喷涂机器人运动学和轨迹规划算法研究

刘涵茜

摘   要：随着时间的推移和时代的不断改革创新，我国的社会经济得到了空前的发展，在良好的发展前提之下，国内开始诞生出非常多的新兴行业，而机器人行业就是所谓的新兴行业当中的一种。经过实际的调查其实不难发现，喷涂机器人的机构特点以及相关的做工要求都是非常考究的，因此在机器人行业现阶段的发展当中，对其进行一定的研究已经是迫在眉睫的一项社会性的工作了，相关的单位以及工作部门理应开始重视起来。在此，就将针对喷涂机器人运动学和轨迹规划算法进行一定的阐述和研究，其主要的工作目的就是使得喷涂机器人的发展能够更加的稳定且顺利。

关键词：喷涂机器人  运动学  运动轨迹  规划算法  研究分析

中图分类号：TP242                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0077-04

Abstract： With the passage of time and the continuous reform and innovation of the times， China's social and economic development has been unprecedented. On the premise of good development， many new industries have emerged in China， and the robot industry is one of the so-called emerging industries. After the actual investigation， it is not difficult to find that the spraying robot's mechanism characteristics and related workmanship requirements are very exquisite. Therefore， in the development of the robot industry at this stage， it is an urgent social work to do some research on it. The relevant units and working departments should be open to it. We began to attach importance to it. In this paper， the kinematics and trajectory planning algorithm of spraying robot will be elaborated and studied. Its main purpose is to make the development of spraying robot more stable and smoother.

Key Words： Spraying robot; Kinematics; Trajectory; Planning algorithm; Research and analysis

众所周知，对于一个国家的发展来说，其内部工业的发展程度是十分重要的，甚至在某种程度上来说，一个国家内部的工业发展程度能够代表其发展的最高水平，从这一点中就能够看出，一个国家工业发展的重要性了，而现阶段工业发展当中，工业机器人已经在各项社会工作当中进行应用，并且还取得了相当不错的成效，喷涂机器人就是工业机器人其中的一种，在实际的生产活动当中，喷涂机器人经常用于汽车等产品的涂装生产。所以，在接下来的文章当中，就将针对喷涂机器人运动学和轨迹规划算法进行一定的研究，并且在文章当中，还会提出一些具有建设性的意见或者对策，以使得喷涂机器人的发展能够始终处于世界的先进水平，且有利于社会经济的发展。

1  整体机构的分析

为了清晰的了解喷涂机器人的工作，就需要对其实际的工作过程进行必要的了解和分析，这样才能利于后续的研究工作。在实际的调查以及相关的文献记载中可以发现，喷涂机器人的工作系统并不是唯一的，在整体的角度上进行分析的话，喷涂机器人的工作系统主要具有两种，其中一种是比较简单的，而相对应的，另一种工作系统就是相对比较复杂的了[1]。

（1）简易集成喷涂系统。

在实际的喷涂机器人当中，这种简易集成的喷涂工作系统还是比较常见的，该系统的位置处于机器人整体的第六轴的法兰末端，之所以将其称为简易的喷涂系统，主要的原因就是在实际的喷涂工作当中，喷涂机器人的总控平台只需要通过IO信号便可以实现工作动作的控制，这样在实际的工作过程当中，工作的流程相对比较简便，而且，这种简便的工作过程，还会将诸多的不良影响因素排除在外，以此，就能够保证实际的喷漆工作的质量比较完好，而且无论是在工作质量方面，还是在工作效率方面，简易集成喷涂系统的优势还是比较大的[2]。

（2）复杂集成的喷涂系统。

在前文已经进行了一定的提及，复杂的集成喷涂系统与简易集成喷涂系统之间是互成对应的关系，因此，二者进行相关的比較其实就能够轻易的发现，复杂集成喷涂系统当中，其具有的功能模块是非常多的，而且这种喷涂机器人的复杂集成喷涂系统的造价是比较昂贵的，而且，由于其功能模块比较多，在控制手段的选择当中，就不能够由单一的总控平台进行控制了。另外，这一系统在喷涂的工作当中，能够实现更加精细的控制，而这一点简易集成的喷涂系统是不能完成的，例如在实际的喷涂生产活动当中，具有复杂集成的喷涂系统能够对喷涂参数的精准控制，这样喷涂的形状、厚度，都能够变得非常精准[3]。因此，这一系统对于喷涂机器人来说是非常之重要的。

