基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法技术

本发明专利技术涉及基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，包括通过相机建立网络模型M；使每个顶点v在半径为r的领域内平滑；利用Morse函数f按照Morse Lemma计算网络模型M的关键点，并选出顶点集合S,并创建分割边界集合B及关键分割点集合P；依照分割边界集合B中的分割线段生成分割线集合L，根据分割线集合L生成子模型集合Ms；根据机器人加工任务是面向空间曲线还是空间曲面选择不同的机器人加工轨迹生成方法生成机器人轨迹。本发明专利技术使用了基于Morse理论的模型分割算法，取代了传统的基于几何特征模型分割算法，提升了分割算法的性能，并简化了轨迹规划步骤。

An automatic path planning method of industrial robot based on Morse decomposition of 3D model

【技术实现步骤摘要】
基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法
本专利技术涉及机器人轨迹规划领域，具体的说是基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法。
技术介绍
现有的机器人加工轨迹主要依赖人工示教或离线编程。在自动规划方面大部分方法需要根据待加工物体的三维数模进行加工轨迹的规划。绝大部分规划方法倾向将三维数模作为一个整体，但由于机器人加工轨迹范围有限，不同结构适用轨迹不同的问题，后续规划方法极为复杂且缺乏泛用性，导致最终此类规划方法整体表现较差。在上述方法的基础上，衍生出了先对原始数模分割再根据分割结果得到的子模型进行机器人轨迹规划的策略；现有技术中模型分割环节涉及到手工选择算法阈值，因此鲁棒性较差，对数据噪音较为敏感，且存在分割不完全，分割线成锯齿状等问题；常规策略下分割遗留的问题将转移给机器人轨迹规划算法解决，这直接导致了机器人规划算法部分设计复杂，控制参数众多且不同子模型适用参数不同并最终导致方法整体泛用性及鲁棒性较差、调参困难的问题。
技术实现思路
现为了解决上述技术问题，本专利技术提出了基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，包括以下步骤：第一步：在坐标系下重建待加工物体的网格模型M，并建立网格模型M中各个顶点v到其平均曲率HV的Morse函数f，使得f(v)＝Hv；第二步：使每个顶点v在半径为r的领域内进行平滑；第三步：利用第二步更新获得的Morse函数f按照MorseLemma计算网格模型M的关键点，并选出所有被标记为鞍型点的顶点集合S，利用顶点集合S创建分割边界集合B及关键分割点集合P；第四步：依照顶点顺序连接分割边界集合B中的分割线段，通过相同顶点首尾连接生成网格模型M不同部位的分割线集合L＝{l1,l2...ln}，根据分割线集合L通过区域生长法将网格模型M分割为若干个互不相交的子模型集合Ms＝{m1,m2...mn}；第五步：根据机器人加工任务是面向空间曲线还是面向空间曲面选择不同的机器人加工轨迹生成方法生成机器人轨迹。所述第三步中利用顶点集合S创建分割边界方法如下：第一步：若顶点集合S为空集，将执行下一步工作，若顶点集合S不为空集，从顶点集合S中取出一个顶点c；第二步：将顶点c加入分割点集合P中，搜索网格模型M中与顶点c相连的顶点集合VC，选择对应f值最小的点p；第三步：若f(p)＜f(c)，则将顶点c与顶点p的连线加入分割边界B，将p加入分割点集合P，令c＝p，返回第二步，否则返回第一步。所述第五步中的面向空间曲线轨迹生成方法如下：第一步：根据加工需要及机器人工作范围，筛选分割线集合L中机器人可加工的分割线，对于每条分割线利用B中分割线段信息，选出其所经过的全部关键分割点pi；第二步：利用网络模型M的原始信息求出关键分割点pi对应的法向量并根据实际加工中要求的末端执行器与物体表面距离d计算关键分割点pi对应的实际机器人末端执行器轨迹点第三步：利用样条拟合末端执行器轨迹点，从而生成最终沿工件不同部位接合处加工的机器人加工轨迹。所述第五步中面向空间曲面的轨迹生成方法如下：第一步：首先在子模型Ms表面进行均匀采样；第二步：对每个采样点pi，利用网络模型M的原始信息求出采样点pi对应的法向量并根据实际加工中要求的末端执行器与物体表面距离d计算采样点pi对应的实际机器人末端执行器轨迹点第三步：对所有末端执行器轨迹点所组成的集合进行PCA主成分分析，得到机器人加工轨迹。所述第二步中通过双边滤波算法，反复执行以下公式进行计算：使每个顶点v在半径为r的领域内进行平滑。在生成机器人轨迹之前根据加工要求及机器人作业范围滤除分割线集合L及子模型集合Ms中不需处理的分割线和子模型。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过优化模型分割算法、简化机器人轨迹规划算法，增强了方法的泛用性及鲁棒性。大幅减少了实际应用中控制参数的调试难度；同时实现一种方法对多种不同实际应用的支持；本专利技术使用了基于Morse理论的模型分割算法，取代了传统的基于几何特征模型分割算法，极大地提升了分割算法的整体性能，并简化了后续机器人轨迹规划步骤。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术工作流程示意图；图2为本专利技术子模型实例；图3为本专利技术图2子模型的轨迹实例；图4为本专利技术轨迹实例2。具体实施方式为了使本领域的技术人员更好的理解本专利技术的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本专利技术进行更清楚、更完整的阐述，当然所描述的实施例只是本专利技术的一部分而非全部，基于本实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下所获得的其他的实施例，均在本专利技术的保护范围内。如图1至图4所示，基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，包括以下步骤：第一步：在坐标系下重建待加工物体的网格模型M，并建立网格模型M中各个顶点v到其平均曲率HV的Morse函数f，使得f(v)＝Hv；通过三维相机在机器人的世界坐标系下重建网格模型M；第二步：使每个顶点v在半径为r的领域内进行平滑；第三步：利用第二步更新获得的Morse函数f按照MorseLemma计算网格模型M的关键点，并选出所有被标记为鞍型点的顶点集合S，利用顶点集合S创建分割边界集合B及关键分割点集合P；第四步：依照顶点顺序连接分割边界集合B中的分割线段，通过相同顶点首尾连接生成网格模型M不同部位的分割线集合L＝{l1,l2...ln}，根据分割线集合L通过区域生长法将网格模型M分割为若干个互不相交的子模型集合Ms＝{m1,m2...mn}；图2为模型的Morse分解效果图示，图2中的着色深浅部位代表分解后的不同子模型，图中坐标系为模型尺寸的标记，单位为毫米；子模型上的标号代表分割后子模型包含的顶点个数，例如“1056”代表分割后子模型包含有1056个顶点；第五步：根据机器人加工任务是面向空间曲线还是面向空间曲面选择不同的机器人加工轨迹生成方法生成机器人轨迹；根据上述步骤可得出如图3和图4所示的加工轨迹，图3和图4中的深色线条为按照空间曲面加工轨迹规范方法所规划的加工轨迹。所述第三步中分割边界生成方法如下：第一步：若顶点集合S为空集，将执行下一步工作，若顶点集合S不为空集，从顶点集合S中取出一个顶点c；第二步：将顶点c加入分割点集合P中，搜索网格模型M中与顶点c相连的顶点集合VC，选择对应f值最小的点p；第三步：若f(p)＜f(c)，则将顶点c与顶点p的连线加入分割边界B，将p加入分割点集合P，令c＝p，返回第二步，否则返回第一步。所述第五步中的面向空间曲线轨迹生成方法如下：第一步：根据加工需要及机器人工作范围，筛选分割线集合L中机器人可加工的分割线，对于每条分割线利用B中分割线段信息，选出其所经过的全部关键分割点pi；第二步：利用网络模型M的原始信息求出关键分割点pi对应的法向量并根据实际加工中要求的末端执行器与物体表面距离d计算关键分割点pi对应的实际机器人末端执行器轨迹点第三步：利用样条拟合末端执行器轨迹点，从而生成最终沿工件不同部位接合处加工的机器人加工轨迹；由于机器人弧焊和激光切割等应用，机器人执行器作用点的加工轨迹通常位于工件不同部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：在坐标系下重建待加工物体的网格模型M，并建立网格模型M中各个顶点v到其平均曲率HV的Morse函数

