CN208156500U - 一种活动式机器人自动喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种活动式机器人自动喷涂装置，包括工业机器人、机器人控制单元、喷枪和漆气联供单元，还包括视觉识别单元、计算机控制终端和活动式工作台；工业机器人、机器人控制单元和漆气联供单元放置在活动式工作台上，移动活动式工作平台，使喷涂工件处于工业机器人的工作空间内以方便作业；计算机控制终端分别与机器人控制单元和视觉识别单元相互通讯；视觉识别单元和喷枪安装在工业机器人末端上；工业机器人通过电缆与机器人控制单元相连；本实用新型能够增加机器人喷涂装置对工作场景的适应性和扩容性。

Description

一种活动式机器人自动喷涂装置

技术领域

本实用新型属于机器人自动喷涂应用技术领域，更具体地，涉及一种基于视觉识别的活动式机器人自动喷涂装置。

背景技术

表面喷涂是产品加工链中至关重要的一环，而人工喷涂存在一定的缺陷：第一，人工喷涂作业质量不稳定，喷枪设置和工艺参数等诸多因素皆由人工经验决定，导致整个产品的质量参差不齐；第二，为保证喷涂厚度均匀无死角，操作人员会反复施釉，造成了釉料的大量浪费和生产效率低下；第三，喷涂作业环境恶劣，长时间工作对工人身体健康有严重危害。

近年来，随着机器人应用的普及、对喷涂产品质量的要求提高和人工成本的不断提高，替代传统手工作业的机器人自动喷涂***应运而生。喷涂是机器人最重要的应用之一，机器人喷涂技术广泛应用于五金、家私、塑胶、军工、船舶等众多领域。

目前的机器人喷涂应用的编程方式主要有示教编程和离线编程两种方式。示教编程是由技术人员通过示教器操纵机器人移动，并采用记录轨迹的关键点的机器人关节转角、速度等参数的值，然后利用示教器存储的示教程序控制机器人自动重复示教轨迹。人工示教法过度依赖技术人员的工作经验，示教操作时间长。离线编程利用计算机辅助设计技术通过对机器人、喷涂工件和工作场地进行分析处理、规划轨迹、生成机器人轨迹代码并传输到机器人的控制器中，使机器人执行喷涂作业。但是离线编程需要在零件模型上编制机器人喷涂轨迹，高度依赖编程人员技术经验，在零件品种多时编程工作量大，在没有零件模型的情况下需要重新对零件建模。

总之，固定式机器人的现有编程模式在表面喷涂的应用中存在着对场地要求高，对工件适应性差，编程工作量大等诸多局限性。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种活动式机器人自动喷涂装置，其目的在于解决现有的固定式机器人存在的对工作场景的适应性和扩容性差的问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种活动式机器人自动喷涂控制***，包括视觉识别单元、主控单元、图形重建单元、轨迹编程单元、喷涂单元和机器人控制单元；

主控单元的第一控制端与图形重建单元的第一输入端相连，第二控制端与轨迹编程单元的第一输入端相连，第三控制端与喷涂单元的第一输入端相连；图形重建单元的第二输入端与视觉识别单元的输出端相连，图形重建单元的第一输出端与轨迹编程单元的第二输入端相连，第二输出端与喷涂单元的第二输入端相连；轨迹编程单元的输出端与喷涂单元的第三输入端相连；喷涂单元的输出端与机器人控制单元相连。

优选的，上述活动式机器人自动喷涂控制***，其轨迹编程单元包括喷涂区域识别模块和喷涂轨迹计算模块；

喷涂区域识别模块的输入端与图形重建单元的第一输出端相连，其输出端与喷涂轨迹计算模块的输入端相连；喷涂轨迹计算模块的输出端与喷涂单元的第三输入端相连。

优选的，上述活动式机器人自动喷涂控制***，其喷涂单元包括仿真模块和后处理模块；

仿真模块的第一输入端与图形重建单元的第二输出端相连，其第二输入端与喷涂轨迹计算模块的输出端相连，其输出端与后处理模块的一端相连；后处理模块的另一端与机器人控制单元相连。