针对相关的文献资料进行调查之后，就能够发现，传统的工业机器人的设计其实大多数都是垂直型的机构设计，但是随着时间的推移和社会经济的不断发展，传统设计的工业机器人逐渐不能满足社会发展的需求了，最重要的一点其实就是传统的工业机器人在进行解构分析的过程中，经常会遇到多关节正余弦值相乘的情况，而众所周知的，这些多关节的正余弦值都是无理数且比较难以得出准确的数值，进而使得解析的解值不易得出，分析工作变得异常困难[4]。

针对传统的工业机器人的设计，则将上述的缺点之处进行了避免，首先，工业喷涂机器人第二轴和第三轴的电机，在设计当中都将其放在了大臂的下方，这样的布置形势就避免了上述的解析解值难以求出的情况，另外，在多个回转轴的相邻轴线夹角角度的设计当中，都将其设置未60°，这样无论是正弦值还是余弦值，都能够得到一个相对比较准确的数字，这一点对于分析工作的进行是非常重要的，另外，这种布置形式还能够使得喷漆大臂的活动变得更加的灵活，这样就能够适应各种不同程度的工作任务了，且这种布置形式的操作空间的范围很大，对于这项工作的未来发展和创新改变时比较有利的。

但是这一设计形式并不全部都是优点，在整体上也具有一定的缺陷之处，例如实际操作变得更加困难等等，并且这些缺陷之处在第三关节当中体现的更加的明显，从喷涂机器人的机构构造图当中就能够看出，其第三关节机械传动结构是非常复杂的，其腕部位置的结构也比较复杂，这种情况就会使得加工过程的难度加大，无论是单个喷涂机器人构造的加工还是一个批次的加工过程都会变得更加的困难，而且，在之后的社会发展当中，势必会对喷涂机器人的工作提出更高的要求，也就是说之后的设计工作的难度也是比较大的[5]。

2  运动学建模

（1）运动学正解。

本文所研究的是喷涂机器人运动学和轨迹规划算法，也就是进行研究和分析的就是喷涂机器人的本体，在这一前提确定之后，进行运动学的正解过程就需要了解喷涂机器人的各种MDH参数，这样才能完成计算和分析过程。

在实际的分析计算过程当中，还需要用到T矩阵，这里所谓的T矩阵，其实就是一个描述连杆坐标系之间的位置变化情况。

（2）拟牛顿迭代。

一般情况下来说，对于非线性的方程进行求解的话，需要保证的一点就是方程的数量要与未知数的数量相等，而为了方便进行拟牛顿迭代的计算，还需要进行一定的假设，这样就能够得到拟牛顿迭代的基本格式了，另外，在后续的工作过程当中就能够得到我们需要的雅克比矩阵，这一矩阵得出之后就能够进行运动学的正解过程了，因此在某种程度上来说，这一工作过程也可以说成是分析过程的一种必要的前提保证，相关的工作人员以及部门要知晓其重要性。

（3）逆运动学。

经过实际的计算和了解之后，其实不难发现，对于喷涂机器人来说，可以通过向量以及前四轴的关节值来进行计算过程，并且根据这几项数据，还可以建立起三个方程，但是如果想要建立一个需要的雅克比矩阵的话，还缺少一个方程，所以，在后续的分析和计算过程当中，就需要根据实际的分析情况来再建立一个新的方程。为了达到这一目的，可以进行必要的假设过程，所以在实际的分析过程中，可以假设我们已经求得了前四个轴的关节值，并且这些解值还都是具有可行性的，在之后的计算过程当中，还需要建立其一种新的等量关系，这样便能够得到另外的一个方程了，这样就具有了四个不同的方程，便能够建立起一个需要的雅克比矩阵了。

3  喷涂机器人轨迹规划

所谓喷涂机器人的轨迹规划，其实就是一种运动轨迹的跟踪和控制工作，在这一工作内容当中，可以使得喷涂机器人能够在末端以比较明确的形态来根据规划好的路径来进行运动，一旦可以实现这一点，喷涂机器人在实际的工作过程当中能够出现的失误量是比较少的，这对于喷涂机器人当前的工作状态以及未来的工作进展都是具有比较重大的意义的，因此，相关的工作单位以及人员对于喷涂机器人的轨迹规划工作要逐渐的重视起来。

在喷涂机器人的喷涂工作当中，关节空间位置的插补就是指，在起始点与目标位置这一段距离当中具有多个离散的位置点，而这些位置的相关数据，是能够通过一定的方式方法来计算出来的[8]。