【技术特征摘要】
1.基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：在坐标系下重建待加工物体的网格模型M，并建立网格模型M中各个顶点v到其平均曲率HV的Morse函数使得f(v)＝Hv；第二步：使每个顶点v在半径为r的领域内进行平滑；第三步：利用第二步更新获得的Morse函数按照MorseLemma计算网格模型M的关键点，并选出所有被标记为鞍型点的顶点集合S，利用顶点集合S创建分割边界集合B及关键分割点集合P；第四步：依照顶点顺序连接分割边界集合B中的分割线段，通过相同顶点首尾连接生成网格模型M不同部位的分割线集合L＝{l1,l2...ln}，根据分割线集合L通过区域生长法将网格模型M分割为若干个互不相交的子模型集合Ms＝{m1,m2...mn}；第五步：根据机器人加工任务是面向空间曲线还是面向空间曲面选择不同的机器人加工轨迹生成方法生成机器人轨迹。2.根据权利要求1所述的基于三维模型Morse分解的工业机器人加工轨迹自动规划方法，其特征在于：所述第三步中利用顶点集合S创建分割边界方法如下：第一步：若顶点集合S为空集，将执行下一步工作，若顶点集合S不为空集，从顶点集合S中取出一个顶点c；第二步：将顶点c加入分割点集合P中，搜索网格模型M中与顶点c相连的顶点集合VC，选择对应值最小的点p；第三步：若f(p)＜f(c)，则将顶点c与顶点p的连线加入分割边界B，将p加入分割点集合P，令c＝p，返回第二步，否则返回第一步。3.根据权利要求1所述的基于三维模型Morse分解的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：易廷昊，代夷帆，翟昱，
申请(专利权)人：埃夫特智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34