本發(fā)明涉及基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法。

背景技術(shù)：

在噴涂技術(shù)中，噴頭與工件表面保持垂直是整個工藝中十分重要的一個環(huán)節(jié)，噴頭時刻保持與工件表面的垂直能夠保證噴漆的厚度、噴涂效果、光澤程度保持一致，便于實現(xiàn)噴漆工藝，保證了加工后工件的效果。傳統(tǒng)的測量方式是離線測量確定法線方向，即在加工零件的過程中，為了使加工工具保持與曲面垂直，需要停止設(shè)備，人工示教。只能通過肉眼判斷加工工具是否與曲面法線方向重合。

隨著噴涂技術(shù)等自動化技術(shù)的普及，對于噴涂設(shè)備的姿態(tài)要求越來越高，為了提高自動化設(shè)備的工作效率，確保噴涂工藝的完整性，那么就需要一種方法保證噴頭與曲面工件表面保持在方向上垂直。

現(xiàn)有技術(shù)中cn102393176測量曲面曲率半徑的主要方法為等厚干涉法，該方法測量效率較低且使用場合有限，該技術(shù)方案包括左支架和左支架上垂直固定著左立尺，右支架和右支架上垂直固定著右力尺，；兩力尺之間用橫尺搭聯(lián)，橫尺上通過懸尺游標吊掛著懸尺，懸尺下端為半圓錐體接觸點。上述技術(shù)方案一方面只能應(yīng)用于整體結(jié)構(gòu)對稱于曲面的工件，或者是已經(jīng)找到曲面的對稱位置和角度等參數(shù)的工件，否則容易存在懸尺下端的半圓錐體接觸點未準確接觸曲面的最高點，即懸尺與曲面的半徑不共線的情況，從而嚴重影響了曲率半徑和法線向量的測量準確性。這種方法應(yīng)用限制的范圍較窄，尋找曲面對稱位置和角度等參數(shù)較為費時。另外，這種方法只能應(yīng)用于在水平方向上測量曲面法向量，不適用與大型工件。這種方法耗時時間比較長，在實際的工業(yè)應(yīng)用中，并不完全適用。

另外一種cn201310342502.8該發(fā)明提出一種接觸式測量曲面的方法以及誤差補償系統(tǒng)，包括紅寶石測touch陶瓷測桿和壓力傳感器，通過獲得實際測量點與理論測量點的誤差和夾角來確定實際曲面的法線方向。此種方法的缺點在于只適用于可接觸設(shè)備，不便于噴漆噴頭移動，在移動過程中會破壞噴漆效果，并且效率低下，成本較高。由此可見，此種方案非常不利于應(yīng)用在噴漆機器人的曲面法向量測量中。

一般情況下，很多工業(yè)噴涂作業(yè)并不需要噴頭完全對準工件曲面的法線方向，也就是說在尋找局部曲面法線向量時并不需要十分高的精度。只要保證在短距過程中，噴頭能夠?qū)使ぜ氖啄┒饲娣ň€即可，就可以保證噴涂的流暢性和工藝的完整性，本發(fā)明結(jié)合機器人末端位置和機器人運動向量解算三角形，并采用雙紅外傳感器配合機器人的運動方向向量獲得局部曲面法向量信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法，目的在于解決現(xiàn)有測量技術(shù)不能實現(xiàn)的問題，以提高尋找局部曲面法向量的效率和工件加工質(zhì)量。

一種基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法包括橫向測量和縱向測量兩部分；

一、縱向測量方法的實現(xiàn)步驟如下：

步驟一一：在機器人噴頭移動到待噴涂工件曲面位置后，獲得機器人噴頭在大地坐標系中坐標，并設(shè)定為p(x,y,z)；

步驟一二：根據(jù)兩臺設(shè)置在機器人噴頭邊緣的紅外測距傳感器之間的夾角θ，以及紅外傳感器測量的兩個紅外傳感器與待噴涂工件曲面的距離d1、d2，解算得到待噴涂工件曲面上的兩個點d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)；

所述機器人噴頭邊緣為機器人噴頭噴漆面邊緣；

步驟一三：將d1(x1,y1,z1)與d2(x2,y2,z2)兩點的中點作為待噴涂工件曲面在縱向上與待噴涂工件縱向切面曲線法線的交點o1(xo1,yo1,zo1)；

步驟一四：將d1(x1,y1,z1)與d2(x2,y2,z2)兩點用函數(shù)擬合，獲得函數(shù)過o1(xo1,yo1,zo1)點的縱向法線向量

步驟一五：將機器人噴頭的方向調(diào)整到與縱向法線向量平行的方向，并在縱向方向上移動機器人使機器人噴頭對準o1(xo1,yo1,zo1)，確定機器人噴頭在垂直于待噴涂工件曲面的橫向平面內(nèi)；

