萬燕英

摘要：機(jī)器人噴涂在現(xiàn)代智能涂裝系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃是噴涂機(jī)器人的核心功能和噴涂工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過研究國內(nèi)外噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹和對(duì)比了人工示教和自主軌跡規(guī)劃兩種軌跡編程技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。針對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化生產(chǎn)要求的提高和AI大模型的快速發(fā)展，對(duì)AI柔性噴涂技術(shù)進(jìn)行了展望，為未來進(jìn)一步深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：噴涂機(jī)器人??人工示教??自主軌跡規(guī)劃??AI柔性噴涂

中圖分類號(hào)：TP242

An?Overview?of?Trajectory?Programming?Technology?of?Spraying?Robots

WAN?Yanying

（School?Information?Engineering，?Guangzhou?Railway?Polytechnic，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?511300?China）

Abstract：?Robot?spraying?plays?an?important?role?in?the?modern?intelligent?coating?system.?Motion?trajectory?planning?is?the?core?function?of?spraying?robots?and?the?key?link?of?spraying?technology.?By?studying?the?current?situation?of?the?application?of?the?motion?trajectory?planning?of?spraying?robots?at?home?and?abroad，?the?working?principles?and?characteristics?of?the?two?trajectory?programming?technologies?of?manual?teaching?and?autonomous?trajectory?planning?are?introduced?and?compared.?For?the?improvement?of?personalized?production?requirements?for?products?and?the?rapid?development?of?large?AI?models，?AI?flexible?spraying?technology?is?prospected，?which?provides?reference?for?further?in-depth?research?in?the?future.

Key?Words：?Spraying?robot;?Manual?teaching;?Autonomous?trajectory?planning;?AI?flexible?spraying

涂裝是產(chǎn)品表面制造工藝的重要環(huán)節(jié)之一，是產(chǎn)品防銹、防蝕、美觀的重要手段，已廣泛應(yīng)用于汽車、3C電子、船舶、航空航天等領(lǐng)域。機(jī)器人噴涂具有效率高、一致性強(qiáng)、涂料利用率高、無職業(yè)危害等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代智能涂裝系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。噴涂機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)與表面噴涂工藝相結(jié)合的自動(dòng)化裝備，核心功能是運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，直接影響著涂裝外觀和質(zhì)量。

目前，針對(duì)噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃已有較深入的研究。國外自20世紀(jì)70年代起就有相關(guān)學(xué)者開始了關(guān)于噴涂機(jī)器人的研究[1-4]。國內(nèi)噴涂機(jī)器人研究始于20世紀(jì)90年代，如王燚等人[5]建立了噴槍最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型，并確定了具體的算法。劉能廣等人[6]針對(duì)噴漆機(jī)器人的軌跡優(yōu)化，提出利用二層規(guī)劃建模的方法，建立數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用遺傳算法求解最優(yōu)軌跡。

本文在研究目前國內(nèi)外噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，從人工示教編程和自主軌跡規(guī)劃兩方面介紹和歸納了噴涂機(jī)器人軌跡編程技術(shù)。同時(shí)，針對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化生產(chǎn)要求的提高和AI大模型的快速發(fā)展，并結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，展望了基于AI柔性噴涂技術(shù)的廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1?噴涂機(jī)器人軌跡編程技術(shù)

噴涂機(jī)器人軌跡編程方式主要包括人工示教編程和自主軌跡規(guī)劃。人工示教編程[7]是指由操作者通過機(jī)器人示教器或手動(dòng)拖動(dòng)機(jī)器人末端或示教傳感器工具來完成噴涂流程，并記錄示教軌跡和噴槍參數(shù)狀態(tài)，使機(jī)器人自動(dòng)重復(fù)示教軌跡實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)。自主軌跡規(guī)劃編程[8]以待噴涂工件的三維模型為基礎(chǔ)，利用噴涂材料沉積模型、約束條件以及優(yōu)化準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)噴涂軌跡的自動(dòng)規(guī)劃。

現(xiàn)階段噴涂機(jī)器人大多采用人工示教編程。該方式操作簡便、成本低，部分人工示教編程技術(shù)還具有適合多品種、少批量噴涂場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)。但噴涂質(zhì)量嚴(yán)重依賴操作者熟練程度和經(jīng)驗(yàn)技巧，存在編程效率不高、軌跡精度差、涂料利用率低等缺點(diǎn)。

