基于虚拟现实的喷漆机器人喷工作轨迹优化系统

２００８年６月　第６期（总第１１５期）　广西轻工业　ＧＵＡＮＧＸＩ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＩＧＨＴ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　机械与电气　基于虚拟现实的喷漆机器人喷工作轨迹优化系统　袁平，周剑新，尹庆玲　（广西大学机械工程学院，广西南宁５３０００３）　【摘　要】早期的喷漆机器人的工作运动轨迹是“示教再现”型的，这种模式具有较大的缺陷。通过在虚拟现实的环境中，提　出利用喷漆机器人离线编程方法，使计算机自动寻找出能产生最佳喷涂效果的喷运动轨迹，再将轨迹转换成机器人运动路线的　系统思路。　【关键词】虚拟现实；喷漆机器人；轨迹优化；离线编程　【中图分类号】ＴＰ２４２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００３—２６７３（２００８）０６—５６—０２　１应用现状　自从２０世纪６０年代初人类创造了第一台工业机器人，在　短短４０多年的时间中，机器人技术得到迅速发展。在我国，工　业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车　及工程机械的喷涂及焊接。对于汽车产品，其表面的喷漆效果　好坏对质量有非常大的影响。喷漆作业中采用喷漆机器人，可　以明显提高喷涂质量和材料使用率，仿形喷涂轨迹精确，提高　涂膜的均匀性，降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料利　中；将工件的三维模型调整到喷运动路径范围内；设置喷　的工作参数，包括喷炬、喷距、喷量等；根据喷的工作参数，设　置喷在平面内的运动轨迹；系统自动生成优化的喷运动轨　迹；将优化生成后的喷运动轨迹输入到机器人系统等。系统　工作流程如图１。　用率，并提高劳动生产效率，避免了过去人工喷漆时人接触有　毒性的涂料而造成急性或慢性中毒。因此，喷漆机器人在制造　业中的应用越来越得到人们的重视。　早期的喷漆机器人是“示教再现”型的。即由操作人员“手　把手”地直接握住安装在机器人腕部的喷，操作一次喷漆全　过程，机器人控制器记忆示教操作顺序，在作业中重复再现操　作动作。其最大的缺点是当物体形状变得复杂和涂层容许偏差　要求严格时，示教机器人的优化路径对人来讲是非常困难的。　近年来，人们对喷轨迹的优化问题进行了较为广泛的讨论，　提出以工件件表面上每点的漆膜厚度的变化最小（得到较为均　匀的漆膜涂层）为目标的优化方法，使喷漆机器人离线编程技　术进一步实用化。本文介绍如何利用喷漆机器人离线编程方　法，使计算机自动寻找出能产生最佳喷涂效果的喷运动轨　迹，再将这条轨迹转换成机器人的运动程序，以解决目前汽车　自动喷漆存在的问题。　图１系统工作流程　２．２工艺轨迹规划与生成　喷工艺轨迹规划生成的目标是建立一条能够使工件表面　涂层厚度差异达到最小时的喷轨迹。如何使喷在被喷工件　表面最优化移动的问题，优化过程可以先根据所提出的最优化　２喷漆机器人喷工作系统优化　２。１系统功能及工作流程　２．１．１系统功能　问题，建立其数学模型，确定变量，列出约束条件和目标函数，对　然后对所建立的模型进行具体分析，选择合适的求解方法。　２．２，１建立喷的喷矩模型　据此可以计算出喷涂表面上在喷喷炬（喷射锥）的各范围　内既到喷轴线距离的点的漆膜厚度。　