CN107063086B - 一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，本发明涉及基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法。本发明目的在于解决现有测量技术不能实现的问题。包括横向测量和纵向测量两部分；一、纵向测量方法的实现步骤如下：获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的横向平面内；二、横向测量方法实现步骤如下：获得机器人喷头在大地坐标系中坐标为P(x,y,z)，记录在机器人喷头移动过程中所经过的采样点，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的纵向平面内；重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定待喷涂工件曲面的法向向量。本发明用于喷漆领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法。
背景技术
在喷涂技术中，喷头与工件表面保持垂直是整个工艺中十分重要的一个环节，喷头时刻保持与工件表面的垂直能够保证喷漆的厚度、喷涂效果、光泽程度保持一致，便于实现喷漆工艺，保证了加工后工件的效果。传统的测量方式是离线测量确定法线方向，即在加工零件的过程中，为了使加工工具保持与曲面垂直，需要停止设备，人工示教。只能通过肉眼判断加工工具是否与曲面法线方向重合。
随着喷涂技术等自动化技术的普及，对于喷涂设备的姿态要求越来越高，为了提高自动化设备的工作效率，确保喷涂工艺的完整性，那么就需要一种方法保证喷头与曲面工件表面保持在方向上垂直。
现有技术中CN102393176测量曲面曲率半径的主要方法为等厚干涉法，该方法测量效率较低且使用场合有限，该技术方案包括左支架和左支架上垂直固定着左立尺，右支架和右支架上垂直固定着右力尺，；两力尺之间用横尺搭联，横尺上通过悬尺游标吊挂着悬尺，悬尺下端为半圆锥体接触点。上述技术方案一方面只能应用于整体结构对称于曲面的工件，或者是已经找到曲面的对称位置和角度等参数的工件，否则容易存在悬尺下端的半圆锥体接触点未准确接触曲面的最高点，即悬尺与曲面的半径不共线的情况，从而严重影响了曲率半径和法线向量的测量准确性。这种方法应用限制的范围较窄，寻找曲面对称位置和角度等参数较为费时。另外，这种方法只能应用于在水平方向上测量曲面法向量，不适用与大型工件。这种方法耗时时间比较长，在实际的工业应用中，并不完全适用。
另外一种CN201310342502.8该发明提出一种接触式测量曲面的方法以及误差补偿***，包括红宝石测touch陶瓷测杆和压力传感器，通过获得实际测量点与理论测量点的误差和夹角来确定实际曲面的法线方向。此种方法的缺点在于只适用于可接触设备，不便于喷漆喷头移动，在移动过程中会破坏喷漆效果，并且效率低下，成本较高。由此可见，此种方案非常不利于应用在喷漆机器人的曲面法向量测量中。
一般情况下，很多工业喷涂作业并不需要喷头完全对准工件曲面的法线方向，也就是说在寻找局部曲面法线向量时并不需要十分高的精度。只要保证在短距过程中，喷头能够对准工件的首末端曲面法线即可，就可以保证喷涂的流畅性和工艺的完整性，本发明结合机器人末端位置和机器人运动向量解算三角形，并采用双红外传感器配合机器人的运动方向向量获得局部曲面法向量信息。
发明内容
本发明提供了一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，目的在于解决现有测量技术不能实现的问题，以提高寻找局部曲面法向量的效率和工件加工质量。
一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法包括横向测量和纵向测量两部分；
一、纵向测量方法的实现步骤如下：
步骤一一：在机器人喷头移动到待喷涂工件曲面位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z)；
步骤一二：根据两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器之间的夹角θ，以及红外传感器测量的两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离d1、d2，解算得到待喷涂工件曲面上的两个点D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)；
所述机器人喷头边缘为机器人喷头喷漆面边缘；
步骤一三：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点的中点作为待喷涂工件曲面在纵向上与待喷涂工件纵向切面曲线法线的交点O1(xo1,yo1,zo1)；
步骤一四：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点用函数拟合，获得函数过O1(xo1,yo1,zo1)点的纵向法线向量
步骤一五：将机器人喷头的方向调整到与纵向法线向量平行的方向，并在纵向方向上移动机器人使机器人喷头对准O1(xo1,yo1,zo1)，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的横向平面内；
二、横向测量方法实现步骤如下：
步骤二一：在机器人喷头移动到目标位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z)；
通过两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器测量两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离，获得此时待喷涂工件曲面上的两个点的位置Da1(xa1,ya1,za1)、Db1(xb1,yb1,zb1)；