按照本实用新型的另一个方面，提供了一种基于上述自动喷涂控制***的活动式机器人自动喷涂装置，包括视觉识别单元、机器人控制单元、计算机控制终端、工业机器人、活动式工作台、喷枪和漆气联供单元；工业机器人、机器人控制单元和漆气联供单元放置在活动式工作台上，移动活动式工作平台，使喷涂工件处于工业机器人的工作空间内以方便作业；

计算机控制终端分别与机器人控制单元和视觉识别单元相互通讯；视觉识别单元和喷枪通过连接装置安装在工业机器人末端上；漆气联供单元通过管道和喷枪相连；工业机器人通过电缆连接到机器人控制单元上。

优选的，上述活动式机器人自动喷涂装置，其视觉识别单元采用三维相机实现。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型提供的一种活动式机器人自动喷涂装置，采用视觉识别单元采集工件的几何信息，针对待喷涂工件自动建立对应的喷涂区域模型，当更换机器人或需对不同种类型号的工件进行喷涂时，无需重新对待喷涂工件建模，无需针对待喷涂工件和机器人进行编程，增加了对喷涂工件的适应性，减少了编程工作量，为非专业环境下的非标准件自动喷涂提供了一种解决方案；

(2)本实用新型提供的一种活动式机器人自动喷涂装置，基于视觉识别单元和主控单元自动实现了扫描工件、轨迹编程、仿真处理和执行喷涂的一系列操作步骤，无需人工干预，降低了喷涂操作人员的技术经验要求，工作流程简单易学，参数设置一目了然，使喷涂工作具备更广的适应性和质量一致性，相较于固定式机器人喷涂而言，活动式机器人增加了对工作场景的适应性和扩容性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种活动式机器人自动喷涂控制***的逻辑框图；

图2是本实用新型实施例提供的自动喷涂控制方法的流程简图；

图3是本实用新型实施例提供的生成喷涂区域模型的方法流程图；

图4是本实用新型实施例提供的生成喷涂轨迹文件的方法流程图；

图5是本实用新型实施例提供的一种活动式机器人自动喷涂装置的组成示意图；

图6是本实用新型实施例提供的喷涂工件示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实用新型实施例提供的一种活动式机器人自动喷涂控制***的逻辑框图，如图1所示，本实施例提供的一种活动式机器人自动喷涂控制***，包括视觉识别单元、主控单元、图形重建单元、轨迹编程单元、喷涂单元和机器人控制单元；

其中，主控单元的第一控制端与图形重建单元的第一输入端相连，第二控制端与轨迹编程单元的第一输入端相连，第三控制端与喷涂单元的第一输入端相连；图形重建单元的第二输入端与视觉识别单元的输出端相连，图形重建单元的第一输出端与轨迹编程单元的第二输入端相连，第二输出端与喷涂单元的第二输入端相连；轨迹编程单元的输出端与喷涂单元的第三输入端相连；喷涂单元的输出端与机器人控制单元相连。

视觉识别单元用于对待喷涂工件的某一方位进行拍摄，得到该方位的点云数据；

主控单元用于进行逻辑控制，调用图形重建单元、轨迹编程单元和喷涂单元实现具体功能；

其中，图形重建单元用于对视觉识别单元获取的某一方位点云数据进行网格化处理得到待喷涂工件的部分区域的三维模型；轨迹编程单元用于获取上述待喷涂工件的部分区域的三维模型，选取三维模型上的一点，规划扫描平面和扫描距离等参数，计算扫描轨迹；喷涂单元用于根据上述扫描轨迹规划出扫描路径，将其转换为机器人可执行的代码文件并传输至机器人控制单元，配合视觉识别单元扫描待喷涂工件；

机器人控制单元根据获取的上述代码文件控制视觉识别单元根据扫描路径自动对待涂工件进行扫描；

具体的，扫描路径的大体策略为机器人持视觉识别单元围绕待喷涂工件进行180°扫描，扫描完成后抬高一个高度后再次围绕待喷涂工件扫描，扫描过程中视觉识别单元保持匀速行走，并与待喷涂工件有一定距离。

