面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法及系统与流程

本发明涉及机械臂轨迹规划，特别涉及一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法及系统。

背景技术：

1、船舶自动化涂装作业通常采用冗余自由度机械臂沿预设路径执行喷涂。现有的轨迹规划方法一般对目标曲面进行离散化处理，将各个离散节点处的曲面法向量与固定的喷涂靶距严格绑定，以此生成唯一的刚性位姿控制指令。随后，控制系统通过逆运动学求解，将笛卡尔空间下的末端位姿转换为关节空间内的关节角序列，并下发至底层伺服系统以驱动机械臂连续运行。

2、然而，当机械臂在球鼻艏或艉轴包板等高曲率船壳表面区域进行作业时，刚性的法向约束会导致末端空间位姿变化剧烈，使得机械臂容易陷入运动学奇异位形。在靠近奇异区域时，雅可比矩阵逆解条件恶化，会引发部分关节的角速度急剧增加甚至突破机械结构的物理极限，导致轨迹执行中断。

3、现有的部分控制策略通过牺牲末端笛卡尔空间的轨迹跟踪精度来抑制关节速度突变，但这会使喷枪的实际位姿脱离船舶涂装工艺允许的正常范围，进而导致船壳表面出现漆膜厚度不均或流挂等质量缺陷。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法及系统，以保障机械臂在复杂曲面加工作业中的运行平顺性与结构安全性。

2、为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法，应用于冗余自由度喷涂机械臂，所述方法包括：

3、获取待喷涂船壳的三维模型，采用参数化曲面拟合重构出目标喷涂曲面，沿所述目标喷涂曲面上的喷涂路径离散得到多个轨迹离散节点，并计算各个所述轨迹离散节点的理论末端位姿基准；

4、基于船舶涂装工艺合格阈值，为各个所述轨迹离散节点构建工艺容差位姿锥；所述工艺容差位姿锥包含姿态约束与靶距位置约束；

5、基于所述冗余自由度喷涂机械臂的连杆参数构建正运动学模型，推导雅可比矩阵，并计算所述雅可比矩阵的伪逆矩阵与零空间投影矩阵；

6、以操作度最大化、关节极限规避及角速度平滑为目标构建多目标优化泛函，计算所述多目标优化泛函关于关节角的负梯度向量，并将所述负梯度向量映射至所述零空间投影矩阵对应的零空间提取零空间分量，同时构造受所述工艺容差位姿锥引导的笛卡尔位姿松弛分量，所述笛卡尔位姿松弛分量的方向与所述负梯度向量在笛卡尔空间的映射方向一致，且其大小受限于所述姿态约束与靶距位置约束构成的容差边界；将所述笛卡尔位姿松弛分量经所述伪逆矩阵映射后与所述零空间分量进行叠加，得到关节优化速度分量；

7、评估各个所述轨迹离散节点的操作度，若低于预设的奇异规避阈值，则在所述工艺容差位姿锥限定的可行域范围内，结合所述关节优化速度分量进行迭代寻优，生成最优关节角序列；

8、对所述最优关节角序列进行平滑插补，生成实际关节角时序矩阵，下发至底层伺服系统以驱动所述冗余自由度喷涂机械臂执行喷涂。

9、为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划系统，应用于冗余自由度喷涂机械臂，所述系统包括：

10、曲面重构与位姿基准计算模块，用于获取待喷涂船壳的三维模型，采用参数化曲面拟合重构出目标喷涂曲面，沿所述目标喷涂曲面上的喷涂路径离散得到多个轨迹离散节点，并计算各个所述轨迹离散节点的理论末端位姿基准；

11、工艺容差位姿锥构建模块，用于基于船舶涂装工艺合格阈值，为各个所述轨迹离散节点构建工艺容差位姿锥；所述工艺容差位姿锥包含姿态约束与靶距位置约束；

12、运动学建模与矩阵推导模块，用于基于所述冗余自由度喷涂机械臂的连杆参数构建正运动学模型，推导雅可比矩阵，并计算所述雅可比矩阵的伪逆矩阵与零空间投影矩阵；

13、优化泛函构建与梯度映射模块，用于以操作度最大化、关节极限规避及角速度平滑为目标构建多目标优化泛函，计算所述多目标优化泛函关于关节角的负梯度向量，并将所述负梯度向量映射至所述零空间投影矩阵对应的零空间提取零空间分量，同时构造受所述工艺容差位姿锥引导的笛卡尔位姿松弛分量，所述笛卡尔位姿松弛分量的方向与所述负梯度向量在笛卡尔空间的映射方向一致，且其大小受限于所述姿态约束与靶距位置约束构成的容差边界；将所述笛卡尔位姿松弛分量经所述伪逆矩阵映射后与所述零空间分量进行叠加，得到关节优化速度分量；

14、奇异评估与容差域寻优模块，用于评估各个所述轨迹离散节点的操作度，若低于预设的奇异规避阈值，则在所述工艺容差位姿锥限定的可行域范围内，结合所述关节优化速度分量进行迭代寻优，生成最优关节角序列；

15、轨迹插补与伺服驱动模块，用于对所述最优关节角序列进行平滑插补，生成实际关节角时序矩阵，下发至底层伺服系统以驱动所述冗余自由度喷涂机械臂执行喷涂。

16、为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法。

17、本发明的技术方案在船舶自动化涂装作业中，将传统的固定位姿跟踪指令重构为由工艺合格阈值界定的工艺容差位姿锥，在确保涂层质量合规的可行域内释放了机械臂的末端冗余度。在喷涂机械臂沿高曲率曲面运行期间，该方案通过操作度评估机制识别奇异状态，并在限定的可行域范围内结合映射至零空间的多目标优化速度分量进行联合寻优。这一处理方式能够在不破坏漆膜均匀性等工艺标准的前提下，自主调整机械臂的关节位形，从运动学底层规避了奇异区域并抑制了关节角速度的阶段性突变，保障了机械臂在复杂曲面加工作业中的运行平顺性与结构安全性。

1.一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划方法，应用于冗余自由度喷涂机械臂，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取待喷涂船壳的三维模型，采用参数化曲面拟合重构出目标喷涂曲面，沿所述目标喷涂曲面上的喷涂路径离散得到多个轨迹离散节点，并计算各个所述轨迹离散节点的理论末端位姿基准，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于船舶涂装工艺合格阈值，为各个所述轨迹离散节点构建工艺容差位姿锥，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述冗余自由度喷涂机械臂的连杆参数构建正运动学模型，推导雅可比矩阵，并计算所述雅可比矩阵的伪逆矩阵与零空间投影矩阵，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以操作度最大化、关节极限规避及角速度平滑为目标构建多目标优化泛函，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述评估各个所述轨迹离散节点的操作度，若低于预设的奇异规避阈值，则在所述工艺容差位姿锥限定的可行域范围内，结合所述关节优化速度分量进行迭代寻优，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，启动所述迭代寻优后，所述方法还包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述同步计算出期望末端位姿及对应的目标关节角之后，所述迭代寻优还包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述迭代寻优还包括以下终止条件与输出规则：

10.一种面向高曲率船壳表面的喷涂轨迹自适应规划系统，应用于冗余自由度喷涂机械臂，其特征在于，所述系统包括：