二、橫向測量方法實現(xiàn)步驟如下：

步驟二一：在機器人噴頭移動到目標位置后，獲得機器人噴頭在大地坐標系中坐標，并設(shè)定為p(x,y,z)；

通過兩臺設(shè)置在機器人噴頭邊緣的紅外測距傳感器測量兩個紅外傳感器與待噴涂工件曲面的距離，獲得此時待噴涂工件曲面上的兩個點的位置da1(xa1,ya1,za1)、db1(xb1,yb1,zb1)；

步驟二二：移動機器人噴頭，同時記錄在機器人噴頭移動過程中所經(jīng)過的采樣點dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)，是dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)點的起點)，其中采樣周期為t；

所述t為正整數(shù)；

步驟二三：將采樣點dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)的中點作為機器人噴頭的移動軌跡don(xon,yon,zon)；

步驟二四：根據(jù)每次獲得的移動軌跡，使用函數(shù)曲線(比如說，可以用二次曲線或者三次曲線來擬合)擬合所有的移動軌跡，獲得移動軌跡的末端切線向量(使用解析幾何的方式，根據(jù)獲得的擬合曲線，獲得曲線上點的切線向量和法線向量)，并根據(jù)末端切線向量獲得橫向法線向量(采用解析幾何的方法，切線與法線向量垂直)；

步驟二五：將機器人噴頭的方向調(diào)整到與橫向法線向量平行的方向，確定機器人噴頭在垂直于待噴涂工件曲面的縱向平面內(nèi)；

重復(fù)橫向測量和縱向測量，橫向平面與縱向平面相交，確定待噴涂工件曲面的法向向量；

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供了一種用于噴漆機器人噴頭尋找局部曲面法向量的測量方法，將三維曲面的測量轉(zhuǎn)換為兩次的二維測量，根據(jù)兩臺紅外傳感器的反饋點，用解析幾何的方式解算噴頭末端姿態(tài)。避免了人工操作所帶來功效的低下，又避免了復(fù)雜的測量設(shè)備。并且通過雙紅外傳感器，僅僅采用了兩臺紅外傳感器，結(jié)合機器人的運動向量所記錄的反饋點，尋找曲面的法向量，可以實現(xiàn)整個過程連續(xù)性，實時性，能保證加工高效進行。保存了紅外傳感器的方便處理，及時反饋的特性，克服了人工操作的誤差與低效，并且在眾多其他的工業(yè)領(lǐng)域同樣適用。

1、本發(fā)明將曲面法向量的測量分解成為橫向測量與縱向測量兩部分，將三維的問題降為兩個二維問題，可以實現(xiàn)對于加工工件的曲面法向量的確定，獲得不規(guī)則曲面的結(jié)構(gòu)尺寸和特征，消除噴頭為尋找待加工工件的曲面法向量而終止整個操作流程，人工示教所浪費的時間和人工的誤差，提高工藝的精度和質(zhì)量。

2、雙紅外線測距加工之后，無需離線檢測，便可實現(xiàn)在線迅速調(diào)整噴頭姿態(tài)，使噴頭一直保持與曲面垂直。當噴頭偏離曲面，可由噴頭兩側(cè)的紅外傳感器所反饋的距離調(diào)整，直到滿足指標的要求，保持噴頭垂直于所對的曲面，節(jié)省人力和時間，提高了工件加工的制作效率，穩(wěn)定性，重復(fù)性和一致性。

3、本發(fā)明采用了雙紅外線傳感器測距，可以保持噴頭一直處于移動狀態(tài)。對于移動的噴頭來說，紅外傳感器的干擾小，沒有接觸摩擦，便于移動。本發(fā)明的優(yōu)點在于使用紅外傳感器測量曲面法線向量，適用于比較干擾情況復(fù)雜的環(huán)境。便于操作和計算，通用性比較好，因此增加了測量尺寸和范圍。

4、本發(fā)明裝置可以測量整個工件的局部曲面，不受待加工工件的尺寸限制，擴大了測量和檢測的尺寸范圍，可以應(yīng)用在很多工業(yè)應(yīng)用中。

5、本發(fā)明使用兩臺紅外傳感器結(jié)合噴頭的運動向量獲得曲面所在平面和其法向量。由于紅外傳感器的操作簡單，測量速度快，效果可靠，因此可以實現(xiàn)測量過程的實時性。

6、相對于等厚干涉法，本發(fā)明的裝置更加簡單，大大節(jié)約成本，系統(tǒng)設(shè)備要求比較低，容易實現(xiàn)，體積小，很便于裝配。

7、可以根據(jù)噴頭的距離調(diào)整兩紅外傳感器之間的夾角，根據(jù)噴頭移動的速度，調(diào)整移動過程中的采樣時間。整個系統(tǒng)比較靈活，便于掌控。

