[发明专利]一种基于改进的点云切片算法的喷涂机器人轨迹规划方法

说明书

基于改进的点云切片算法的喷涂机器人轨迹规划方法，包括：喷涂过程的建模，包括自由曲面上涂料沉积模型的建立和椭圆双β分布模型在自由曲面上的建立；用激光传感器扫描得到喷涂工件的点云模型；确定点云切片方向并用一系列平行的切平面沿着点云切片的方向切割工件点云模型；切片厚度的优化：提出了一种网格投影算法获取相邻切片之间点云模型上的网格点并建立了网格点处的涂料沉积模型；以工件表面涂料厚度的均匀性为优化目标，以切片厚度为变量建立目标函数；将切平面上的网格点沿着其法向量的方向平移一段喷枪喷涂高度的距离得到喷涂的轨迹点，最后将喷涂轨迹点以直线的形式逐点连接得到完整的喷涂轨迹。本发明提高了涂料厚度的均匀性。

技术领域

本发明涉及自动化喷涂领域，具体涉及在用点云切片算法进行喷涂机器人轨迹规划的时候优化切片的厚度从而提高喷涂工件表面涂料厚度的均匀性。

背景技术

随着“工业4.0”概念的提出，机器人正在被广泛地应用到汽车、家具、塑料和电子产品等自动化领域中来。喷涂机器人作为一种给各类型工件进行涂料喷涂的涂装生产设备，能够将工人从有毒有害的生产环境中解放出来并且极大地提高了生产力。与此同时，随着人们消费水平的提高，消费者对消费品的外观要求也越来越高，而消费品表面涂膜的厚度及其均匀性很大程度上决定了消费品的色泽外观。由于喷涂机器人轨迹是影响工件表面涂膜厚度均匀性的重要因素，因此如何规划出喷涂效果好的喷涂机器人轨迹就成了研究的热点。

目前，喷涂机器人轨迹规划技术还不是很成熟，存在着诸如效率不高，不适用于自由曲面类喷涂工件，容易造成涂料浪费和工件表面涂膜均匀性差等问题。在论文Trajectory Planning for Spray Painting Robot Based on Point Cloud SlicingTechnique(Chen W,Li X,Ge H,et al.Trajectory Planning for Spray Painting RobotBased on Point Cloud Slicing Technique[J].Electronics,2020,9(6):908)中Chen等对喷涂工件点云模型进行切片采样和切片数据处理后获得切片多义线，然后对切片多义线进行平均采样，估计采样点的法向量。最后，使用插值算法连接数据点获取喷涂轨迹。这种喷涂轨迹规划方法在对喷涂工件点云模型进行切片的时候，由于没有对切片的厚度进行优化，所以只适用于平面类工件，应用在自由曲面类喷涂工件上工件表面涂膜厚度的均匀性难以得到保障。专利(汤养,陈伟.基于Bézier曲线的喷涂机器人路径规划方法[P],CN105435997 A)中，汤养等人提出了一种基于Bézier曲线的喷涂机器人路径规划方法，该方法采用参数曲面建模，用T-Bézier拟合工件曲面等距面上的离散点列，生成的喷涂轨迹具有平滑性好的优点，但当喷涂工件表面的几何特征非常复杂时，对喷涂工件建模将会非常耗时，这导致喷涂轨迹规划效率的下降，同时对喷涂工件表面涂层厚度的影响也不得而知。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于改进的点云切片算法的喷涂机器人轨迹规划，以优化切片厚度的方式改进点云切片算法，并用改进的点云切片算法进行喷涂机器人轨迹规划，这极大地提高了喷涂工件表面涂料厚度的均匀性。

本发明通过以下技术方案实现：首先是喷涂过程的建模，包括自由曲面上涂料沉积模型的建立，采用椭圆双β分布模型作为喷枪的涂料沉积模型并将椭圆双β分布模型建立在自由曲面上；用激光传感器扫描得到喷涂工件的点云模型；确定点云切片的方向并用一系列平行的切平面沿着点云切片的方向切割工件点云模型；以相邻切平面之间的点云带为研究对象，用提出的网格投影算法求取工件点云模型上的网格点并建立网格点处的涂料沉积模型；建立以切片厚度为变量的目标函数优化工件表面涂料厚度的均匀性；将切片上的网格点沿着其法向量的方向平移一段喷枪喷涂高度的距离得到喷涂轨迹点；最后将喷涂轨迹点以直线的形式逐点连接得到完整的喷涂路径。

一种基于改进的点云切片算法的喷涂机器人轨迹规划方法，具体步骤如下：