视觉识别单元在机器人控制单元的控制下根据扫描路径自动扫描待喷涂工件，采集工件的多方位图像信息并进行处理，得到待喷涂工件的几何信息；

图形重建单元用于对视觉识别单元生成的几何信息进行优化处理，得到工件的网格化三维模型，以及工件、视觉识别单元和工业机器人之间的位置关系；优化处理包括校准、拟合和平顺化处理；

轨迹编程单元用于对图形重建单元生成的网格化三维模型中的喷涂区域进行筛选和优化处理，得到工件喷涂区域的三维模型；根据喷涂区域的三维模型，设置喷涂工艺参数，自动计算喷涂轨迹策略，得到喷涂轨迹文件；轨迹编程单元包括相连的喷涂区域识别模块和喷涂轨迹计算模块；喷涂区域识别模块的输入端与图形重建单元的第一输出端相连，其输出端与喷涂轨迹计算模块的输入端相连；喷涂轨迹计算模块的输出端与喷涂单元的第三输入端相连；

喷涂区域识别模块用于根据得到的工件的网格化三维模型，通过选取喷涂区域颜色特征，优化喷涂区域边界，去除喷涂区域噪声，得到工件喷涂区域的三维模型；喷涂轨迹计算模块用于根据喷涂区域识别模块生成的工件喷涂区域的三维模型，设置喷涂工艺参数，根据上述工艺参数结合基于喷涂厚度控制轨迹规划算法自动计算符合工艺要求的喷涂轨迹策略，得到喷涂轨迹文件；本实施例提供的基于喷涂厚度控制轨迹规划算法是在考虑前一条喷涂轨迹对工件的喷涂厚度的影响上计算后一条喷涂轨迹的位置，两条喷涂轨迹之间的区域必须满足预设的喷涂厚度约束；更新后一条喷涂轨迹为前一条喷涂轨迹，重复执行上述过程；基于喷涂厚度控制轨迹规划算法是在已有喷涂轨迹的喷涂厚度积累的基础上计算新的喷涂轨迹，能够严格保证整个喷涂区域均满足厚度要求。

喷涂单元用于根据图形重建单元生成的工件与工业机器人的位置关系搭建虚拟工作平台，根据喷涂轨迹计算模块生成的喷涂轨迹文件自动规划机器人动作路径，并将生成的动作路径转换成工业机器人可执行的代码文件；喷涂单元包括相连的仿真模块和后处理模块；仿真模块的第一输入端与图形重建单元的第二输出端相连，其第二输入端与喷涂轨迹计算模块的输出端相连，其输出端与后处理模块的一端相连；后处理模块的另一端与机器人控制单元相连；

仿真模块用于配置工件与工业机器人的位置关系，获取喷涂轨迹文件并对喷涂轨迹进行插补计算，自动规划机器人动作路径，模拟喷涂过程；后处理模块用于将仿真模块产生的动作路径转换成工业机器人可执行的代码文件并传输至机器人控制单元，由机器人控制单元控制工业机器人执行喷涂动作；喷涂单元还用于从机器人控制单元采集机器人位置和姿态信息，对整个喷涂过程做实时仿真。

喷涂单元与机器人控制单元的实时信息交互是通过以太网接口实现的，喷涂单元发送字符串指令给机器人控制单元，字符串指令可以是包含执行文件的数据，也可以是获得机器人状态的请求。

本实用新型还提供了一种活动式机器人自动喷涂控制方法，图2是本实施例提供的自动喷涂控制方法的流程简图，具体包括以下步骤：

S1：布置喷涂工作场景，标定视觉识别单元和工业机器人之间，以及喷枪和工业机器人之间的位置关系；

布置喷涂场景具体为：移动工业机器人，使待喷涂工件处于工业机器人的工作空间内，安装在工业机器人末端上的喷枪正对待喷涂工件；若待喷涂工件上存在不需喷涂的区域，用喷漆遮蔽纸对不需要喷涂的部分进行遮蔽，移动工业机器人，使喷枪正对待喷涂区域的中心位置。

