噴涂機器人運動控制和視覺補償

王智明

摘 ?要：噴涂機器人是工業生產機械化和智能化的代表產物之一，在我國也有了較為廣泛的研究和應用基礎。隨著科學技術的發展和進步，工業生產方面對于噴涂機器人的運動和智能方面都提出了更高的要求，相比于傳統的六軸機器人，新一代的噴涂機器人為斜交腕六自由度機器人，具有更靈活、快速和準確的運動能力，使得生產效率和準確率得到了顯著提升。文章主要研究了斜交腕六自由度噴涂機器人的運動學建模和視覺補償方式，希望通過文章的閱讀，能夠給噴涂機器人研發相關領域的研究工作者提供一定的幫助和啟發。

關鍵詞：噴涂機器人;運動控制;視覺補償

中圖分類號：TP242.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0022-02

Abstract： Spraying robot is one of the representative products of mechanized and intelligent industrial production， and it also has a wide range of research and application basis in our country. With the development and progress of science and technology， industrial production has put forward higher requirements for the movement and intelligence of the spraying robot. Compared with the traditional six-axis robot， the new generation of spraying robot is a skew wrist six-degree-of-freedom robot， with more flexible， fast and accurate movement ability， the production efficiency and accuracy have been significantly improved. This paper mainly studies the kinematics modeling and visual compensation of the skew wrist six-degree-of-freedom spraying robot， hoping that through the reading of the paper， it can provide some help and inspiration to the researchers in the fields related to the research and development of the spraying robot.

Keywords： spraying robot; motion control; visual compensation

前言

噴涂機器人顧名思義，是一種代替人力實施噴涂工作的智能器械工具，在機械設備和智能機器人廣泛應用到生產流水線作業的今天，噴涂機器人在研發和制造上并不算其中的頂尖。不過由于歷史原因，我國對于機器人的相關研究整體上要普遍落后于西方發達國家以及日韓等國，很多工廠的噴涂機器人還依賴進口或者是國外的技術扶持，在自主研發方面尚有很長的路要走。

1 運動學建模

1.1 機械臂運動學正解

1.2 噴涂機器人運動學逆解

噴涂機器人的機械臂的六個轉動關節中相鄰三個關節的軸線交于一點或者平行，是噴涂機器人斜交腕六自由度轉動的必要條件，此時需要對噴涂機械人的運動學求逆解，只有存在封閉逆解的時候，才能證明斜交末端的開發的可靠性。在進行運動學逆解的求解過程中，需要結合噴涂機器人的機械臂運動范圍和象限特性對結果進行舍棄，保留有意義的解。

2 逆解仿真

逆解仿真的目的是為了檢驗機器人的機械臂末端的運動精度，從正解的角度來看，噴涂機器人末端的位姿解，實際上就是一條運動軌跡，而通過結合對噴涂工作的深入了解，我們知道噴涂機器人在進行噴涂工作的時候，機械臂的末端實際上是在工件上進行運動，運動曲線為類正弦曲線，將該曲線帶入到運動學逆算法中，能夠逆解出六自由度的機器人各個機械臂的角度，將這些角度值帶入到正解的方程中，就能解出另一條曲線，利用軟件進行仿真，發現兩條曲線基本重合，從而肯定了斜交腕六自由度噴涂機器人的運動精度。

除了直接逆解仿真機器人末端的運動軌跡之外，我們還可以對機器人的姿態向量進行跟蹤，上文中矩陣中的n向量、o向量和a向量都可以進行比較，發現計算得到的向量與規劃器生成的向量，之間具有微小的差距，從這方面，也能對其運動精確度進行肯定。

3 視覺補償

所謂的噴涂機器人視覺補償，就是利用攝像機對待噴涂工件的空間特性和參數進行抓取，之后經過簡單的成像和分析，計算出工件的笛卡爾空間位置，這樣能夠讓機器人的噴涂工作變得更加精準，想要實現視覺補償，就要通過以下的幾個步驟來實現。

3.1 攝像機標定

攝像機就是機器人的眼睛，是實現機器人視覺補償的必要條件，而為了提升視覺補償過程中對工件的空間定位的精準度，需要對機器人攜帶的工業相機進行標定。一般來講，噴涂機器人的攝像機標定方法會選擇張正友標定法，這是一種應用非常廣泛攝像機標定法，原理是小孔成像，實際操作過程中，對標的物在不同角度進行拍攝，要求選擇至少兩個角度進行拍攝和標定，不過在實際的工作中，一般會選擇5～7個角度進行拍攝，以此來提高標定的精確度。

3.2 高斯濾波

在實際工作中，工業生產的環境并不理想，由于傳送帶和其他設備存在，圖像生成過程中可能有大量的干擾和噪音存在，使得工業相機拍攝的照片十分模糊，對這樣的圖像進行處理，就難以得到工件的實際空間位置信息，造成工作精度的降低。

面對這種在工作中不可避免干擾，我們使用高斯濾波將雜波濾除，保證圖像的清晰程度。

3.3 特征識別

特征識別的主要步驟是將工件的信息進行提取后，通過特征匹配，與數據庫中的結果進行匹配，能夠快速提取同種類的工件空間特征。這種方法能夠迅速確認元件的種類，直接提取元件的空間特性，進行噴涂工作。但是灰度直方圖匹配，在精確度上存在一定劣勢，因此，在進行元件加工的過程中，如果元件的特征不明顯，或者與數據庫中的其他元件發生錯誤的匹配，可能會影響操作的精度。

3.4 特征識別目標匹配

特征識別的目標匹配工作，選擇灰度直方圖匹配方式不可取，可能會降低匹配精度，因此通常使用輪廓匹配的方法。輪廓匹配是對工件的輪廓直接進行抓取和識別的一種目標匹配方式，由于工件的輪廓具有不變性，因此在實際工作中，采用輪廓匹配能夠很好地提高圖像采集過程中的抗噪性，從而增加工作的精度。由于這種方法忽略了工件內部細節而注重工件的輪廓，所以在一定程度上，減少了機器人的運算量，提升了工作的效率和準確率。

但是在實際的生產工作中，一些工件的形狀是較為復雜的組合形式，對這樣的工件進行輪廓匹配的時候，需要對整個工件進行掃描，實時性和效率都會大打折扣，針對這樣的情況，我們建議將工件進行拆分掃描，只針對單一的目標，把工件拆分成簡單的形狀單元，之后分類的進行匹配和捕捉，讓后根據既定的程序進行噴涂。

4 思考與發現

本次對斜交腕六自由度噴涂機器人進行了研究，在研究過程中，不斷的思考和討論，有了以下幾點較為有意義的發現：

（1）噴涂機器人的機械臂末端軌跡，主要是由前四個機械臂的關節影響的。

（2）在進行逆解的過程中，如果將擬牛頓迭代法中的雅克比矩陣的階數從6階降到4階，對結果不產生影響，因此能夠對計算過程進行一定的簡化。

（3）第二點中提到的雅克比矩陣的階數下降，還能提高計算的精度，減少計算的誤差。

5 結束語

總之，對于噴涂機器人為代表的工業生產機器人的機械臂的靈活度和精度的研究，我國目前也已經日趨成熟和完善起來，雖然距離西方發達國家尚有差距，但是隨著我國的科學技術的發展，相信終有一天能夠實現趕超和領先。對于噴涂機器人來講，本文驗證了斜交腕六自由度機器人的機械臂的靈活度和工作的精確度，證明了其具有非常廣闊的未來前景和應用價值，值得進行推廣和普及。

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