附圖說明

圖1為縱向測量，噴頭在末端時，所對平面為工件曲面的情況示意圖；d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)分別為兩臺紅外傳感器在工件上所測量出來的點，p(x,y,z)為噴頭端點；

圖2為橫向測量，噴頭在移動過程中時，每隔一定采樣時間記錄下雙紅外傳感器的反饋點，通過函數(shù)擬合獲得噴頭移動到末端時的法線方向示意圖；

圖3為橫向測量，縱向測量運動范圍示意圖；

圖4為整個噴頭的移動過程，從初始點到目標點的整個移動軌跡示意圖；

圖5為整個噴涂解算過程的主要流程圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式的一種基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法包括橫向測量和縱向測量兩部分；

一、縱向測量方法的實現(xiàn)步驟如下：

步驟一一：在機器人噴頭移動到待噴涂工件曲面位置后，獲得機器人噴頭在大地坐標系中坐標，并設(shè)定為p(x,y,z),(x,y,z符合右手定則)；

步驟一二：根據(jù)兩臺設(shè)置在機器人噴頭邊緣的紅外測距傳感器之間的夾角θ，以及紅外傳感器測量的兩個紅外傳感器與待噴涂工件曲面的距離d1、d2，解算得到待噴涂工件曲面上的兩個點d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)，(x1,y1,z1x,y,z符合右手定則，x2,y2,z2符合右手定則)；

所述夾角θ、d1、d2為已知；

所述機器人噴頭邊緣為機器人噴頭噴漆面邊緣；

步驟一三：將d1(x1,y1,z1)與d2(x2,y2,z2)兩點的中點作為待噴涂工件曲面在縱向上與待噴涂工件縱向切面曲線法線的交點o1(xo1,yo1,zo1)，xo1,yo1,zo1符合右手定則；

步驟一四：將d1(x1,y1,z1)與d2(x2,y2,z2)兩點用函數(shù)擬合，獲得函數(shù)過o1(xo1,yo1,zo1)點的縱向法線向量xa,ya,za符合右手定則；

步驟一五：將機器人噴頭的方向調(diào)整到與縱向法線向量平行的方向，并在縱向方向上移動機器人使機器人噴頭對準o1(xo1,yo1,zo1)，即認為向量在待噴涂工件曲面的縱向垂直方向，確定機器人噴頭在垂直于待噴涂工件曲面的橫向平面內(nèi)；

每次完成移動指令之后，都重復(fù)步驟一到步驟四，以保證能夠更加準確的找到縱向方向的垂直方向；

二、橫向測量方法結(jié)合了機器人的運動向量及信息，實現(xiàn)步驟如下：

步驟二一：在機器人噴頭移動到目標位置后，獲得機器人噴頭在大地坐標系中坐標，并設(shè)定為p(x,y,z)；

通過兩臺設(shè)置在機器人噴頭邊緣的紅外測距傳感器測量兩個紅外傳感器與待噴涂工件曲面的距離，獲得此時待噴涂工件曲面上的兩個點的位置da1(xa1,ya1,za1)、db1(xb1,yb1,zb1)，符合右手定則；

步驟二二：根據(jù)噴漆工藝和工件表面軌跡移動機器人噴頭，同時記錄在機器人噴頭移動過程中所經(jīng)過的采樣點dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)，符合右手定則，(噴頭在需求軌跡過程中，測量范圍內(nèi)的部分的采樣點，da1(xa1,ya1,za1)、db1(xb1,yb1,zb1)是dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)點的起點)，其中采樣周期為t；

所述t為正整數(shù)；

采樣周期的選擇影響對于曲線的擬合程度。采樣周期由速度決定。

步驟二三：將兩側(cè)紅外傳感器的采樣點dan(xan,yan,zan)、dbn(xbn,ybn,zbn)的中點作為機器人噴頭的移動軌跡don(xon,yon,zon)，符合右手定則；

步驟二四：根據(jù)每次獲得的移動軌跡，使用函數(shù)曲線(比如說，可以用二次曲線或者三次曲線來擬合)擬合所有的移動軌跡，獲得移動軌跡的末端切線向量(使用解析幾何的方式，根據(jù)獲得的擬合曲線，獲得曲線上點的切線向量和法線向量)，并根據(jù)末端切線向量獲得橫向法線向量符合右手定則(采用解析幾何的方法，切線與法線向量垂直)；

步驟二五：將機器人噴頭的方向調(diào)整到與橫向法線向量平行的方向，確定機器人噴頭在垂直于待噴涂工件曲面的縱向平面內(nèi)；

重復(fù)橫向測量和縱向測量，橫向平面與縱向平面相交，確定待噴涂工件曲面的法向向量；

所述一種基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法中的局部為兩傳感器角度不超過5°；

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一二中d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)具體公式為：

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟一三中交點o1(xo1,yo1,zo1)的具體公式為：