S2：根据预先生成的扫描路径对待喷涂工件进行自动扫描，采集工件的图像信息并进行图像处理，得到工件的几何信息；

其中，扫描路径的生成过程包括以下步骤：

S21：对待喷涂工件的某一方位进行拍摄以获取该方位的点云数据，

S22：对上述点云数据进行网格化处理得到待喷涂工件部分区域的三维模型；

S23：选取三维模型上的一点，规划扫描平面、扫描距离等参数，计算扫描轨迹；

S24：根据上述扫描轨迹规划扫描路径，将扫描路径转换为机器人可执行的代码文件；

S25：机器人控制单元根据获取的上述代码文件控制视觉识别单元自动扫描待喷涂工件。

S3：对工件的几何信息进行校准、拟合和平顺化处理，输出三角片构成的网格化三维模型，以及工件、视觉识别单元和工业机器人之间的位置关系；

S4：根据工件的三维模型，自动识别喷涂区域并计算喷涂轨迹，得到喷涂轨迹文件；

具体的，步骤S4中包括以下子步骤：

S41：根据得到的工件三维模型，通过拾取喷涂区域颜色特征，优化喷涂区域边界，去除喷涂区域噪声，得到工件喷涂区域的三维模型并导入到喷涂轨迹计算模块；图3是本实用新型实施例提供的生成喷涂区域模型的方法流程图；拾取喷涂区域颜色特征后，为该颜色设置一定的容差，该容差值的大小对喷涂效果有较大影响；通过容差值对喷涂区域的边界进行优化；本实施例还提供了一种手动选取喷涂区域的方式，用户可采用选取多边形的方式确定喷涂区域；

S42：根据工件喷涂区域的三维模型，设置喷涂工艺参数，包括漆膜厚度，油漆种类，喷枪种类等，根据上述工艺参数结合基于喷涂厚度控制轨迹规划算法自动计算符合工艺要求的喷涂轨迹策略，得到喷涂轨迹文件；图4是本实用新型实施例提供的生成喷涂轨迹文件的方法流程图；

计算出的喷涂轨迹参照人工喷涂的思想，含有喷枪与喷涂区域的距离关系，喷枪进入和退出喷涂区域时的位置、方向和速度，喷枪的起喷点和结束喷点(即何时发送开始和停止指令给供气供漆***)，喷涂过程中喷枪的运行速度和喷涂量大小，起喷后喷枪以何种路径策略以实现最佳喷涂效果。按上述策略规划得到最佳的喷涂策略，在满足喷涂效果的前提下降低喷漆量，节约成本。

S5：根据工件与工业机器人的位置关系和喷涂轨迹文件规划喷涂路径，生成机器人可执行代码；

具体的，步骤S5中包括以下子步骤：

S51：获取工件与工业机器人的位置关系，自动搭建虚拟工作平台；虚拟工作平台包含了真实工作平台的关键信息，包括机器人模型(包括三维尺寸，轴间距，轴转动角度范围等)，喷枪和工业机器人的位置关系，视觉识别单元和工业机器人的位置关系，用户坐标系等；

S52：获取喷涂轨迹文件，进行工业机器人姿态计算，自动规划机器人动作路径，模拟喷涂过程；

S53：将产生的动作路径转换成工业机器人可执行的代码文件。

S6：将步骤S5中生成的机器人可执行代码传输至机器人控制单元，由机器人控制单元控制工业机器人执行喷涂动作；在执行喷涂的过程中，实时采集工业机器人的位姿信息，对整个喷涂过程做实时仿真。

本实用新型实施例还提供了一种基于上述自动喷涂控制***的活动式机器人自动喷涂装置，如图5所示，包括三维相机5、工业机器人6、活动式工作台8、计算机控制终端10、机器人控制器7、喷枪4、供漆***3和供气***2；其中，工业机器人6、机器人控制器7、供漆***3和供气***2放置在活动式工作台8上，移动搭载有工业机器人6的活动式工作平台8，使喷涂工件1处于工业机器人6的工作空间内以方便作业。