步骤二二：移动机器人喷头，同时记录在机器人喷头移动过程中所经过的采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)，是Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)点的起点)，其中采样周期为t；
所述t为正整数；
步骤二三：将采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)的中点作为机器人喷头的移动轨迹Don(xon,yon,zon)；
步骤二四：根据每次获得的移动轨迹，使用函数曲线(比如说，可以用二次曲线或者三次曲线来拟合)拟合所有的移动轨迹，获得移动轨迹的末端切线向量(使用解析几何的方式，根据获得的拟合曲线，获得曲线上点的切线向量和法线向量)，并根据末端切线向量获得横向法线向量(采用解析几何的方法，切线与法线向量垂直)；
步骤二五：将机器人喷头的方向调整到与横向法线向量平行的方向，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的纵向平面内；
重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定待喷涂工件曲面的法向向量；
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种用于喷漆机器人喷头寻找局部曲面法向量的测量方法，将三维曲面的测量转换为两次的二维测量，根据两台红外传感器的反馈点，用解析几何的方式解算喷头末端姿态。避免了人工操作所带来功效的低下，又避免了复杂的测量设备。并且通过双红外传感器，仅仅采用了两台红外传感器，结合机器人的运动向量所记录的反馈点，寻找曲面的法向量，可以实现整个过程连续性，实时性，能保证加工高效进行。保存了红外传感器的方便处理，及时反馈的特性，克服了人工操作的误差与低效，并且在众多其他的工业领域同样适用。
1、本发明将曲面法向量的测量分解成为横向测量与纵向测量两部分，将三维的问题降为两个二维问题，可以实现对于加工工件的曲面法向量的确定，获得不规则曲面的结构尺寸和特征，消除喷头为寻找待加工工件的曲面法向量而终止整个操作流程，人工示教所浪费的时间和人工的误差，提高工艺的精度和质量。
2、双红外线测距加工之后，无需离线检测，便可实现在线迅速调整喷头姿态，使喷头一直保持与曲面垂直。当喷头偏离曲面，可由喷头两侧的红外传感器所反馈的距离调整，直到满足指标的要求，保持喷头垂直于所对的曲面，节省人力和时间，提高了工件加工的制作效率，稳定性，重复性和一致性。
3、本发明采用了双红外线传感器测距，可以保持喷头一直处于移动状态。对于移动的喷头来说，红外传感器的干扰小，没有接触摩擦，便于移动。本发明的优点在于使用红外传感器测量曲面法线向量，适用于比较干扰情况复杂的环境。便于操作和计算，通用性比较好，因此增加了测量尺寸和范围。
4、本发明装置可以测量整个工件的局部曲面，不受待加工工件的尺寸限制，扩大了测量和检测的尺寸范围，可以应用在很多工业应用中。
5、本发明使用两台红外传感器结合喷头的运动向量获得曲面所在平面和其法向量。由于红外传感器的操作简单，测量速度快，效果可靠，因此可以实现测量过程的实时性。
6、相对于等厚干涉法，本发明的装置更加简单，大大节约成本，***设备要求比较低，容易实现，体积小，很便于装配。
7、可以根据喷头的距离调整两红外传感器之间的夹角，根据喷头移动的速度，调整移动过程中的采样时间。整个***比较灵活，便于掌控。
附图说明
图1为纵向测量，喷头在末端时，所对平面为工件曲面的情况示意图；D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)分别为两台红外传感器在工件上所测量出来的点，P(x,y,z)为喷头端点；
图2为横向测量，喷头在移动过程中时，每隔一定采样时间记录下双红外传感器的反馈点，通过函数拟合获得喷头移动到末端时的法线方向示意图；
图3为横向测量，纵向测量运动范围示意图；
图4为整个喷头的移动过程，从初始点到目标点的整个移动轨迹示意图；
图5为整个喷涂解算过程的主要流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法包括横向测量和纵向测量两部分；
一、纵向测量方法的实现步骤如下：
步骤一一：在机器人喷头移动到待喷涂工件曲面位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z),(x,y,z符合右手定则)；
步骤一二：根据两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器之间的夹角θ，以及红外传感器测量的两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离d1、d2，解算得到待喷涂工件曲面上的两个点D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)，(x1,y1,z1x,y,z符合右手定则，x2,y2,z2符合右手定则)；
所述夹角θ、d1、d2为已知；
所述机器人喷头边缘为机器人喷头喷漆面边缘；
步骤一三：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点的中点作为待喷涂工件曲面在纵向上与待喷涂工件纵向切面曲线法线的交点O1(xo1,yo1,zo1)，xo1,yo1,zo1符合右手定则；
步骤一四：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点用函数拟合，获得函数过O1(xo1,yo1,zo1)点的纵向法线向量xa,ya,za符合右手定则；