本系统旨在实现如何通过在将工件由ＣＡＤ系统中转换到　三维虚拟仿真系统里，进行对喷漆机器人的工作运动进行离线　编程，寻找在工件表面涂层厚度达到一定指标，并且保持涂层　厚度均匀的前提下，喷在工件表面移动时的优化轨迹（简称　ＯＴＰＰ）。　２．１．２系统工作流程　本系统工作流程主要有：在ＣＡＤ软件中完成工件的三维　设计；将工件的三维数据模型转换成特定的、系统可导入的数　据格式文件；将工件的三维数据文件到入到三维虚拟仿真系统　图２喷的喷矩模型图　【作者简介］：：ｌｋ＂￣－（１９７９一），男，广西荔浦人，广西经济管理干部学院信息处工程师，广西大学机械工程学院在读工程硕士研究生。　５６　维普资讯 http://www.cqvip.com ２．３．２虚拟仿真图形设计内容　根据上述的系统设计要求，这套虚拟仿真图形系统将采用　ＭＶＣ系统构架。ＭＶＣ　ｆｉｏｄｅｌ、Ｖｉｅｗ、ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｆ）模型一视图一控　制器的系统构架，广泛用于信息处理，其中设计内容包括：　（１）模型层，是指抽象的控制对象的数学或者程序模型，　如机器人的模型，工件模型以及自定义的一个控制对象；　图３喷射锥各范围的漆膜厚度　（２）视图层，指ＧＵＩ用户界面、虚拟场景、数据报表等；　（３）控制层，指根据业务流程组织的相对集中的控制算　法，比如运动学引擎、场景视图控制器、文档治理和分析器等。　２．２．２根据喷的喷矩模型建立在平面内喷的运动轨迹　在实际喷漆过程中，为了保持漆膜均匀，在相邻两次行　过程中要求一定的重叠率。　’　。．，一＞《：　＼　爻　一＝）　—一，　Ｉ。ＬＪ　ｊ　图４运动轨迹优化结果　２．２．３确定喷在空间中的运动轨迹　实际上，在自动喷漆前，油漆粘度、单位时间、供漆量和压　缩空气压力等都由喷漆工人根据经验预先调定。因此单位时间　供漆量和喷射锥角参数在整个喷漆过程中是稳定不变的，为了　保证油漆颗粒的充分雾化及其在工件表面的附着率，一般自动　空气喷产品都经过实验给出喷与工件表面距离的参考值，　并要求在整个喷涂过程中，喷垂直于工件表面并且使距离ｈ　保持不变。因此，在喷涂过程中，喷始终垂直于待涂工件表　面，且离工件表面的距离始终保持固定值，这样喷实际上是　在工件表面的等距面上移动。　喷轨迹优化问题就是要找到工件表面的等距面，将平面　喷路径映射到该等距面上，则可得到喷在空间的实际路　径，然后对该路径进行优化。　２，３虚拟仿真图形系统的实现　从工程的角度而言，对于软件开发，先创建一个良好合适　的系统构架对于保障开发的可行性、开发成本和软件质量都是　至关重要的。至于运用三维图形技术对喷漆机器人进行软件仿　真，首先是身临其境之沉浸感的机器人三维动态的、逼真的和　可交互的虚拟环境的建立，其次才是软件各功能模块的实现。　因此，我们以现有三维虚拟现实系统作为原型，采用软件工程　的方法进行本系统设计。　２．３．１虚拟仿真图形设计要求　本虚拟仿真图形设计的基本要求有下面几点：（１）设计三　维虚拟仿真图形软仲系统；（２）建立机器人虚拟模型，提供软　件接口；（３）建立仿真系统与控制界面的交互控制，包括键盘　交互、离线编程；（４）机器人与虚拟物体的碰撞检测；（５）模拟　机器人工作环境、包括现场模拟、视图控制、多视角检测。　图５喷漆机器人喷工作轨迹优化系统工作模拟图　虚拟仿真引擎的实现有多种方式，最底层的就是ＯｐｅｎＧＬ　和Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ两个图形接口，前者产生于ＳＧＩ，’后者是Ｍｉ—　ｃｒｏｓｏｆｔ制定的图形接口。本系统将采用ＯｐｅｎＧＬ接口的ＶＣ＋＋　编程实现。　２．３．