自主軌跡規(guī)劃技術(shù)通過對(duì)工件3D模型和機(jī)器人設(shè)備模型進(jìn)行仿真，利用噴涂軌跡規(guī)劃算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。該方式能有效避免人工示教編程的經(jīng)驗(yàn)依賴，具有噴涂質(zhì)量高、一致性強(qiáng)、適合復(fù)雜工藝編程等優(yōu)點(diǎn)[9]。噴涂工件的三維模型可以手工導(dǎo)入或者通過3D視覺傳感器掃描獲得。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于工件的三維模型存在獲取困難或模型不準(zhǔn)確、3D視覺傳感器成本昂貴及掃描建模流程繁瑣等問題，導(dǎo)致自主軌跡規(guī)劃編程應(yīng)用范圍受限。

1.1?人工示教編程技術(shù)

人工示教編程包括傳統(tǒng)手柄點(diǎn)位編程、拖動(dòng)示教編程、示教桿編程、基于紅外光學(xué)跟蹤定位傳感器的編程、基于電磁式空間定位傳感器的編程、基于VR遙操作的虛擬編程等。

1.1.1?手柄點(diǎn)位編程

傳統(tǒng)手柄點(diǎn)位編程是最常見的編程方式，通過操作機(jī)器人示教器編輯一系列的機(jī)器人路點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人內(nèi)置的軌跡自動(dòng)優(yōu)化功能即可完成噴涂軌跡的編程。該方式一般應(yīng)用于噴涂要求簡單、工件形狀規(guī)則、編程頻率不高的場(chǎng)合。

目前市面上專用噴涂機(jī)器人或通用工業(yè)機(jī)器人均支持該編程方式。操作者使用機(jī)器人示教器，根據(jù)噴涂經(jīng)驗(yàn)和工藝要求來完成噴涂軌跡路點(diǎn)的調(diào)試。每個(gè)路點(diǎn)需要結(jié)合噴涂流量、噴槍速度、扇面搭接、噴幅大小等工藝參數(shù)反復(fù)調(diào)試直至達(dá)到預(yù)期噴涂效果。圖1所示為人工采用手柄示教器編輯噴涂軌跡路點(diǎn)。

1.1.2?拖動(dòng)示教

拖動(dòng)示教編程即人工拖拽機(jī)器人示范噴涂一遍，然后機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的軌跡。該方式一般應(yīng)用于多品種少批量噴涂工件的場(chǎng)合，同時(shí)需搭配適合人工拖拽的噴涂機(jī)器人。

如意大利CMA噴涂機(jī)器人具有特制的拖動(dòng)示教功能，突破了傳統(tǒng)機(jī)器人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或離線編程的模式，對(duì)于一般工業(yè)多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在生產(chǎn)中的快速轉(zhuǎn)產(chǎn)及噴涂機(jī)器人應(yīng)用的“傻瓜化”。操作者只需手持機(jī)器人末端的示教手柄進(jìn)行示范噴涂，機(jī)器人即可記住并復(fù)現(xiàn)噴漆工的噴涂軌跡。操作人員無需任何機(jī)器人的使用基礎(chǔ)，通過簡單學(xué)習(xí)，就可快速掌握編程技巧。如圖2所示，子圖a是人工示教，子圖b為機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)軌跡。

另一種具有拖拽示教功能的是協(xié)作機(jī)器人。以丹麥Universal?Robot公司的UR5為例，機(jī)器人在開啟自由拖拽移動(dòng)模式之后，操作者可輕松拖動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，按照人工噴涂的方式使協(xié)作機(jī)器人跟著人工噴涂一遍，并記錄保存軌跡文件，之后加載該軌跡文件即可重復(fù)噴涂。

這類具有拖拽示教功能的機(jī)器人，其原理是實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人關(guān)節(jié)角度以及關(guān)節(jié)角速度，根據(jù)辨識(shí)出來的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償?shù)年P(guān)節(jié)摩擦力和重力項(xiàng)力矩之和，并將其轉(zhuǎn)換為電流/力矩指令發(fā)給關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制關(guān)節(jié)電機(jī)實(shí)現(xiàn)零力拖拽功能。然而，由于拖拽時(shí)關(guān)節(jié)力矩采樣不精確且關(guān)節(jié)間存在一定的機(jī)械耦合約束，拖拽并不會(huì)很柔順、靈活。為解決該問題，部分機(jī)器人廠家推出了帶關(guān)節(jié)力矩傳感器或末端六維力矩傳感器的協(xié)作機(jī)器人，在一定程度上優(yōu)化了拖拽體驗(yàn)。

