一种曲面喷涂的喷枪位姿控制方法及系统与流程

本发明涉及机器人自动化涂装，具体涉及一种曲面喷涂的喷枪位姿控制方法及系统。

背景技术：

1、在机器人曲面喷涂作业中，喷枪的位姿控制直接决定了漆膜的均匀性与表面质量。现有技术通常采用保持喷枪法向垂直于工件表面并维持恒定喷距的控制策略，或者仅依据二维路径规划中的线条走向来调整喷嘴角度。然而，对于车门弧面、翼子板等曲率连续变化的复杂三维曲面，仅依靠法向跟随或二维路径导向难以唯一确定喷枪绕喷流轴的旋转姿态，导致在曲面转折处容易出现喷幅投影畸变、搭接宽度不均以及漆膜厚度波动等问题。此外，简单的几何约束生成的位姿序列往往缺乏对机器人运动学特性的考量，在路径曲率突变或跨工作面过渡时，容易引发机械臂关节速度超限、姿态突跳甚至奇异点问题，影响了喷涂过程的稳定性与连续性。因此，亟需一种能够综合三维曲面几何特征与机器人运动学约束的喷枪位姿控制方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种曲面喷涂的喷枪位姿控制方法及系统。本发明实现了对喷枪六自由度位姿的精确构建与连续化控制，能够提高复杂曲面喷涂的位姿精度与运动平稳性。

2、本发明的技术方案：一种曲面喷涂的喷枪位姿控制方法，包括：

3、获取目标工件的三维任务曲面及位于所述三维任务曲面上的三维喷涂路径；所述三维喷涂路径由喷枪位姿控制系统生成，或者由外部设备、系统或接口以坐标、路径、工具位姿、关节目标或机器人任务的形式导入；对于外部输入，关联其目标或部件身份、坐标系或相对基准、任务曲面版本、路径版本、工具身份和输入来源中的至少一项；当外部输入已包含工具位姿或可执行轨迹时，仍将其位置投影或核对至当前三维任务曲面，并按当前局部表面法向、目标喷距、路径切向或喷幅横向以及工具坐标转换中的至少两项重新验证或生成位姿约束；所述关联信息缺失、冲突或失效时，不直接发布所述外部输入；

4、针对所述三维喷涂路径的多个轨迹点，基于局部几何特征构建局部空间标架或等效约束喷流轴及绕喷流轴姿态自由度的局部几何约束关系；所述局部空间标架或约束关系包含局部表面法向，以及路径切向、喷幅横向或目标边界切向中的至少一项；

5、基于所述局部空间标架或约束关系约束喷流轴以及喷幅规定轴、绕喷流轴转角或虚拟参考轴中的至少一项，并结合目标喷距确定工具中心点位置，生成喷枪位姿序列；

6、通过连续求解、连续参数化、在线递推或对离散位姿进行连续化处理，使相邻目标位姿满足位置、姿态、喷距和姿态变化率中的至少两项连续性条件，形成连续喷枪位姿序列或连续位姿控制指令；

7、基于机器人运动学约束进行可执行性校验；校验未通过时，调整位姿参数或执行策略，或者将相应路径段标记为无效、待确认、分段或待重新规划，并禁止发布所述路径段的可执行喷涂指令；

8、输出所述连续喷枪位姿序列或连续位姿控制指令及其关联的喷涂控制参数。

9、上述的方法，所述局部表面法向、路径切向和喷幅横向的构建包括：

10、基于所述轨迹点周围的表面邻域确定局部表面法向；

11、将所述三维喷涂路径在轨迹点处的路径差分方向投影至局部表面法向的切平面，得到路径切向；

12、基于所述局部表面法向与路径切向的叉乘结果确定喷幅横向。

13、前述的方法，基于所述局部空间标架或约束关系约束喷流轴以及喷幅规定轴、绕喷流轴转角或虚拟参考轴中的至少一项，包括：

14、控制所述喷流轴与局部表面法向的反方向平行，或与局部表面法向的反方向形成工艺设定倾角；

15、控制喷幅规定轴与喷幅横向、路径切向或目标边界切向中的一项按照预设工艺规则对齐；当喷幅近似圆形或沉积结果对绕喷流轴转角不敏感时，以虚拟连续参考轴、上一有效姿态、边界足迹约束或机器人运动学优化结果中的至少一项确定或限制所述转角。