步骤一五：将机器人喷头的方向调整到与纵向法线向量平行的方向，并在纵向方向上移动机器人使机器人喷头对准O1(xo1,yo1,zo1)，即认为向量在待喷涂工件曲面的纵向垂直方向，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的横向平面内；
每次完成移动指令之后，都重复步骤一到步骤四，以保证能够更加准确的找到纵向方向的垂直方向；
二、横向测量方法结合了机器人的运动向量及信息，实现步骤如下：
步骤二一：在机器人喷头移动到目标位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z)；
通过两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器测量两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离，获得此时待喷涂工件曲面上的两个点的位置Da1(xa1,ya1,za1)、Db1(xb1,yb1,zb1)，符合右手定则；
步骤二二：根据喷漆工艺和工件表面轨迹移动机器人喷头，同时记录在机器人喷头移动过程中所经过的采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)，符合右手定则，(喷头在需求轨迹过程中，测量范围内的部分的采样点，Da1(xa1,ya1,za1)、Db1(xb1,yb1,zb1)是Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)点的起点)，其中采样周期为t；
所述t为正整数；
采样周期的选择影响对于曲线的拟合程度。采样周期由速度决定。
步骤二三：将两侧红外传感器的采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)的中点作为机器人喷头的移动轨迹Don(xon,yon,zon)，符合右手定则；
步骤二四：根据每次获得的移动轨迹，使用函数曲线(比如说，可以用二次曲线或者三次曲线来拟合)拟合所有的移动轨迹，获得移动轨迹的末端切线向量(使用解析几何的方式，根据获得的拟合曲线，获得曲线上点的切线向量和法线向量)，并根据末端切线向量获得横向法线向量符合右手定则(采用解析几何的方法，切线与法线向量垂直)；
步骤二五：将机器人喷头的方向调整到与横向法线向量平行的方向，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的纵向平面内；
重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定待喷涂工件曲面的法向向量；
所述一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法中的局部为两传感器角度不超过5°；
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一二中D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)具体公式为：
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一三中交点O1(xo1,yo1,zo1)的具体公式为：
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤一四中函数的具体公式为：
式中，m、n、p为拟合出的曲线的系数；
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤一二中两台设置在喷头边缘的红外测距传感器之间的夹角θ取值为0°≤θ≤5°。
θ需要非常小，根据喷头与工件的距离调整θ的角度，θ的角度应该保证小于5°。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤一二中两台设置在喷头边缘的红外测距传感器相对于喷头对称设置；
所述两个红外传感器与喷头处于同一平面内；每个红外传感器与喷头所成的夹角为
在纵向解算过程中，由于θ角足够小。可以认为三角形ΔPD1D2为等腰三角形，并认为D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)中线就是三角形的底边垂线。那么找到底边中线，将喷头对准中点O1(xo1,yo1,zo1)，就找到了曲面的纵向垂直方向如图1，每次完成移动指令之后，都重复步骤一到步骤四，以保证能够更加准确的找到纵向方向的垂直方向。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：在所述每次测量中，重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定了待喷涂工件曲面的法向向量；具体过程为：
机器人喷头对准采样点的中点，将横向测量和纵向测量的Don(xon,yon,zon)和O1(xo1,yo1,zo1)对齐，使横向测量和纵向测量在局部曲面上的同一个点，使横向平面与纵向平面相交，确定了待喷涂工件曲面的法向向量。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法具体是按照以下步骤制备的：
图1所展示的是纵向测量，喷头在末端，所对平面为工件曲面的情况，两台红外传感器在工件上所测量出来的点分别为D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)，与喷头端点P(x,y,z)构成ΔPD1D2。根据两个反馈点解算三角形中点位置和垂线与底边的交点。
图2为横向测量，喷头在移动的过程中，每隔一定采样时间记录下双红外传感器的反馈点，通过函数拟合获得喷头移动到末端时的法线方向。
图3为横向测量，纵向测量运动范围示意图；
图4描述了整个喷头的移动过程，从初始点到目标点的整个移动轨迹。并实时根据双红外传感器所反馈的数据，函数的拟合曲线，及时在线调整喷头末端姿态，保持喷头与工件曲面始终在垂直方向。