作为视觉识别传感器的三维相机5通过连接装置9安装在工业机器人6 末端上，安装时注意当工业机器人6处于机械零点位置时保持三维相机5 水平；三维相机5通过数据线与适配器相连，适配器通过数据线或无线方式与计算机控制终端10相互通讯；喷枪4也通过连接装置9安装在工业机器人6末端上，供漆***3通过管道分别与供气***2和喷枪4相连，喷枪4上连接有为其供漆的管道；连接装置9为自制的工装夹具，用于将三维相机和喷枪同时安装在工业机器人6末端；供漆***3和供气***2构成漆气联供单元，通过管道连接至电磁阀，最后连接到喷枪。

工业机器人6通过动力电缆和控制电缆连接到机器人控制器7上；计算机控制终端10通过以太网与机器人控制器7相连，实现信号实时传输与交互；计算机控制终端10上加载有自动喷涂软件程序，该自动喷涂软件程序运行时实现上述基于视觉识别的活动式机器人自动喷涂控制方法中 S3～S5的步骤，以及生成扫描路径过程中S22～S24的步骤。

图6是喷涂工件示意图，喷涂前，开启电源，打开计算机控制终端10，待自动喷涂软件启动完毕，移动搭载工业机器人6的活动式工作台8，使喷枪4正对待喷涂工件，观察自动喷涂软件显示的三维相机5视窗，手动控制工业机器人6使工件待喷涂区域处于三维相机5视窗的中心部位；三维相机5扫描待喷涂工件，采集其图像和几何信息，计算机控制终端10对工件的图像和几何信息进行处理，得到工件喷涂区域的三维模型，根据上述三维模型和位置关系计算喷涂轨迹策略，生成喷涂轨迹文件并转换为工业机器人可执行的代码文件，上述代码文件被传输至机器人控制器7，由机器人控制器7驱动工业机器人6按喷涂轨迹对工件进行喷涂。

其中，三维相机5优选采用微软公司出品的kinect v2相机；工业机器人包含各品牌型号的工业机器人，本实施例优选采用上海图灵智造机器人有限公司出品的TKB 030六轴工业机器人，包括本体，控制箱和示教器；喷枪4优选采用法国Kremlin-Rexson公司出品的A-25型自动空气喷枪。

本实施例提供的自动喷涂装置主要针对汽车零部件喷涂的应用场景，可应用于汽车制造和修理等领域，实现对零部件的自动喷涂，降低了对操作人员的技术经验要求，使喷涂工作具备更广的适应性和质量一致性，为非专业环境下的非标准件自动喷涂提供了一种解决方案。

本实用新型提供的一种基于视觉识别的活动式机器人自动喷涂装置、控制***及方法，采用基于视觉识别的轨迹规划方法，针对待喷涂工件自动建立对应的喷涂区域模型，当更换机器人或需对不同种类型号的工件进行喷涂时，无需重新对待喷涂工件建模，无需针对待喷涂工件和机器人进行编程，增加了对喷涂工件的适应性，减少了编程工作量，为非专业环境下的非标准件自动喷涂提供了一种解决方案。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种活动式机器人自动喷涂装置，包括工业机器人、机器人控制单元、喷枪和漆气联供单元，其特征在于，还包括视觉识别单元、计算机控制终端和活动式工作台；

所述工业机器人、机器人控制单元和漆气联供单元放置在活动式工作台上，移动所述活动式工作平台，使喷涂工件处于工业机器人的工作空间内以方便作业；

所述计算机控制终端分别与机器人控制单元和视觉识别单元相互通讯；所述视觉识别单元和喷枪安装在工业机器人末端上；所述工业机器人通过电缆与机器人控制单元相连。

2.如权利要求1所述的活动式机器人自动喷涂装置，其特征在于，所述视觉识别单元采用三维相机实现。