一种多轴联动电弧熔覆机器人的路径规划方法与流程

本技术属于机器人领域，尤其涉及一种多轴联动电弧熔覆机器人的路径规划方法。

背景技术：

1、为了适应待熔覆工件结构复杂化和表面形貌多样化的发展趋势，实际加工中通常采用多轴联动机器人搭载焊枪进行连续空间作业。对于具有空间自由曲面和复杂局部特征的金属工件，如何规划一条兼顾加工效率、机器人运动约束和熔覆成形质量的路径，是机器人熔覆路径规划中的重要问题。现有路径规划流程通常需要先获取工件表面的三维点云数据，但原始点云规模较大，若直接参与路径解算，会显著增加计算负担并延长规划周期；若采用常规等比例降采样方法，又可能削弱高曲率区域、边缘区域及局部突变区域的几何表达能力，影响路径对复杂曲面的贴合精度。同时，多轴联动机器人的运动空间具有较强的非线性，若在路径规划前期仅依据几何模型生成轨迹，而未充分考虑关节机构限位、逆运动多分支及相邻路径点构型连续性，则在实际加工过程中可能出现焊枪姿态突变、关节运动不连续、接近机械极限甚至路径不可执行等问题，影响熔覆过程的稳定性和安全性。

2、传统点云剪枝策略多依赖全局固定的单一密度阈值，难以充分结合局部曲面复杂度进行层级化精简，容易造成平坦区域冗余点云保留较多，而复杂曲率区域的关键几何特征保留不足。现有轨迹关键点提取方法通常更侧重几何保真度，机器人运动逆解算往往滞后于轨迹生成过程，导致点云空间分布、路径几何特征与机器人运动成本之间缺少有效协同，难以在关键点筛选阶段提前识别逆解分支不一致、关节接近限位等潜在风险。此外，现有路径生成方法对多维指标的联合优化能力有限，通常难以将焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性以及运动平均成本等工艺与设备约束统一纳入评价函数中进行迭代寻优。由此生成的笛卡尔空间路径虽然能够满足基本表面覆盖要求，但在热输入稳定性、机器人运动平顺性和复杂曲面贴合性方面仍存在提升空间，进而可能影响熔覆层的成形质量和加工一致性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中点云精简易丢失复杂曲面特征、路径规划未充分考虑机器人运动约束及热输入稳定性不足的问题，本发明提供了一种多轴联动电弧熔覆机器人的路径规划方法及系统。

2、第一方面，本发明提供以下技术方案，一种多轴联动电弧熔覆机器人的路径规划方法，包括以下步骤：

3、获取待熔覆工件的点云数据并构建八叉树结构；在所述八叉树的叶子节点计算体素内的点云密度与法向量弥散度，将点云密度低于第一阈值且法向量弥散度低于第二阈值的体素作为非关键区域进行初次剪枝；将子节点的法向量弥散度向上传递至父节点表示曲面复杂度；利用父节点的曲面复杂度调整子节点剪枝阈值执行自顶向下剪枝，得到精简点云；

4、基于所述精简点云提取候选关键点，解算每个候选关键点对应的焊枪位姿逆运动解并构建与关节转角距机构限位距离成反比的运动成本函数；在满足逆解分支一致性的前提下，选取成本函数值最低的解为最优解，剔除运动成本或几何偏离度超过阈值的候选关键点，得到粗筛关键点集；

5、构建综合性能评价函数，所述综合性能评价函数包含经过归一化处理的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值；以所述综合性能评价函数为目标，在几何保真度约束下，对所述粗筛关键点集进行迭代剔除寻优，直至综合性能评价函数值收敛，得到关键点序列；对所述关键点序列进行笛卡尔空间插值，生成熔覆路径。

6、可选地，所述获取待熔覆工件的点云数据并构建八叉树结构，包括：

7、扫描待熔覆工件表面获取原始三维点云数据；

8、计算所述原始三维点云数据在三个坐标轴方向上的坐标极值，生成包围所述原始三维点云数据的初始边界框，将所述初始边界框作为八叉树的根节点；

9、将所述根节点对应的空间沿三个坐标轴的中点进行对半分割，生成八个相同体积的子空间作为子节点；

10、递归判断每个子节点内包含的点云数量，若子节点内的点云数量大于预设的数量阈值且子节点的空间尺寸大于预设的尺寸下限，则对所述子节点继续进行均分分割，直至所有叶子节点满足点云数量不大于所述数量阈值，或空间尺寸达到所述尺寸下限。

11、可选地，所述在所述八叉树的叶子节点计算体素内的点云密度与法向量弥散度，包括：

12、遍历八叉树的最底层叶子节点，统计每个叶子节点体素内包含的离散点云总数；

13、将所述叶子节点体素内的点云总数除以所述体素的体积，得到所述体素的点云密度；

14、利用主成分分析法计算叶子节点体素内各点云的局部法向量，对体素内所有点云的局部法向量进行统一朝向与归一化处理，计算体素内各局部法向量与平均法向量之间的夹角方差，将所述夹角方差作为所述体素的法向量弥散度。

