基于贝塞尔曲线曲面的汽车内腔喷涂机器人轨迹优化研究

Clearer production is a difficult problem of upgrading automobile coating technology. It is difficult to optimize spray painting robot trajectories because of complex shape and small area in automobile internal cavity. And it leads to serious environmental pollution and poor quality of automobile body by manual spraying. In this project, the Bézier triangular surface is constructed by Bernstein polynomial. And each triangle in Bézier triangular mesh is called the Bézier- Bernstein triangle. Then the construction of the flat patch adjacency graph is discussed. The discrete points arrayed on equidistant surface of Bézier surface are found. The path planning is completed for C-Bézier curve. And the robot trajectories optimization algorithm based on regularization Dirac function is discussed. A T-Bézier basis is presented and a T-Bézier curve is developed.The electrostatic spray painting robot path planning is completed for T-Bézier curves. In this project, optimization trajectories methods of spray painting robots for automobile internal cavity will be proposed, and the technology of automobile spraying will be improved.

清洁生产是打造新常态汽车涂装技术升级版的难题。汽车内腔形状复杂，喷涂位置多、面积小，末端执行器变幅频繁，机器人轨迹优化难度大，目前主要还是人工喷涂，效果差且环境污染严重。本课题围绕贝塞尔（Bézier）曲线曲面理论最新成果，分析Bézier三角网格特征，研究基于有向连接图的Bézier-Bernstein三角面合并算法，自动生成汽车内腔Bézier三角曲面；搜寻Bézier曲面等距面离散点列阵，规划空气喷涂C-Bézier曲线路径，研究基于正则化狄拉克函数的机器人轨迹优化算法；构建基于三角函数基的T-Bézier曲线，分析曲线凸性、方差不变性等几何性质，研究机器人静电旋杯喷涂T-Bézier曲线轨迹生成方法。本课题旨在增强机器人喷涂路径形状控制的灵活度和柔性，突破复杂曲面喷涂轨迹优化过程效率低的技术局限，为实现汽车内腔机器人全自动化喷涂目标奠定理论和技术基础。

汽车制造工业中，研究汽车内腔曲面机器人喷涂轨迹规划技术，提出节能环保的汽车新型喷涂解决方案，已经成为迫切需要解决的问题。Bézier曲线在工程应用中灵活度高、光滑性好、可控性强，可以实现自由型曲线更加灵活的交互设计，效果非常理想。因此，以汽车内腔为研究对象，围绕Bézier曲线曲面最新方法研究喷涂机器人轨迹优化策略是一件非常具有意义的工作。. （1）研究了汽车内腔Bézier曲面造型方法。一种是Bézier张量积曲面造型方法。另一种是Bézier三角曲面造型方法。实例验证结果表明Bézier张量积曲面造型方法和Bézier三角曲面造型方法均是有效的，且计算实时性较好。. （2）研究了汽车内腔Bézier曲面上的喷涂机器人轨迹优化方法。首先对Bézier曲面进行分析后，提出了利用测地曲率寻找最优自动喷涂初始轨迹的方法；然后建立了Bézier曲面上的喷涂模型，给出了Bézier曲面上某一点的涂层厚度数学表达式；在找出Bézier曲面等距面的离散点列阵后，使用3次Cardinal样条曲线和Hermite样条曲线插值方法，规划出喷涂空间路径；最后沿指定的喷涂空间路径，以涂层厚度方差最小和喷涂时间最短为优化目标，从而获得了Bézier曲面上的喷涂优化轨迹。. （3）提出了一种新的复杂曲面上机器人喷涂轨迹优化方法。运用Bézier三角曲面造型技术对复杂曲面造型后，找出复杂曲面等距面上的离散点列；在提出指数平均Bézier曲线定义及性质后，结合其调控灵活的特点，将其运用于复杂曲面上的自动喷涂空间路径生成算法中；然后沿指定喷涂路径提出一种新的复杂曲面上的喷涂轨迹优化方法。. （4）研究了汽车内腔高压静电喷涂轨迹优化方法。针对高压静电喷涂过程中可调参数多，路径曲线局部调控性差等问题，提出了一种新的高压静电自动喷涂路径规划方法。在构建一组新的基作为T-Bézier基后，提出了T-Bézier曲线定义及性质；利用该曲线拟合工件曲面等距面上的离散点列阵，再反求曲线的控制顶点，从而生成基于T-Bézier曲线的静电喷涂空间路径。通过仿真实验，验证了各种数学模型的正确性。最后对实验结果进行了分析和讨论，证明了所提方法的有效性。