喷涂机器人运动控制和视觉补偿

王智明

摘  要：喷涂机器人是工业生产机械化和智能化的代表产物之一，在我国也有了较为广泛的研究和应用基础。随着科学技术的发展和进步，工业生产方面对于喷涂机器人的运动和智能方面都提出了更高的要求，相比于传统的六轴机器人，新一代的喷涂机器人为斜交腕六自由度机器人，具有更灵活、快速和准确的运动能力，使得生产效率和准确率得到了显著提升。文章主要研究了斜交腕六自由度喷涂机器人的运动学建模和视觉补偿方式，希望通过文章的阅读，能够给喷涂机器人研发相关领域的研究工作者提供一定的帮助和启发。

关键词：喷涂机器人;运动控制;视觉补偿

中图分类号：TP242.2       文献标志码：A         文章编号：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

喷涂机器人顾名思义，是一种代替人力实施喷涂工作的智能器械工具，在机械设备和智能机器人广泛应用到生产流水线作业的今天，喷涂机器人在研发和制造上并不算其中的顶尖。不过由于历史原因，我国对于机器人的相关研究整体上要普遍落后于西方发达国家以及日韩等国，很多工厂的喷涂机器人还依赖进口或者是国外的技术扶持，在自主研发方面尚有很长的路要走。

1 运动学建模

1.1 机械臂运动学正解

1.2 喷涂机器人运动学逆解

喷涂机器人的机械臂的六个转动关节中相邻三个关节的轴线交于一点或者平行，是喷涂机器人斜交腕六自由度转动的必要条件，此时需要对喷涂机械人的运动学求逆解，只有存在封闭逆解的时候，才能证明斜交末端的开发的可靠性。在进行运动学逆解的求解过程中，需要结合喷涂机器人的机械臂运动范围和象限特性对结果进行舍弃，保留有意义的解。

2 逆解仿真

逆解仿真的目的是为了检验机器人的机械臂末端的运动精度，从正解的角度来看，喷涂机器人末端的位姿解，实际上就是一条运动轨迹，而通过结合对喷涂工作的深入了解，我们知道喷涂机器人在进行喷涂工作的时候，机械臂的末端实际上是在工件上进行运动，运动曲线为类正弦曲线，将该曲线带入到运动学逆算法中，能够逆解出六自由度的机器人各个机械臂的角度，将这些角度值带入到正解的方程中，就能解出另一条曲线，利用软件进行仿真，发现两条曲线基本重合，从而肯定了斜交腕六自由度喷涂机器人的运动精度。

除了直接逆解仿真机器人末端的运动轨迹之外，我们还可以对机器人的姿态向量进行跟踪，上文中矩阵中的n向量、o向量和a向量都可以进行比较，发现计算得到的向量与规划器生成的向量，之间具有微小的差距，从这方面，也能对其运动精确度进行肯定。

3 视觉补偿

所谓的喷涂机器人視觉补偿，就是利用摄像机对待喷涂工件的空间特性和参数进行抓取，之后经过简单的成像和分析，计算出工件的笛卡尔空间位置，这样能够让机器人的喷涂工作变得更加精准，想要实现视觉补偿，就要通过以下的几个步骤来实现。

3.1 摄像机标定

摄像机就是机器人的眼睛，是实现机器人视觉补偿的必要条件，而为了提升视觉补偿过程中对工件的空间定位的精准度，需要对机器人携带的工业相机进行标定。一般来讲，喷涂机器人的摄像机标定方法会选择张正友标定法，这是一种应用非常广泛摄像机标定法，原理是小孔成像，实际操作过程中，对标的物在不同角度进行拍摄，要求选择至少两个角度进行拍摄和标定，不过在实际的工作中，一般会选择5～7个角度进行拍摄，以此来提高标定的精确度。

3.2 高斯滤波

在实际工作中，工业生产的环境并不理想，由于传送带和其他设备存在，圖像生成过程中可能有大量的干扰和噪音存在，使得工业相机拍摄的照片十分模糊，对这样的图像进行处理，就难以得到工件的实际空间位置信息，造成工作精度的降低。

面对这种在工作中不可避免干扰，我们使用高斯滤波将杂波滤除，保证图像的清晰程度。

3.3 特征识别

特征识别的主要步骤是将工件的信息进行提取后，通过特征匹配，与数据库中的结果进行匹配，能够快速提取同种类的工件空间特征。这种方法能够迅速确认元件的种类，直接提取元件的空间特性，进行喷涂工作。但是灰度直方图匹配，在精确度上存在一定劣势，因此，在进行元件加工的过程中，如果元件的特征不明显，或者与数据库中的其他元件发生错误的匹配，可能会影响操作的精度。

3.4 特征识别目标匹配

特征识别的目标匹配工作，选择灰度直方图匹配方式不可取，可能会降低匹配精度，因此通常使用轮廓匹配的方法。轮廓匹配是对工件的轮廓直接进行抓取和识别的一种目标匹配方式，由于工件的轮廓具有不变性，因此在实际工作中，采用轮廓匹配能够很好地提高图像采集过程中的抗噪性，从而增加工作的精度。由于这种方法忽略了工件内部细节而注重工件的轮廓，所以在一定程度上，减少了机器人的运算量，提升了工作的效率和准确率。

但是在实际的生产工作中，一些工件的形状是较为复杂的组合形式，对这样的工件进行轮廓匹配的时候，需要对整个工件进行扫描，实时性和效率都会大打折扣，针对这样的情况，我们建议将工件进行拆分扫描，只针对单一的目标，把工件拆分成简单的形状单元，之后分类的进行匹配和捕捉，让后根据既定的程序进行喷涂。

4 思考与发现

本次对斜交腕六自由度喷涂机器人进行了研究，在研究过程中，不断的思考和讨论，有了以下几点较为有意义的发现：

（1）喷涂机器人的机械臂末端轨迹，主要是由前四个机械臂的关节影响的。

（2）在进行逆解的过程中，如果将拟牛顿迭代法中的雅克比矩阵的阶数从6阶降到4阶，对结果不产生影响，因此能够对计算过程进行一定的简化。

（3）第二点中提到的雅克比矩阵的阶数下降，还能提高计算的精度，减少计算的误差。

5 结束语

总之，对于喷涂机器人为代表的工业生产机器人的机械臂的灵活度和精度的研究，我国目前也已经日趋成熟和完善起来，虽然距离西方发达国家尚有差距，但是随着我国的科学技术的发展，相信终有一天能够实现赶超和领先。对于喷涂机器人来讲，本文验证了斜交腕六自由度机器人的机械臂的灵活度和工作的精确度，证明了其具有非常广阔的未来前景和应用价值，值得进行推广和普及。

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