15、可选地，所述解算每个候选关键点对应的焊枪位姿逆运动解并构建与关节转角距机构限位距离成反比的运动成本函数，包括：

16、根据机器人的连杆参数与运动约束，通过逆运动矩阵求解得到当前候选关键点对应目标位姿的多个可选的关节角度解集合；

17、对于每一个关节角度解，提取机器人各关节的当前计算角度，计算所述当前计算角度与所述关节安全运行的上、下机构限位边界之间的差值绝对值，选取最小的差值绝对值作为所述关节的限位裕度；

18、将各关节的限位裕度与预设正偏置因子之和的倒数进行加权求和，将求和结果作为所述关节角度解的运动成本函数值。

19、可选地，所述构建综合性能评价函数，所述综合性能评价函数包含经过归一化处理的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值，包括：

20、按照表达式计算综合性能评价函数值；

21、其中，e表示综合性能评价函数值；

22、s、d、h、k分别表示经过归一化处理后的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值；

23、其中，焊枪姿态平滑度通过相邻关键点间焊枪姿态角变化率的标准差进行计算；

24、节点间距均匀性通过相邻关键点间距离的标准差进行计算；

25、局部热输入均匀性通过各相邻关键点路径段对应的单位长度热输入量的离散系数进行计算，所述单位长度热输入量根据熔覆电流、熔覆电压、焊枪移动速度及热效率系数确定；

26、运动成本平均值通过路径序列中所有关键点最优解的运动成本的平均值进行计算；

27、分别为四个评价分量的预设权重系数。

28、可选地，所述以所述综合性能评价函数为目标，在几何保真度约束下，对所述粗筛关键点集进行迭代剔除寻优，直至综合性能评价函数值收敛，得到关键点序列，包括：

29、设置最大迭代次数；

30、在每次迭代中，依次尝试从当前粗筛关键点集中临时移除单个关键点，重新计算移除所述关键点后的综合性能评价函数值；

31、对比所有临时移除方案，在移除所述关键点后生成的路径与初始点云模型的几何偏离度低于设定容差的约束前提下，选取能使综合性能评价函数值下降幅度最大的关键点进行永久剔除，更新当前关键点集；

32、重复执行上述临时移除与永久剔除的步骤，直至综合性能评价函数值的下降幅度小于预设收敛阈值或达到所述最大迭代次数，将此时的关键点集作为关键点序列。

33、可选地，所述对所述关键点序列进行笛卡尔空间插值，生成熔覆路径，包括：

34、提取所述关键点序列中各点的笛卡尔空间位姿；

35、在相邻的关键点之间，采用笛卡尔空间插值算法对笛卡尔空间位姿序列进行平滑过渡处理，生成位置和姿态均平滑过渡的笛卡尔控制轨迹；

36、结合所述关键点序列中各点对应的机器人关节空间最优解角度序列，以相邻关键点的关节空间最优解作为逆运动求解的初值或分支约束，通过机器人逆运动模型将所述笛卡尔控制轨迹映射至关节空间，并对映射后的关节轨迹进行关节限位、逆解分支一致性、关节速度和关节加速度校验，生成满足预设运动约束的关节控制轨迹，输出平滑、连续的熔覆路径。

37、第二方面，本发明还提供了以下技术方案，一种多轴联动电弧熔覆机器人的路径规划系统，包括以下模块：

38、执行模块，用于获取待熔覆工件的点云数据并构建八叉树结构；在所述八叉树的叶子节点计算体素内的点云密度与法向量弥散度，将点云密度低于第一阈值且法向量弥散度低于第二阈值的体素作为非关键区域进行初次剪枝；将子节点的法向量弥散度向上传递至父节点表示曲面复杂度；利用父节点的曲面复杂度调整子节点剪枝阈值执行自顶向下剪枝，得到精简点云；

39、提取模块，用于基于所述精简点云提取候选关键点，解算每个候选关键点对应的焊枪位姿逆运动解并构建与关节转角距机构限位距离成反比的运动成本函数；在满足逆解分支一致性的前提下，选取成本函数值最低的解为最优解，剔除运动成本或几何偏离度超过阈值的候选关键点，得到粗筛关键点集；

40、生成模块，用于构建综合性能评价函数，所述综合性能评价函数包含经过归一化处理的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值；以所述综合性能评价函数为目标，在几何保真度约束下，对所述粗筛关键点集进行迭代剔除寻优，直至综合性能评价函数值收敛，得到关键点序列；对所述关键点序列进行笛卡尔空间插值，生成熔覆路径。

41、优选地，所述获取待熔覆工件的点云数据并构建八叉树结构，包括：

42、扫描待熔覆工件表面获取原始三维点云数据；

43、计算所述原始三维点云数据在三个坐标轴方向上的坐标极值，生成包围所述原始三维点云数据的初始边界框，将所述初始边界框作为八叉树的根节点；

44、将所述根节点对应的空间沿三个坐标轴的中点进行对半分割，生成八个相同体积的子空间作为子节点；

45、递归判断每个子节点内包含的点云数量，若子节点内的点云数量大于预设的数量阈值且子节点的空间尺寸大于预设的尺寸下限，则对所述子节点继续进行均分分割，直至所有叶子节点满足点云数量不大于所述数量阈值，或空间尺寸达到所述尺寸下限。

