萬(wàn)燕英, 莫玉梅, 郭清達(dá)

(1. 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510430; 2. 廣東理工學(xué)院 智能制造學(xué)院,廣東 肇慶 526100; 3. 廣州工業(yè)智能研究院,廣東 廣州 511458)

近年來(lái),隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略提出,越來(lái)越多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用至自動(dòng)化產(chǎn)線,解決高強(qiáng)度、高重復(fù)、高危險(xiǎn)等場(chǎng)景的人工需求難題[1-3]。目前,汽車因碰撞、剮蹭等導(dǎo)致其局部修補(bǔ)噴涂,因其汽車(不同品牌、版本)外殼的幾何結(jié)構(gòu)多樣化,一般多于汽車4S店或修理廠由專業(yè)人員手動(dòng)噴涂作業(yè)。然而,在噴涂倉(cāng)內(nèi)專業(yè)人員需要參考汽車外殼輪廓進(jìn)行仿形均勻噴涂,其過(guò)程需要噴槍軌跡具有一定的速度、間隔等,同時(shí)噴涂環(huán)境(氣味、聲音等)對(duì)人體帶來(lái)潛在的傷害,亟需機(jī)器人代替人工完成汽車外殼柔性噴涂作業(yè)[4]。

在機(jī)器人噴涂的軌跡生成方面,一般采用手動(dòng)示教或離線編程來(lái)實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行噴涂均勻性或機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間等的優(yōu)化。董慧芬等[5]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片燕尾基座為代表的曲面工件噴涂問(wèn)題,提出了一種基于曲面涂層生長(zhǎng)模型的均勻性分析方法。施栩等[6]針對(duì)解決陶瓷生產(chǎn)中釉層不均勻的問(wèn)題,建立計(jì)算不同表面噴涂層厚度分布的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)確定合適的間距來(lái)提高噴涂效率。王友勝等[7]針對(duì)大型鍛件手工噴涂的工作效率低等問(wèn)題,提出了計(jì)算機(jī)與機(jī)器人相結(jié)合的體系框架和布局規(guī)劃方案。潘洋[8]等針對(duì)機(jī)器人噴涂作業(yè)后涂料不均勻堆積問(wèn)題,提出了一種面向復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法。

面向汽車領(lǐng)域的機(jī)器人智能噴涂,根據(jù)汽車出廠前和出廠后情況分別設(shè)計(jì)不同的方案。在汽車加工過(guò)程中汽車的車身幾何外觀無(wú)變化,一般提前規(guī)劃好噴涂軌跡,張進(jìn)等[9]在車身自動(dòng)噴涂工作站,增加VMT視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量車身誤差偏移量,實(shí)現(xiàn)車身誤差的整體補(bǔ)償以提高車身噴涂質(zhì)量。蘇成志團(tuán)隊(duì)[10-11]針對(duì)汽車修復(fù)噴涂進(jìn)行了一系列研究,采用自適應(yīng)NURBS曲線插補(bǔ)方法生成仿形路徑點(diǎn);基于邊界檢驗(yàn)進(jìn)行未知復(fù)雜曲面視點(diǎn)自主規(guī)劃的方法,并在汽車后保險(xiǎn)杠進(jìn)行了驗(yàn)證。

現(xiàn)有汽車加工過(guò)程的機(jī)器人噴涂方案解決不了4S店或修理廠多品牌多型號(hào)汽車待修補(bǔ)車身噴涂;基于視覺(jué)的機(jī)器人噴涂,需要目標(biāo)工件脫離車體或者在人為制造噴涂區(qū)域視覺(jué)邊界(彩色膠帶等)以分割目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)云,仍需要大量的前期工作或者人工分割點(diǎn)云邊界。本文在參考了現(xiàn)有的機(jī)器人噴涂方法的基礎(chǔ)上,基于示教桿快速獲取車身目標(biāo)區(qū)域空間點(diǎn),設(shè)計(jì)了應(yīng)用B樣條曲面生成稠密點(diǎn)云和機(jī)器人噴涂的軌跡和姿態(tài)生成方法,最后進(jìn)行了仿真和在機(jī)測(cè)試,能夠滿足汽車車身的機(jī)器人噴涂修補(bǔ)工作。

