变曲率工况下的工业机器人示教技术及其应用研究

摘要

工业机器人在变曲率工况下的应用越来越多，如汽车钣金件、高铁车头、飞机机身和涡轮叶片等产品的抛光、喷涂及其模具的切削等。现有的工业机器人示教方法在应用于变曲率工况时，存在两个方面的问题:1）路径规划中工业机器人末端执行器的姿态变化不够平滑，难以满足该区域的加工质量要求;2）轨迹规划中工业机器人逆解组合的筛选过程容易陷入局部最优，关节角速度的变化不平滑，导致工业机器人的整体作业耗能优化不合理。
　　针对上述问题，本文提出了一种变曲率工况下的工业机器人示教技术:1）提取出变曲率曲面中顶点的最小主曲率作为搜索方向，得到高效、优质的插值点，进而得到几何平滑的路径规划，避开姿态变化大的路径，提高加工精度;2）将考虑运动平滑的逆解组合筛选问题转化为一系列离散点有向图最短路径求解问题，采用改进的工业机器人能耗模型求取有向图的边长，分段的使用Dijkstra算法求解该最短路径有向图，获得运动平滑的逆解组合。
　　本文的研究内容主要有以下四个部分:
　　1)提出了一种考虑工业机器人作业加工质量的变曲率曲面定义，实现了变曲率曲面网格模型的特征提取。针对三角网格模型，利用哈希函数提取网格的拓扑关系;使用网格形状和面积估算并提取顶点的最大主曲率值;采用经验分析法寻找合适的最大主曲率阈值，提取出自由曲面中的变曲率区域。
　　2)针对末端执行器姿态不够平滑的问题，提出了一种考虑几何平滑的工业机器人作业路径规划方法，使机器人能够沿姿态变化最小的路径进行作业，降低加工误差。选用变曲率区域中高斯曲率最大的顶点作为区域内的算法初始插值点;用曲率匹配法估算步长，沿着最小主曲率方向搜索插值点，从而得到一条有序插值点路径;用等残留高度法估算行间距，沿着最大主曲率方向搜索下一条轨迹的起点，得到后续插值点序列，进而得到整片区域的路径规划。
　　3)针对封闭解的逆解组合选取过程中精度不高、易产生局部最优解的问题，提出了一种考虑运动平滑的逆解组合优选方法，把逆解组合筛选问题转化为最短路径求解问题，得到作业全局能耗较小的逆解组合。使用约束条件对逆解值先进行筛选;建立能量消耗模型，用三次插值样条曲线拟合六个关节的角度变化，求解出插值点之间的能耗值并将其作为边长，使用Dijkstra算法求解该最短路径有向图，得到运动平滑的逆解组合。
　　4)开发了工业机器人虚拟示教仿真系统，实现了在线示教、编程示教、示教再现以及变曲率工况下作业对象的特征提取、路径规划和逆解组合筛选等功能，应用于汽车保险杠的工业机器人作业路径规划中，提高了示教效率、几何平滑性和运动平滑性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变曲率工况下工业机器人作业对象的特征提取方法

1．2．2 变曲率工况下工业机器人作业路径规划技术

1．2．3 变曲率工况下工业机器人轨迹规划和逆解组合筛选技术

1．3 本文主要研究内容

第2章 变曲率工况下工业机器人作业对象的特征提取方法

2．1 引言

2．2 变曲率曲面的定义

2．3 基于自适应表长哈希函数的三角网格模型拓扑关系提取方法

2．4 顶点最大主曲率值估算和变曲率区域提取方法

2．5 拓扑关系和交曲率区域提取的实例

2．6 本章小结

第3章 考虑几何平滑的工业机器人作业路径规划技术

3．1 引言

3．2 网格顶点最小主曲率方向的求取方法

3．2．1 基于角度加权的顶点法失估算方法

3．2．2 基于局部拟合的顶点主曲率方向求解方法

3．3 基于主曲率匹配法的工业机器人作业步长估算与搜索方法

3．3．1 现有基于主曲率匹配法的等误差步长估算方法

3．3．2 改进后面向网格化模型的主曲率匹配步长估算与搜索方法

3．4 工业机器人作业路径的规划方法与实例

3．4．1 初始点的搜索方法

3．4．2 初始路径的搜索方法

3．4．3 整片路径的搜索方法与示教代码的生成

3．5 本章小结

第4章 考虑运动平滑的工业机器人逆解组合优选技术

4．1 引言

4．2 逆解筛选的最短行程法与分化点规则

4．2．1 最短行程法

4．2．2 符合PIEPER准则的工业机器人分化点规则

4．3 逆解组合优选问题的变换与求解

4．3．1 逆解组合优选问题变换

4．3．2 第一角的分离筛选

4．3．3 第二、三角筛选的分段Dijkstra算法

4．4 基于改进能耗模型的最短路径问题边长计算

4．4．1 现有的工业机器人作业能耗建模方法

4．4．2 改进的工业机器人作业能耗建模方法

4．5 逆解组合优选技术实例

4．5．1 最短行程法实例

4．5．2 考虑加速度的逆解优选实例

4．5．3 逆解组合优选结果分析

4．6 本章小结

第5章 工业机器人虚拟示教仿真系统开发及应用

5．1 引言

5．2 虚拟示教仿真系统交互界面设计

5．3 工业机器人运动场景仿真功能的技术实现

5．4 工业机器人在线示教、编程示教和示教再现功能的技术实现

5．4．1 在线示教功能的技术实现

5．4．2 编程示教和示教再现技术实现

5．5 曲面处理功能应用实例

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介