1.1.3?示教桿

示教桿編程是指通過拖拽示教桿來示范噴涂，然后機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的軌跡。由于不方便直接拖拽一些大臂展噴涂機(jī)器人，因而采用輕型靈活的示教桿替代直接拖拽機(jī)器人本體，如圖3所示。

示教桿參照和噴涂機(jī)器人相同DH參數(shù)的模型來設(shè)計(jì)，由6個(gè)集成高精度旋轉(zhuǎn)編碼器的關(guān)節(jié)模塊構(gòu)成，工作過程中實(shí)時(shí)采樣6個(gè)關(guān)節(jié)角度并對(duì)外輸出。由于示教桿為欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，且整體質(zhì)量非常輕巧，因此人工拖拽示教桿輕便、靈活，體驗(yàn)感較好。但因示教桿在設(shè)計(jì)和組裝過程中存在公差的差異性，較難做到和示教機(jī)器人一致的DH參數(shù)，因此不適合非常精細(xì)化的涂裝場(chǎng)合。

1.1.4?基于紅外光學(xué)跟蹤定位傳感器的編程

該方式采用跟蹤定位傳感器和跟蹤球來實(shí)現(xiàn)空間軌跡的采集，需要先對(duì)跟蹤定位傳感器和噴涂機(jī)器人進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定，然后將噴槍和跟蹤球綁定在一起進(jìn)行手動(dòng)示教。示教軌跡可記錄下來并轉(zhuǎn)為噴涂機(jī)器人可運(yùn)行的軌跡文件。該方式人工示教靈活、體驗(yàn)感佳，適合較多品種、少批量的精細(xì)化噴涂的場(chǎng)合。

以NDI公司的Polaris?vicra為例，首先在工作區(qū)域上方固定跟蹤定位傳感器（不在機(jī)器人本體），并將位置跟蹤器固定在機(jī)器人末端（隨機(jī)固定位置），同時(shí)將噴槍也安裝在機(jī)器人的末端。然后，手動(dòng)操作機(jī)器人至不同姿態(tài)，在機(jī)器人位置穩(wěn)定下來后，采集當(dāng)前機(jī)器人與跟蹤器的姿態(tài)數(shù)據(jù)；循環(huán)數(shù)次采集N對(duì)數(shù)據(jù)：通常8～20組數(shù)據(jù)便可滿足求解要求。接著，計(jì)算跟蹤定位傳感器坐標(biāo)系T相對(duì)于機(jī)器人基座坐標(biāo)系B的轉(zhuǎn)換關(guān)系。之后，把跟蹤器從機(jī)器人末端拆卸下來，?移動(dòng)它進(jìn)行作業(yè)并采樣記錄跟蹤定位傳感器輸出的軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)。位置跟蹤器需要在跟蹤定位傳感器的有效工作范圍內(nèi)移動(dòng)，采樣記錄跟蹤器的軌跡，是以固定頻率（例如每隔20?ms）獲取并記錄跟蹤器的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)。最后，將記錄的軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)按照機(jī)器人程序代碼規(guī)則整理成可執(zhí)行文件，發(fā)送到機(jī)器人控制器即可完成噴涂作業(yè)。

1.1.5?基于電磁式空間定位傳感器的編程

該編程技術(shù)類似于紅外光學(xué)跟蹤定位傳感器的位置追蹤，其原理是采用電磁發(fā)射器和空間感應(yīng)追蹤器來實(shí)現(xiàn)空間位置定位。該方式無須進(jìn)行傳統(tǒng)編程就能為噴涂等應(yīng)用創(chuàng)建復(fù)雜的路徑，具有操作簡單、示教靈活的特點(diǎn)。

以丹麥Nordbo?Robotics公司Mimic?kit產(chǎn)品為例，其位置跟蹤器采用低頻磁場(chǎng)式技術(shù)，包括磁場(chǎng)發(fā)射器和接收器。發(fā)射器內(nèi)置三個(gè)正交的天線，接受器內(nèi)也安裝一個(gè)正交天線。接收器一般安裝在遠(yuǎn)處的運(yùn)動(dòng)物體上，根據(jù)接受器所接受到的磁場(chǎng)，可計(jì)算出接受器相對(duì)于發(fā)射器的位姿信息。

1.1.6?基于VR遙操作的虛擬編程

基于VR遙操作的虛擬編程，工人可以通過AR眼鏡和手柄遠(yuǎn)程操縱機(jī)器人同步執(zhí)行噴漆，手感完全等同于親臨現(xiàn)場(chǎng)。人工示范一遍后，該工件的噴涂程序即可保存在邊緣側(cè)，對(duì)于同樣規(guī)格的零部件，機(jī)器人就能實(shí)現(xiàn)自主噴涂[10]。