1 噴涂軌跡生成方法

1.1 示教桿及模型

示教桿的出現(xiàn),是為了快速、便捷完成工業(yè)機(jī)器人示教,準(zhǔn)確地獲取機(jī)器人軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)。示教桿一般參考機(jī)器人本體D -H參數(shù)1∶1加工制作,關(guān)節(jié)處采用編碼器準(zhǔn)確獲得各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)。因此,示教桿模型可以直接采用機(jī)器人坐標(biāo)系模型,如圖1所示為工業(yè)機(jī)器人六自由度連桿模型,示教桿末端坐標(biāo)系相對(duì)于基座坐標(biāo)系,可表示為:

(1)

圖1 工業(yè)機(jī)器人連桿模型

1.2 B樣條曲面算法

B樣條曲面是以基函數(shù)的張量積為加權(quán)系數(shù)對(duì)控制頂點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行線性組合所構(gòu)造的曲面。B樣條曲面具有與B樣條曲線相同的幾何性質(zhì),例如凸包性、連續(xù)性、幾何不變性等。因此,汽車車身外輪廓多采用B樣條曲面進(jìn)行設(shè)計(jì),可以減少曲面片之間的拼接光順問(wèn)題。同樣地,通過(guò)對(duì)汽車外輪廓進(jìn)行多處采樣,基于B樣條曲面算法可以反求出車身外表輪廓數(shù)據(jù)[12]。

B樣條曲面通過(guò)取(m+1)×(n+1)控制點(diǎn)Pi,j、兩個(gè)節(jié)點(diǎn)向量和單變量B樣條函數(shù)乘積的雙向網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得[13],其數(shù)學(xué)方程表示為:

(2)

其中節(jié)點(diǎn)向量分布為U={u0,u1,…,um+p+1},V={v0,v1,…,vm+p+1};B樣條基函數(shù)Ni,p(u)、Nj,q(u)由deBoor-Cox遞推公式?jīng)Q定,其定義為:

(3)

(4)

1.3 噴涂軌跡路徑點(diǎn)及姿態(tài)生成模型

機(jī)器人路徑點(diǎn)一般是B樣條曲面產(chǎn)生的稠密點(diǎn)云實(shí)體與剖平面的截面所形成。由于曲面實(shí)體是三角剖分生成,所以路徑點(diǎn)是由空間三角形與剖面的相交點(diǎn)組成,如圖2所示。假設(shè)點(diǎn)云Pn-1、Pn、Pn+1為相交的截面路徑點(diǎn),點(diǎn)Pn所生成的法向量為n,其他向量可計(jì)算為:

d=Pn+1-Pn

(5)

y=n×d

(6)

x=y×n

(7)

z=n

(8)

由以上公式得到在點(diǎn)Pn的姿態(tài)為(x,y,z),機(jī)器人軌跡的位姿信息為(Pn,x,y,z)。

圖2 噴涂路徑及位姿生成示意圖

2 機(jī)器人噴涂軌跡驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

采用示教桿的機(jī)器人噴涂軌跡生成方法,主要流程為示教桿標(biāo)定-空間點(diǎn)采集-B樣條曲面-路徑點(diǎn)獲得-軌跡生成等,具體如下:

(1)示教桿與機(jī)器人標(biāo)定:測(cè)量示教桿與工業(yè)機(jī)器人底座中心點(diǎn)直接的位移量,建立示教桿與協(xié)作機(jī)器人位姿之間的轉(zhuǎn)換矩陣;

(2)獲取目標(biāo)區(qū)域空間點(diǎn):人工手持示教桿末端移至汽車外輪廓目標(biāo)區(qū)域表面,獲得該區(qū)域內(nèi)多個(gè)離散點(diǎn)的示教桿末端位置和姿態(tài)數(shù)據(jù);

(3)設(shè)置參數(shù)生成B樣條曲面:面向目標(biāo)區(qū)域內(nèi)多組示教桿的位置數(shù)據(jù),設(shè)置B樣條曲面的參數(shù),構(gòu)建目前區(qū)域B樣條曲面;