图5是整个喷涂解算过程的主要流程图，整个流程分为两个主要部分，一部分是横向测量，一部分是纵向测量。最终喷头末端指向反馈点中点，使喷头的方向即为局部曲面法向量。
从整体来说，局部曲面法向量的确定方法的主要部分如下几个部分：
步骤一：获得喷头末端位置，并接受外部指令，喷头沿着指定的运动向量，向目标方向移动。
步骤二：通过横向测量方式，根据采样时间，记录双红外传感器所经过路程的反馈点。
步骤三：计算喷头的实际运动轨迹，并使用函数拟合喷头的运行轨迹计算出函数末端的法向量，并调整喷头的方向。使喷头保证在横线平面内与曲面工件保持垂直。
步骤四：当喷头到达目标点之后，使用纵向侧脸方式。获得喷头两侧的红外传感器的反馈点。
步骤五：计算两点的重点，并用函数拟合两个反馈点，获得函数的法线方向。
步骤六：将喷头对准反馈点中点，并将喷头保持与两次获得的横向纵向法线方向保持一致，便获得了在局部曲面的法线方向。
综上所述，本发明提供了一种用于喷漆机器人喷头寻找局部曲面法向量的测量方法，将三维曲面的测量转换为两次的二维测量，根据两台红外传感器的反馈点，用解析几何的方式解算喷头末端姿态。避免了人工操作所带来功效的低下，又避免了复杂的测量设备。并且通过双红外传感器，仅仅采用了两台红外传感器，结合机器人的运动向量所记录的反馈点，寻找曲面的法向量，可以实现整个过程连续性，实时性，能保证加工高效进行。保存了红外传感器的方便处理，及时反馈的特性，克服了人工操作的误差与低效，并且在众多其他的工业领域同样适用。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，其特征在于：一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法包括横向测量和纵向测量两部分；
一、纵向测量方法的实现步骤如下：
步骤一一：在机器人喷头移动到待喷涂工件曲面位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z)；
步骤一二：根据两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器之间的夹角θ，以及红外传感器测量的两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离d1、d2，解算得到待喷涂工件曲面上的两个点D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)；
所述机器人喷头边缘为机器人喷头喷漆面边缘；
步骤一三：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点的中点作为待喷涂工件曲面在纵向上与待喷涂工件纵向切面曲线法线的交点O1(xo1,yo1,zo1)；
步骤一四：将D1(x1,y1,z1)与D2(x2,y2,z2)两点用函数拟合，获得函数过O1(xo1,yo1,zo1)点的纵向法线向量
步骤一五：将机器人喷头的方向调整到与纵向法线向量平行的方向，并在纵向方向上移动机器人使机器人喷头到O1(xo1,yo1,zo1)，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的横向平面内；
二、横向测量方法实现步骤如下：
步骤二一：在机器人喷头移动到目标位置后，获得机器人喷头在大地坐标系中坐标，并设定为P(x,y,z)；
通过两台设置在机器人喷头边缘的红外测距传感器测量两个红外传感器与待喷涂工件曲面的距离，获得此时待喷涂工件曲面上的两个点的位置Da1(xa1,ya1,za1)、Db1(xb1,yb1,zb1)；
步骤二二：移动机器人喷头，同时记录在机器人喷头移动过程中所经过的采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)，其中采样周期为t；
所述t为正整数；
步骤二三：将采样点Dan(xan,yan,zan)、Dbn(xbn,ybn,zbn)的中点作为机器人喷头的移动轨迹Don(xon,yon,zon)；
步骤二四：根据每次获得的移动轨迹，使用函数曲线拟合所有的移动轨迹，获得移动轨迹的末端切线向量，并根据末端切线向量获得横向法线向量
步骤二五：将机器人喷头的方向调整到与横向法线向量平行的方向，确定机器人喷头在垂直于待喷涂工件曲面的纵向平面内；
重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定待喷涂工件曲面的法向向量；
所述步骤一二中D1(x1,y1,z1)、D2(x2,y2,z2)具体公式为：
所述步骤一三中交点O1(xo1,yo1,zo1)的具体公式为：
所述步骤一四中函数的具体公式为：
式中，m、n、p为拟合出的曲线的系数。
2.根据权利要求1所述一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，其特征在于：所述步骤一二中两台设置在喷头边缘的红外测距传感器之间的夹角θ取值为0°≤θ≤5°。
3.根据权利要求2所述一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，其特征在于：所述步骤一二中两台设置在喷头边缘的红外测距传感器相对于喷头对称设置；
所述两个红外传感器与喷头处于同一平面内；每个红外传感器与喷头所成的夹角为
4.根据权利要求3所述一种基于双红外传感器的局部曲面法向量确定方法，其特征在于：在所述每次测量中，重复横向测量和纵向测量，横向平面与纵向平面相交，确定了待喷涂工件曲面的法向向量；具体过程为：
机器人喷头对准采样点的中点，将横向测量和纵向测量的Don(xon,yon,zon)和O1(xo1,yo1,zo1)对齐，使横向平面与纵向平面相交，确定了待喷涂工件曲面的法向向量。
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