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟一四中函數(shù)的具體公式為：

式中，m、n、p為擬合出的曲線的系數(shù)；

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟一二中兩臺設(shè)置在噴頭邊緣的紅外測距傳感器之間的夾角θ取值為0°≤θ≤5°。

θ需要非常小，根據(jù)噴頭與工件的距離調(diào)整θ的角度，θ的角度應(yīng)該保證小于5°。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：所述步驟一二中兩臺設(shè)置在噴頭邊緣的紅外測距傳感器相對于噴頭對稱設(shè)置；

所述兩紅外傳感器與噴頭處于同一平面內(nèi)；每個紅外傳感器與噴頭所成的夾角為

在縱向解算過程中，由于θ角足夠小?？梢哉J為三角形δpd1d2為等腰三角形，并認為d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)中線就是三角形的底邊垂線。那么找到底邊中線，將噴頭對準中點o1(xo1,yo1,zo1)，就找到了曲面的縱向垂直方向如圖1，每次完成移動指令之后，都重復(fù)步驟一到步驟四，以保證能夠更加準確的找到縱向方向的垂直方向。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：所述在每次測量中，重復(fù)橫向測量和縱向測量，橫向平面與縱向平面相交，確定了待噴涂工件曲面的法向向量；具體過程為：

機器人噴頭對準采樣點的中點，將橫向測量和縱向測量的don(xon,yon,zon)和o1(xo1,yo1,zo1)對齊，使橫向測量和縱向測量在局部曲面上的同一個點，使橫向平面與縱向平面相交，確定了待噴涂工件曲面的法向向量。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至六之一相同。

采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：

實施例一：

本實施例一種基于雙紅外傳感器的局部曲面法向量確定方法具體是按照以下步驟制備的：

圖1所展示的是縱向測量，噴頭在末端，所對平面為工件曲面的情況，兩臺紅外傳感器在工件上所測量出來的點分別為d1(x1,y1,z1)、d2(x2,y2,z2)，與噴頭端點p(x,y,z)構(gòu)成δpd1d2。根據(jù)兩個反饋點解算三角形中點位置和垂線與底邊的交點。

圖2為橫向測量，噴頭在移動的過程中，每隔一定采樣時間記錄下雙紅外傳感器的反饋點，通過函數(shù)擬合獲得噴頭移動到末端時的法線方向。

圖3為橫向測量，縱向測量運動范圍示意圖；

圖4描述了整個噴頭的移動過程，從初始點到目標點的整個移動軌跡。并實時根據(jù)雙紅外傳感器所反饋的數(shù)據(jù)，函數(shù)的擬合曲線，及時在線調(diào)整噴頭末端姿態(tài)，保持噴頭與工件曲面始終在垂直方向。

圖5是整個噴涂解算過程的主要流程圖，整個流程分為兩個主要部分，一部分是橫向測量，一部分是縱向測量。最終噴頭末端指向反饋點中點，使噴頭的方向即為局部曲面法向量。

從整體來說，局部曲面法向量的確定方法的主要部分如下幾個部分：

步驟一：獲得噴頭末端位置，并接受外部指令，噴頭沿著指定的運動向量，向目標方向移動。

步驟二：通過橫向測量方式，根據(jù)采樣時間，記錄雙紅外傳感器所經(jīng)過路程的反饋點。

步驟三：計算噴頭的實際運動軌跡，并使用函數(shù)擬合噴頭的運行軌跡計算出函數(shù)末端的法向量，并調(diào)整噴頭的方向。使噴頭保證在橫線平面內(nèi)與曲面工件保持垂直。

步驟四：當噴頭到達目標點之后，使用縱向側(cè)臉方式。獲得噴頭兩側(cè)的紅外傳感器的反饋點。

步驟五：計算兩點的重點，并用函數(shù)擬合兩個反饋點，獲得函數(shù)的法線方向。

步驟六：將噴頭對準反饋點中點，并將噴頭保持與兩次獲得的橫向縱向法線方向保持一致，便獲得了在局部曲面的法線方向。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種用于噴漆機器人噴頭尋找局部曲面法向量的測量方法，將三維曲面的測量轉(zhuǎn)換為兩次的二維測量，根據(jù)兩臺紅外傳感器的反饋點，用解析幾何的方式解算噴頭末端姿態(tài)。避免了人工操作所帶來功效的低下，又避免了復(fù)雜的測量設(shè)備。并且通過雙紅外傳感器，僅僅采用了兩臺紅外傳感器，結(jié)合機器人的運動向量所記錄的反饋點，尋找曲面的法向量，可以實現(xiàn)整個過程連續(xù)性，實時性，能保證加工高效進行。保存了紅外傳感器的方便處理，及時反饋的特性，克服了人工操作的誤差與低效，并且在眾多其他的工業(yè)領(lǐng)域同樣適用。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。