(4)重采樣B樣條曲面:設(shè)置采樣間隔,對(duì)所生成的B樣條曲面進(jìn)行采樣,獲得汽車外輪廓目標(biāo)區(qū)域的稠密點(diǎn)云數(shù)據(jù);

(5)生成機(jī)器人軌跡路徑點(diǎn):對(duì)稠密點(diǎn)云生成面片,在指定的方向進(jìn)行輪廓切割,獲得面片區(qū)域與切割面的相交點(diǎn)并生成路徑;

(6)生成路徑點(diǎn)軌跡姿態(tài):多組路徑點(diǎn)構(gòu)成的稀疏點(diǎn)云,指定法向方向生成各個(gè)路徑點(diǎn)的法向量,采用姿態(tài)生成算法獲得各個(gè)路徑點(diǎn)工作姿態(tài)。

2.2 系統(tǒng)組成

如圖3所示,機(jī)器人噴涂系統(tǒng)由協(xié)作機(jī)器人、示教桿、噴涂系統(tǒng)和底座等硬件構(gòu)成。協(xié)作機(jī)器人具有六自由度,負(fù)載能力5kg,末端帶有噴槍。為了使機(jī)器人噴涂范圍在合理區(qū)間,其底座支架設(shè)計(jì)為高1m,導(dǎo)軌前后位移約5m。示教桿采用協(xié)作機(jī)器人型號(hào)1∶1加工制作,每個(gè)關(guān)節(jié)處采用編碼器準(zhǔn)確捕捉示教桿末端姿態(tài)。軟件平臺(tái)基于Ubuntu 64系統(tǒng),編程環(huán)境采用Python語(yǔ)言和Open3D、NumPy、SciPy、Matplotlib函數(shù)庫(kù)等組成,求解由示教桿獲取的汽車表面關(guān)鍵點(diǎn),由B樣條曲面還原汽車表面的幾何曲面,設(shè)置剖面獲得路徑點(diǎn)及姿態(tài)。

圖3 機(jī)器人噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 機(jī)器人噴涂軌跡生成

以汽車翼子板為例,采用2.1小節(jié)的實(shí)驗(yàn)流程步驟進(jìn)行機(jī)器人噴涂軌跡生成方法測(cè)試。如圖4(a)所示,待噴涂的翼子板放置在支架上;由人工手持示教桿末端在待噴涂汽車翼子板進(jìn)行人工采樣獲得輪廓多組空間點(diǎn)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù),如圖4(b)所示;基于B樣條曲面生成算法,參考所采樣的翼子板輪廓空間點(diǎn)位置數(shù)據(jù),生成B樣條曲面并采樣點(diǎn)云化獲得翼子板目標(biāo)區(qū)域稠密點(diǎn)云,如圖4(c)所示;如果生成的點(diǎn)云比較稠密,影響后續(xù)的處理速度,選擇降采樣減少點(diǎn)云數(shù)量等預(yù)處理,如圖4(d)所示;對(duì)目標(biāo)區(qū)域的稠密點(diǎn)云采用三角剖分生成實(shí)體,如圖4(e)所示;垂直于點(diǎn)云Y軸的平面對(duì)點(diǎn)云實(shí)體進(jìn)行固定間隔切斷獲得機(jī)器人路徑,進(jìn)一步生成路徑點(diǎn)姿態(tài),首尾依次連接各個(gè)截面線獲得汽車翼子板的機(jī)器人噴涂路徑點(diǎn)和姿態(tài),如圖4(f)所示。

(a)汽車翼子板實(shí)物

(b)示教桿采集的空間點(diǎn)

(c)曲面采樣點(diǎn)云化

(d)預(yù)處理后的點(diǎn)云

(e)點(diǎn)云的實(shí)體化

(f)截面生成的路徑

3 機(jī)器人噴涂軌跡在機(jī)測(cè)試

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

噴涂工藝通過(guò)對(duì)油漆黏度、噴涂流量、噴槍速度、扇面搭接、噴幅大小等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化控制,實(shí)現(xiàn)工件涂膜厚度和均勻性兩個(gè)重要指標(biāo)的合格,從而獲得優(yōu)良的漆面光澤度、硬度、抗侵蝕、抗老化效果。