３虚拟仿真图形系统中工艺轨迹的生成　根据工艺轨迹的优化和生成中已经得出的结论，喷轨迹　优化问题的核心就是要找到工件表面的等距面，然后将平面喷　路径映射到该等距面上，则可得到喷在空间的实际路径，　最后对该路径进行优化。　要实现喷在工件表面等高度运动，我们可以借用地形虚　拟仿真游览系统中的物理系统。在虚拟仿真系统中建立物理碰　撞系统和重力系统，并把喷加入其中，让喷受其影响。只要　在工件表面的上方设置好喷在平面内的运动轨迹，喷漆会在　重力系统的作用下，自动落人工件表面。在设置好喷的高度　值后，喷将会一直保证这个高度值，在工件的表面上方按照　设置好的轨迹运动，这样就可以找出喷在工件表面等高度运　动的轨迹。　２，４　ＣＡＤ软件与虚拟仿真图形系统的数据接口　ＡｕｔｏＣＡＤ提供多种数据交换的方法归纳起来有两类：一　是利用Ｗｉｎｄｏｗｓ剪贴板和Ｗｉｎｄｏｗｓ的对象链接与嵌入功能，　将要交换的数据打成一个完整的信息包，在不同的软件之间进　行穿插；二是通过规定格式文件，即交换数据的两个软件都能　生成读入、识别、输出统一的存储格式文件。这里我们主要探讨　ＡｕｔｏＣＡＤ的三维几何模型数据如何通过规定格式文件，与虚　拟仿真系统格式实现相互转换。　在虚拟仿真系统中，三维几何模型是物体几何信息的反映，　其中涉及表示几何信息的数据结构、相关的结构与操作该数据　结构的算法。当前主流的三维模型格式主要有．ｍａｘ、．３ｄｓ、．ｏ　ｂｉ、．　ｄｘｆ、．ｄｗｇ等。．３ｄｓ是三维动画制作软件３Ｄ　Ｓｔｕｄｉｏ　ＭＡＸ保存信　息的一种外部交换文件格式，在三维领域被广泛的应用。．３ｄｓ文　件与ＡｕｔｏＣＡＤ２０００有很好的兼容性，两个软件可以通过．３ｄｓ　文件交换相应的信息。因此我们在这套系统中选择．３ｄｓ文件格　式作为ＡｕｔｏＣＡＤ软件与虚拟仿真系统的数据交换格式。　撤氍农　４卞串节　糗的艘释　｛　：＝：　耐一亨　＝　辘：＝ｌ　ｌ予子要旌辘悠子　盎皇三二　睁雠～一：：　墨ｌ因甜．ｆ莪ｎ一　崖　磷午照　辘，…予～…　｛耄　二雪钮　…鲫一蜓…蔗ｌ精　～０｛　警缺越　带糗蠢掷慌艟　于蜂兰糖凶　豫瓣ｍ争臻蜜喀舫幢靡葶换辨ｌ的埔ｌ释　图６．３ｄｓ文件中块的嵌套　（下转第９３页）　５７　维普资讯 http://www.cqvip.com 可认为系数的显著性符合模型要求。虽然模型中Ｒ－ｓｑｕａｒｅｄ　结果不是很理想，但是进一步加大模型的阶数对序列进行拟　和，模型拟和效果并没有很大改善。同时对ＡＲＩＭＡ（２，１，１）的残　差序列进行Ｑ一检验，该残差序列为白噪声过程。因此相对于　３结论　通过上述拟和预测，ＡＲＩＭＡ模型在描述股票市场价格波　动特征方面有一定借鉴性，拟和预测的结果在一定程度上可以　代表股票价格的走势。但它只在短期趋势预测方面有一定可行　性，对于长期趋势以及突然上涨或下跌，就会表现出局限性。预　ＡＲＩＭＡ（１，１，１）模型，确定ＡＲＩＭＡ（２，１，１）为合适的模型来拟和　该时间序列。　测的偏差就会比较大，因为变幻莫测的股票市场，影响其价格　波动的因素多种多样，不仅与股票市场自身因素有关，还　与国家宏观经济，国民经济发展方向等各种因素相关。　参考文献　［１】王振龙．时间序列分析［Ｍ】．北京：中国统计出版社，１９９９．　［２】潘红宇．时间序列分析［Ｍ】．北京：对外贸易经济大学出版社，２００６．　（３）模型的预测　对于含有滞后因变量的预测，ＥＶｉｅｗｓ提供了两种方法：动　态预测和静态预测。动态预测是预测样本的初始值将使用滞　后变量Ｙ的实际值，而在随后的预测中将使用Ｙ的预测值，因　此预测样本初值的选择非常重要。动态预测是真正的多步预测　（从第一个预测样本开始），因为它们重复使用滞后因变量的预　测值。