以埃夫特VR噴涂機(jī)器人為例，VR噴涂機(jī)器人是拖動(dòng)示教解決方案的升級(jí)版，友好易用、經(jīng)濟(jì)高效地解決噴涂機(jī)器人編程難的問題。

1.2?自主軌跡規(guī)劃編程技術(shù)

平面、圓柱面等規(guī)則表面，可利用人工示教依據(jù)搭接規(guī)律和噴涂經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行示教噴涂即可使涂層具有良好的均勻度。但對(duì)于自由曲面，漆膜厚度的形成不僅與涂料自身特性、噴槍的噴涂模型、噴涂工藝參數(shù)、噴槍運(yùn)動(dòng)軌跡等因素有關(guān)，還與自由曲面的復(fù)雜特征有關(guān)。因此，自由曲面上的均勻噴涂是多因素耦合的非線性問題[7]，需采用具備工件模型自動(dòng)識(shí)別和自主軌跡規(guī)劃的技術(shù)來完成。

自主軌跡規(guī)劃包括基于3D視覺的自主軌跡規(guī)劃、離線編程等。

1.2.1?基于3D視覺的自主軌跡規(guī)劃

該方式利用3D視覺技術(shù)對(duì)被噴涂物體進(jìn)行點(diǎn)云掃描，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法完成3D模型重建，借助點(diǎn)云切片技術(shù)生成仿形軌跡，并自整定出一套工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)噴涂的多品種、變批量的柔性化噴涂需求。

1.2.2?離線編程

離線編程軟件廣泛應(yīng)用于噴涂、焊接、打磨等需要復(fù)雜軌跡編程的領(lǐng)域。以ABB機(jī)器人的RobotStudio離線編程軟件為例，其工作過程是，首先在三維建模軟件上將機(jī)器人和相關(guān)設(shè)備及工件模型建好，并導(dǎo)入仿真環(huán)境布局出虛擬工作場(chǎng)景，然后利用工藝參數(shù)配置和軌跡規(guī)劃算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃并對(duì)噴涂效果進(jìn)行仿真，最后根據(jù)仿真的結(jié)果確定機(jī)器人工作程序文件[11]。將該文件發(fā)給噴涂機(jī)器人即可完成對(duì)工件的自動(dòng)化噴涂，但只能實(shí)現(xiàn)固定軌跡、部位、形狀和漆種的大批量、單一品種噴涂。

1.3?不同軌跡編程技術(shù)特性分析

從編程效率、編程質(zhì)量、成本、編程頻率等四方面對(duì)不同軌跡編程方式進(jìn)行了比較，如表1所示。

由表1可知，不同的編程方式各有特點(diǎn)。實(shí)際噴涂應(yīng)用中，需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景擇優(yōu)選取。例如汽車主機(jī)廠涂裝線選取離線軟件編程方式；少批量多品種的藝術(shù)品噴涂場(chǎng)合選取紅外光學(xué)跟蹤定位傳感器來編程；家具行業(yè)的噴涂則選取3D視覺自主軌跡規(guī)劃方式[12]。

2?未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著產(chǎn)品個(gè)性化生產(chǎn)要求的提高以及AI大模型的快速發(fā)展和垂直行業(yè)的應(yīng)用落地，AI柔性噴涂將是未來發(fā)展新方向[9]。該技術(shù)通過3D視覺傳感器采集產(chǎn)品外形并通過AI進(jìn)行識(shí)別，再采用激光結(jié)構(gòu)光和線掃描兩種模式自動(dòng)計(jì)算工件的三維模型，根據(jù)系統(tǒng)積累的噴涂刷子參數(shù)智能生成運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用模仿專業(yè)涂裝工的手法進(jìn)行自動(dòng)噴涂。AI柔性化噴涂技術(shù)尤其適合于標(biāo)準(zhǔn)化程度低、工件品類多的通用場(chǎng)景。

3?結(jié)語

在涂裝技術(shù)朝著智能化、柔性化方向發(fā)展的過程中，噴涂機(jī)器人的軌跡編程是核心環(huán)節(jié)。本文綜述了人工示教和自主軌跡規(guī)劃兩方面的編程技術(shù)，并對(duì)不同的軌跡編程技術(shù)的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和對(duì)比分析，最后根據(jù)行業(yè)發(fā)展，展望了基于AI柔性噴涂技術(shù)的廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

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