46、优选地，所述在所述八叉树的叶子节点计算体素内的点云密度与法向量弥散度，包括：

47、遍历八叉树的最底层叶子节点，统计每个叶子节点体素内包含的离散点云总数；

48、将所述叶子节点体素内的点云总数除以所述体素的体积，得到所述体素的点云密度；

49、利用主成分分析法计算叶子节点体素内各点云的局部法向量，对体素内所有点云的局部法向量进行统一朝向与归一化处理，计算体素内各局部法向量与平均法向量之间的夹角方差，将所述夹角方差作为所述体素的法向量弥散度。

50、优选地，所述解算每个候选关键点对应的焊枪位姿逆运动解并构建与关节转角距机构限位距离成反比的运动成本函数，包括：

51、根据机器人的连杆参数与运动约束，通过逆运动矩阵求解得到当前候选关键点对应目标位姿的多个可选的关节角度解集合；

52、对于每一个关节角度解，提取机器人各关节的当前计算角度，计算所述当前计算角度与所述关节安全运行的上、下机构限位边界之间的差值绝对值，选取最小的差值绝对值作为所述关节的限位裕度；

53、将各关节的限位裕度与预设正偏置因子之和的倒数进行加权求和，将求和结果作为所述关节角度解的运动成本函数值。

54、优选地，所述构建综合性能评价函数，所述综合性能评价函数包含经过归一化处理的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值，包括：

55、按照表达式计算综合性能评价函数值；

56、其中，e表示综合性能评价函数值；

57、s、d、h、k分别表示经过归一化处理后的焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值；

58、其中，焊枪姿态平滑度通过相邻关键点间焊枪姿态角变化率的标准差进行计算；

59、节点间距均匀性通过相邻关键点间距离的标准差进行计算；

60、局部热输入均匀性通过各相邻关键点路径段对应的单位长度热输入量的离散系数进行计算，所述单位长度热输入量根据熔覆电流、熔覆电压、焊枪移动速度及热效率系数确定；

61、运动成本平均值通过路径序列中所有关键点最优解的运动成本的平均值进行计算；

62、分别为四个评价分量的预设权重系数。

63、优选地，所述以所述综合性能评价函数为目标，在几何保真度约束下，对所述粗筛关键点集进行迭代剔除寻优，直至综合性能评价函数值收敛，得到关键点序列，包括：

64、设置最大迭代次数；

65、在每次迭代中，依次尝试从当前粗筛关键点集中临时移除单个关键点，重新计算移除所述关键点后的综合性能评价函数值；

66、对比所有临时移除方案，在移除所述关键点后生成的路径与初始点云模型的几何偏离度低于设定容差的约束前提下，选取能使综合性能评价函数值下降幅度最大的关键点进行永久剔除，更新当前关键点集；

67、重复执行上述临时移除与永久剔除的步骤，直至综合性能评价函数值的下降幅度小于预设收敛阈值或达到所述最大迭代次数，将此时的关键点集作为关键点序列。

68、优选地，所述对所述关键点序列进行笛卡尔空间插值，生成熔覆路径，包括：

69、提取所述关键点序列中各点的笛卡尔空间位姿；

70、在相邻的关键点之间，采用笛卡尔空间插值算法对笛卡尔空间位姿序列进行平滑过渡处理，生成位置和姿态均平滑过渡的笛卡尔控制轨迹；

71、结合所述关键点序列中各点对应的机器人关节空间最优解角度序列，以相邻关键点的关节空间最优解作为逆运动求解的初值或分支约束，通过机器人逆运动模型将所述笛卡尔控制轨迹映射至关节空间，并对映射后的关节轨迹进行关节限位、逆解分支一致性、关节速度和关节加速度校验，生成满足预设运动约束的关节控制轨迹，输出平滑、连续的熔覆路径。

72、本发明通过构建八叉树结构，并结合点云密度与法向量弥散度进行点云剪枝，同时利用曲面复杂度动态调整剪枝阈值，在减少冗余点云数据的同时，保留工件复杂曲面区域的几何特征，提高后续路径规划的数据处理效率。通过引入基于关节机构限位裕度构建的运动成本函数，并在逆解分支一致性的约束下筛选较优逆运动解，降低关节接近限位或构型突变的风险，提高多轴联动机器人执行过程的安全性与连续性。进一步构建融合焊枪姿态平滑度、节点间距均匀性、局部热输入均匀性和运动成本平均值的综合评价函数，在几何保真度约束下对关键点集进行迭代寻优，使生成的熔覆路径在曲面贴合性、运动平顺性和热输入稳定性之间取得综合平衡，提升了电弧熔覆作业的成形质量与加工效率。