这些预测可能被解释为利用预测样本开始时的已知信息　计算的随后各期的预测值。也因为这个原因，当新的预测值出　［３】赵亮．股票价格影响因素研究Ⅱ】＿天津师范大学学报．２００４．（２）．　【４】董晓芳．局部线性光滑技术和ＡＲＩＭＡ模型在股价动态预测中的应　用Ⅱ】．宁夏大学学报．２００５．（４）．　现时，它并不能进行适时修正预测。而静态预测是采用滞后因　变量的实际值而不是预测值来计算一步向前的结果。对ＡＲＩ—　ＭＡ模型来讲，一步静态向前预测比动态预测更为准确。　因此，在此文中所采用的是一步向前静态预测，依据模型　６　翳蓦量　吲　例咄Ⅲ啷ｍ　０　８　８　７　９　４哪　　对“鞍钢股份”的股票价格进行预测，得出图形和数据（图２），由　大智慧软件可查得２００８年５月５日“鞍钢股份”的开盘价为　２２．ｏ０元，收盘价为２２．３９元，股票价格为（２２．００＋２２．３９）／２＝　２２．１９，模型预测结果为２１．９１，误差率为１．２６％。　Ｆｏｒｅ：ｅｓｔ　ＹＦ　Ａｃｔｕ￣ｌ　Ｙ　Ｆｏｆｅ２８ｓｔｓａｍｐｌｅ：１　６Ｉ　￣ｊｕｓｔｅｄ　ｓａｒｒｐｌｅ：４　６　ｌｑｃｌｕｄｅｄ　０ｂｓｅＭｎ０ｎｓ　５７　Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　ｓ￣ｕａｒｅｄ　Ｅｒｒｏｒ　Ｍｅａｒｌ　Ａｂ；０ｆｕ　Ｅｒｒｏｒ　ＭｅａｎＡｂ；ｐｓｆｃｅｒｌｔＥｒｒｏｒ　—ｈｅｉ　ＩＩｎｅｑｕａｌ～ＣＪｅｆｔｉｏｅｒｌｔ　Ｅｉａｓ　ＰｒｏＩ：ＯｒｔｉＯｈ　ｖａｆｉａｏｆｅ　Ｐｒｏｐｏｒ吐ｏｎ　Ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ　ｐ　ｏｐｃｒｔｌｏｒｌ　图２　ＡＲＩＭＡ（２，１．１）模型拟合结果图　（上接第５７页）　当需要把．３ｄｓ文件格式中的信息转换到虚拟仿真系统中　时，只需正确把．３ｄｓ文件中相应块的信息读到自定义的文件结　构当中即可。值得注意的是，．３ｄｓ文件格式中的坐标系和　ｏｐｅｎｇｌ中的坐标系是不一样的。因此，在本系统中要想看到正　确的模型，用户必须进行坐标转换。　误，即可将此命令送给实际操作机器人，以避免出现不可挽回　的错误。利用喷漆机器人离线编程方法，能够使计算机自动寻　找出能产生最佳喷涂效果的喷运动轨迹，再将这条轨迹转换　成机器人的运动程序，最大限度地减少喷漆机器人的在调试时　间，优化喷运动轨迹，解决目前汽车喷漆存在的问题。　参考文献　［１】余承飞．方勇．ＡＵＴＯＣＡＤ２０００二次开发技术［Ｍ】．北京：人民邮电出　版社．１　９９９．　３总结　可视化、机器人动画和虚拟现实是计算机图形学领域内的　三大热门研究方向，它们的技术核心都是三维真实感图形。虚　拟仿真技术与机器人技术的有机结合，将成为极具发展潜力和　应用前景的研究方向之一。通过计算机技术生成一个虚拟仿真　环境，既可节省大量的建造物理仿真环境的经费，也可以方便　［２】郭兆荣．Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋ＯＰＥＮＧＬ应用程序开发［ＭＪ．北京：人民邮电出　版社．２００６．　［３１［￣］ｇｏｄｇｅｒＬｅａ．妙用ＪＡＶＡ及ＶＲＭＬ开发三维图形［Ｍ】．北京：电　子工业出版社．１９９９．　地修正仿真环境的物理参数。另外，在现场作业时，可先将控制　信号和现场反馈信号分别输入到虚拟仿真系统和实际操作控　制系统中，观察虚拟仿真系统的执行结果，若执行动作正确无　［４】王焱．喷漆机器人喷最优轨迹规划的研究ⅡＪ＿江苏理工人学学报（自　然科学版），２００１，（９）．　［５１训娣．喷漆机器人喷轨迹离线优化方法Ⅱ】．农机化研究，２００４．（２）．　９３