16、前述的方法，所述喷枪位姿序列的获得包括：

17、统一相邻轨迹点的局部表面法向的符号方向；

18、对相邻轨迹点的喷枪旋转表示进行同半球化处理；

19、对相邻轨迹点的位置和姿态变化率施加连续性约束，以限制相邻角速度、角加速度或喷距变化率。

20、前述的方法，基于机器人运动学约束进行可执行性校验，包括：

21、检查连续喷枪位姿序列对应的关节限位、奇异度和碰撞间隙；

22、响应于检查结果不满足预设安全阈值，调整三维喷涂路径的路径方向、喷幅规定轴的选择、工艺设定倾角或轨迹采样步长；

23、响应于调整后仍不满足预设安全阈值，在停止喷涂介质并重新规划后，输出调整机器人基座位置或载具停靠位置的指令。

24、前述的方法，基于局部几何特征构建局部空间标架或局部几何约束关系包括：

25、选取所述轨迹点周围的表面邻域；

26、根据所述三维任务曲面的局部曲率、拟合残差或表面平缓度，自适应调整所述表面邻域的尺寸和轨迹采样步长；

27、基于调整后的所述表面邻域确定局部表面法向；

28、当所述表面邻域跨越孔洞、直角边、曲率突变区、低置信区或数据缺失区，或者拟合残差、法向离散度或深度完整率不满足预设条件时，将相应轨迹点标记为无效或待确认，不直接生成可执行喷枪位姿。

29、前述的方法，所述方法还包括：

30、当所述三维喷涂路径被允许喷涂区域分割为多个喷涂介质许可区间时，控制机器人沿所述三维喷涂路径保持连续运动，并根据各喷涂介质许可区间生成喷涂介质启停序列；

31、基于当前路径速度、喷枪响应时间和稳定喷涂建立时间，对开枪位置和关枪位置进行距离补偿，使稳定喷幅贯穿各喷涂介质许可区间的核心部分。

32、一种曲面喷涂的喷枪位姿控制系统，包括：

33、任务曲面与外部路径接口，配置为获取目标工件的三维任务曲面以及由喷枪位姿控制系统生成或外部输入的三维喷涂路径、工具位姿、关节目标或机器人任务，并解析目标或部件身份、坐标系或相对基准、任务曲面版本、路径版本、工具身份和输入来源；

34、局部几何约束模块，配置为针对所述三维喷涂路径上的多个轨迹点，基于所述三维任务曲面的局部几何特征构建局部空间标架，或者建立能够等效约束喷流轴及绕喷流轴姿态自由度的局部几何约束关系；

35、位姿约束模块，配置为基于所述局部空间标架或局部几何约束关系约束喷枪的喷流轴，并约束喷幅规定轴、绕喷流轴的转角或用于保持姿态连续的虚拟参考轴中的至少一项；结合目标喷距确定各所述轨迹点的工具中心点位置，生成喷枪位姿序列；

36、姿态连续化模块，配置为通过直接连续求解、连续参数化、在线递推，或者对离散喷枪位姿信息进行连续化处理，形成连续喷枪位姿序列或等效的连续位姿控制指令；

37、可执行性校验模块，配置为基于机器人运动学约束对所述连续喷枪位姿序列或连续位姿控制指令进行可执行性校验，并在校验未通过时执行参数调整、策略调整、无效标记、待确认、分段或重新规划中的至少一种处置，且在校验通过前禁止发布相应路径段的可执行喷涂指令；

38、输出接口，配置为输出所述连续喷枪位姿序列或连续位姿控制指令，以及与其关联的喷涂控制参数。

39、一种控制设备，包括处理器和存储器，所述存储器中的指令由所述处理器执行时使所述控制设备执行前述的方法。

40、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时使所述处理器执行前述的方法。

41、与现有技术相比，通过基于三维任务曲面的局部几何特征构建包含局部表面法向、路径切向和喷幅横向的局部空间标架，建立了与曲面形态及路径走向自适应的六自由度位姿参考系，相较于仅依赖单一法向或二维路径走向的控制方式，能够有效减少曲面转折处的喷幅投影畸变与搭接不均现象。在此基础上，通过对相邻轨迹点位姿进行连续性平滑处理，消除了因曲面数据噪声或几何离散化引起的姿态突变，降低了机器人末端执行器的抖动风险。进一步地，引入基于机器人运动学约束的可执行性校验与自适应调整机制，使得位姿规划过程能够主动识别并规避关节限位、奇异点及碰撞风险，在保证喷涂工艺质量的同时提升了机器人运动的平稳性与作业安全性。与此同时，对于来自于外部设备、系统或接口的工具位姿、关节目标或机器人轨迹，仍强制依据当前三维任务曲面、工具身份、局部几何特征及机器人运动学约束重新进行位姿验证与可执行性校验，确保外部输入的路径或位姿同样无法绕过曲面几何一致性约束与运动学安全门控，从而有效杜绝因上游数据与物理环境错配所导致的姿态突跳、碰撞风险及漆膜质量缺陷，提升了系统对外部数据源的容错能力与现场部署的可靠性。此外，通过自适应调整表面邻域尺寸与轨迹采样步长，兼顾了平缓区域的计算效率与高曲率区域的几何跟随精度；结合喷涂介质许可区间的连续运动控制与启停距离补偿，避免了频繁加减速造成的膜厚堆积，提升了整体喷涂作业的连贯性与涂层均匀性。