常規(guī)的膜厚要求如表1所示,膜厚采用貼膜片來(lái)測(cè)量。在噴涂前,將測(cè)膜片用膠帶粘到工件表面,噴涂完后烘干,對(duì)測(cè)膜片測(cè)試厚度。通過(guò)在工件不同位置粘貼一定數(shù)量的測(cè)膜片,即可測(cè)試漆膜均勻性。

表1 漆膜厚度要求

3.1 在機(jī)測(cè)試過(guò)程驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證噴涂軌跡數(shù)據(jù)的有效性,基于圖3的負(fù)載5 kg、六自由度協(xié)作機(jī)器人硬件系統(tǒng)平臺(tái)展開(kāi)在機(jī)測(cè)試。

為了滿足機(jī)器人在機(jī)測(cè)試,仍需要前期準(zhǔn)備工作。首先,規(guī)范基于示教桿的汽車翼子板噴涂軌跡生成數(shù)據(jù)的輸出格式(本機(jī)格式為:位置,姿態(tài),執(zhí)行速度,導(dǎo)軌位移),建立協(xié)作機(jī)器人控制器對(duì)軌跡數(shù)據(jù)包的讀取通信;其次,為了驗(yàn)證噴涂軌跡與噴涂輪廓區(qū)域中心的重合度,在噴槍作業(yè)前方固定了軟桿,其長(zhǎng)度為噴槍到噴涂表面區(qū)域中心的垂直距離;最后,將噴涂軌跡數(shù)據(jù)包輸入?yún)f(xié)作機(jī)器人控制器中,建立協(xié)作機(jī)器人安全運(yùn)行空間區(qū)域,打開(kāi)協(xié)作機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行模式。

軌跡驗(yàn)證過(guò)程如圖5所示,面向汽車翼子板,協(xié)作機(jī)器人噴槍末端依次由左至右地進(jìn)行仿形操作,作業(yè)區(qū)域覆蓋了汽車翼子板輪廓表面。實(shí)物測(cè)試如圖6所示,面向汽車車門局部修補(bǔ)實(shí)際需求進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)測(cè)量5個(gè)不同位置粘貼的測(cè)膜片厚度,可知色漆和清漆的膜厚均在目標(biāo)范圍內(nèi),且一致性較好。

軌跡驗(yàn)證和實(shí)物測(cè)試,在機(jī)效果能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的均勻噴涂作業(yè),顯著地代替人工在汽車局部修復(fù)過(guò)程中的手工作業(yè),滿足不同車型的柔性噴涂修補(bǔ)作業(yè)。

圖5 機(jī)器人噴涂軌跡驗(yàn)證過(guò)程(汽車翼子板)

圖6 機(jī)器人噴涂修補(bǔ)車門過(guò)程

4 結(jié) 論

面向汽車多品種的外輪廓表面局部修補(bǔ)作業(yè),以工業(yè)/協(xié)作機(jī)器人為核心的自動(dòng)噴涂系統(tǒng)將在汽車4S店或修理廠代替人工進(jìn)行重復(fù)性的作業(yè)。不同于現(xiàn)有的基于立體視覺(jué)的機(jī)器人自動(dòng)噴涂方法,本文創(chuàng)新點(diǎn)由以下幾個(gè)方面:

(1)采用工業(yè)/協(xié)作機(jī)器人DH參數(shù)1∶1建立一種示教桿,可以快速獲取待噴涂目標(biāo)區(qū)域的輪廓空間點(diǎn);

(2)基于B樣條曲面算法生成采樣獲得稠密點(diǎn)云,點(diǎn)云實(shí)體化后與指定的切割面相交得到一系列的路徑點(diǎn);

(3)采用軌跡生成算法最終得到工業(yè)機(jī)器人噴涂的末端軌跡。

以汽車翼子板和車門為例,分別對(duì)協(xié)作機(jī)器人噴涂系統(tǒng)進(jìn)行軌跡和實(shí)物測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程表明本文算法的有效性與可行性。未來(lái)將在復(fù)雜輪廓的軌跡平滑、噴涂模型與軌跡優(yōu)化等方面開(kāi)展深入研究,探索汽車外殼局部修補(bǔ)更多場(chǎng)景以及遷移應(yīng)用至其他行業(yè)。