定的位姿)满足喷涂质量的一致性。
[0025]机械手3在喷涂过程中，喷枪口与喷涂目标6表面保持恒定的距离，喷枪4按照已规划路径进行运动。通过机器视觉(三维形貌仪5)实时监控喷涂目标6，及时发现喷涂过程中的问题与事故，并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(如喷涂质量相关文件:涂层厚度极值及误差、均匀度等)，反馈喷涂控制系统(计算机7，控制箱1)，构成闭环反馈。即对于喷涂效果不好的区域，计算机7根据喷涂效果重新生成控制命令，控制箱I进而控制机械手3重新对该区域重新进行喷涂，完成喷涂作业的修补，构成闭环反馈。
[0026]喷涂目标6表面喷涂完成后，计算机7停止控制程序运行，并将三维形貌仪5所获得的喷涂结果数据进行存储，以便后续的研宄分析，断开控制箱I开关，停止供漆、供气系统的供给，喷涂目标6撤离基板。喷涂过程结束。
[0027]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。另外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。且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。同时该机器人通过视觉反馈，实现喷涂过程闭环控制，并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。
[0028]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.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，其特征在于，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与数据，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。
2.如权利要求1所述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，其特征在于，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。
【专利摘要】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，该机器人利用三维成像技术，通过对喷涂目标进行三维形貌测量，构建喷涂目标的三维模型，利用测量的三维形貌与三维模型完成喷涂机器人路径规划，并进行喷涂过程闭环在线检测与反馈。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，避免了通常的喷涂机器人现场示教等流程，适应性强，生产效率高，能高效准确地进行喷涂机器人路径规划，喷涂质量好，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。
【IPC分类】B05B13-04
【公开号】CN104759379
【申请号】CN201510177390
【发明人】刘飞, 赵云花
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月15日