并且，喷涂机器人在实际的喷涂工作当中，喷枪在汽车表面所经过了一系列轨迹当中，要确保喷前扫过的部分要互相重叠，而在互相重叠的部分也是具有不同的要求的，首要的一点要求就是保证存在适当的间距部分，而喷涂机器人的轨迹规划工作就能够完成这一点。但是在前期的工作过程中不难发现，虽然喷涂机器人的工作能够完成这一点，但是其运动状态比较勉强，这样就会使得喷涂间距效果不是非常好，所以，改善当前的运动状态是非常重要的一项工作内容，而为了实现这一点，在实际的运行轨迹规划工作当中，可以采用正弦曲线作为运行轨迹曲线，在完成这一操作之后，就能够发现非常明显的一点，无论是运动过程的连续性还是平顺性，都有非常巨大的提升。造成这种情况主要的原因就是正弦曲线的选择，正弦曲线在定义域之内拥有连续且高阶可导的特性，而在选择的过程结束之后，这一特性在实际的工作过程当中就能够发挥到极致，这一点对于喷涂机器人的轨迹规划工作是非常重要的。

除以上几点之下，运动轨迹当中的其他运动状态也是可以进行相关的控制工作了，例如，在实际的工作当中可以改变振幅，这样就能够实现喷洒高度之上的控制，如果改变的是正弦曲线的频率，就可以对重叠部分的宽度实现控制，这一控制作用是能够节省材料的，这两种控制作用同时进行，还具有能够调节行进速度的作用。

4  喷涂机器人算法研究的仿真过程

在各种系统算法的研究过程当中，仿真验证过程是非常重要的一项工作内容，这一工作内容进行得当，才能够使得之前的一些计算过程成立，相反的，如果在仿真验证的工作过程当中，发现了一定错误情况的话，就要进行必要的修改过程，将正确无误的数值带入到计算过程当中，在全部計算过程结束之后，还需要再次进行仿真验证，以确定之前的计算过程是准确且无误的。通过相关的规划其就能够生产正确的正弦运行轨迹，相关的工作人员在实际的仿真验证过程当中，可以先进行逆解的计算过程，再进行正解的计算过程，这样多次的计算过程，就相当于完成了仿真验证过程了，运用学算法是否有效，也就能够得到确定了。另外，在这一工作过程当中，其插值点的选择是非常重要的，因为，一个关键的插值点，会对轨迹规划整体的平顺性和连续性造成巨大的影响，如果能够选择合适的插值点，就能够使得喷涂机器人的工作过程变得稳定且顺利。

5  喷涂机器人运动学和轨迹规划算法研究的意义

随着时间的推移和时代的不断改革创新，我国的社会经济已经实现了空前的发展，而且就现阶段来说，汽车对于广大的人民群众已经不再是一个十分陌生的词汇了，并且随着社会经济的不断发展，在未来势必会对汽车的质量具有更高的要求，为此，喷涂机器人运动学和轨迹规划算法的研究是非常必要的，因为在某种程度上，这项工作能够提升当前以及未来汽车的质量。这样，在未来的社会发展当中，国内广大的人民群众的基本需求就能够得到保证，这对于未来社会的发展以及社会经济的发展，都是具有非常大的积极意义的。为此，在后续的发展过程当中，相关的工作单位一定要重视喷涂机器人运动学和轨迹规划算法研究。

6  结语

综上所述，就是目前为止的喷涂机器人运动学和轨迹规划算法的相关研究和分析了，从文中叙述的内容当中不难看出，我国在这项工作当中还是存在着比较大的欠缺的，例如实际喷涂机器人的工作还是不够稳定，甚至在一些意外的情况之下还会出现不同程度的失误情况，面对着这种情况，相关的工作部门以及工作人员就要做好相关的优化和完善工作，这样才能使得喷涂机器人运动学和轨迹规划算法研究具有其自身的意义。

参考文献

[1] 王征兵，孙文磊.IRB4400喷涂机器人运动学分析研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018（12）：34-37，42.

[2] 李芳，顾海巍.喷涂机器人运动学与轨迹规划算法研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（12）：25-28，32.

[3] 王美妍，李杰.六自由度工业机器人轨迹规划算法研究[J].精密制造与自动化，2017（4）：47-50.

[4] 黄均标.六关节喷涂机器人的控制系统设计与开发[D].广东工业大学，2017

[5] 徐龙.面向喷涂作业的多机器人在线智能编程系统研究[D].东南大学，2017.

[6] 陈济泽.喷涂机器人轨迹规划系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[7] 马超坤.悬链涂装线上车轮搬运机器人的轨迹规划[D].济南大学，2016.

[8] 毕道鹍.涂装机器人喷幅误差控制技术研究[D].中国科学技术大学，2015.

[9] 李承宇.6DOF機器人铣削NURBS曲面刀具轨迹规划及姿态控制研究[D].兰州交通大学，2018.

[10]高岩.工业机器人轨迹规划算法的研究与实现[D].沈阳计算机研究所，2014.