(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210442838.0 (22)申请日 2022.04.26 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 刘德福　潘治贵　李纾聃　 (51)Int.Cl. B08B 7/00(2006.01) B08B 13/00(2006.01) G06T 17/20(2006.01) G06T 19/00(2011.01) (54)发明名称 一种针对精密复杂零件的机器人激光清洗 路径规划与控制的方法 (57)摘要 本发明属于智能制造和工业机器人离线编 程领域， 公开了一种针对精密复杂零件的机器人 激光清洗路径 规划与控制方法。 首先建立了工件 STL模型点、 边、 面之间的拓扑关系， 设计了区域 分割和孔洞修补算法对模型进行预处理， 并结合 OpenGL技术实现局部区域网格的框选； 然后对模 型进行分层处理并精简交点。 机器人程序输出 前， 优化了机器人加工姿态， 分析了机器人奇异 位型， 并求解正运动学和逆运动学方程对奇异点 进行修正。 最后建立了机器人和计算机的通信连 接。 与现有 技术相比， 本发明精度高、 灵活性好和 实用性强， 可以广泛应用于各种精密复杂零件的 机器人激光清洗路径规划与控制， 对其余机器人 激光表面加工 亦具有一定参 考意义。 权利要求书3页 说明书5页 附图8页 CN 114904844 A 2022.08.16 CN 114904844 A 1.一种针对精密复杂零件的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 包 括步骤： (1)导入STL模型并建立拓扑关系： 首先通过三维造型软件或点云扫描设备获取零件 STL模型， 设计STL文件拓扑关系提取算法， 建立STL模型点、 边、 面之间的拓扑关系。 (2)设计区域分割算法， 获取待加工面： 为了精确定位加工表面， 利用区域分割算法获 得模型的各个特 征曲面。 (3)选取待加工表面并修补孔洞： 在加工曲面编辑功能模块中去除无需加工的表面， 针 对模型含有的结构性或缺陷性孔洞， 为了保证某一截面拓扑关系的连续以及表面的完整清 洗， 利用孔洞修补算法填充孔洞， 并优化 修补后网格形状。 (4)框选局部污染区域： 若零件只含局部污染， 无需加工零件所有表面， 结合OpenGL技 术框选污染区域， 获取 该区域的网格信息， 并根据区域形状特点设置相应的分层方向。 (5)STL模型分层处理： 基于步骤(1) ‑(4)得到了零件待加工部位的网格信息， 采用一组 截平面与网格相交得到待清洗零件表面的一系列加工点。 (6)生成激光扫描路径： 由步骤(5)得到的交点数量一般比较庞大和密集， 若直接生成 机器人加工程序， 会导致程序文件较大， 机器人插补效率低， 因此采用弓高误差法优化离散 交点集得到机器人运动插补点。 为了使机器人在相邻加工点间平滑过渡， 对插补点方向向 量进行调整， 进 而得到机器人TCP位姿。 (7)生成机器人加工程序并导出： 调整局部区域激光入射方向即法矢方向， 找到机器人 运动学中的奇异点并修 正， 生成机器人加工程序并导出。 (8)计算机与机器人建立通信： 建立计算机与机器人之间的通信连接， 实现数据的相互 传输和状态监控。 2.根据权利要求1所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 所属步 骤(1)中， 声明三个列表Li stVector、 Li stEdge、 ListTriangle分别存储所有 点、 边、 面。 具体 步骤包括： 步骤2.1： 读入一个三角形面片中的一个顶点， 判断该顶点是否已经存在于顶点列表 ListVector中。 如果不存在， 创建Vector对象记录顶点坐标值、 顶点索引值， 并将它添加到 顶点列表ListVector中； 如果存在， 则跳过它读入 下一个顶 点。 三个顶 点全部读取完后进入 下一步。 步骤2.2： 读入三个顶点构成的三条边， 判断该边是否已经存在于边列表ListEdge中。 如果不存在， 创建Edge对象记录构成该边的两个顶点的索引值、 边的两个邻接三角面片的 索引值、 边的索引值， 并将它添加到边列表 ListEdge中； 如果存在， 则跳过它读入 下一条边。 三条边全部读取完后进入下一 步。 步骤2.3： 当一个三角形面片的所有顶点和边都被读取后， 创建Triangle对象记录三角 面片法向矢量、 构成面的三个顶点的索引值、 构成面的三条边的索引值， 并将它添加到面列 表ListTriangle中。 步骤2.4： 重复步骤2.1至2.3， 直到读取并记录所有的三角面片。 3.根据权利要求1所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 所述步 骤(2)中， 根据二面角准则设计了STL模 型区域分割算法， 能准确获取模 型各个特征曲面， 具 体包括：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114904844 A 2步骤3.1： 根据拓 扑关系先找 到STL模型的第一个三角面片 T1， 根据三角面片的第一条边 L1计算与其邻接的三角面片T2的二面角大小， 若二面角大于设定阈值， 则转向该三角面片的 下一条边L2并计算与改变邻接 的下一个三角面片的二面角， 当二面角小于设定阈值时， 将 三角面片T3加入特征曲面列表， 并标记三角面片T3和边L2为已计算。 步骤3.2： 继续寻找与T3未计算的边邻接且二面角小于设定阈值的三角面片， 将其加入 特征曲面列表， 将T3和该边标记为已计算。 步骤3.3： 重复步骤3.1、 3.2， 直到最后一个三角面片的其余二面角都大于设定阈值， 则 从特征曲面列表第一个三角面片重新检索， 找到没有计算过二面角的邻接边， 继续步骤 3.1、 3.2。 步骤3.4： 当特征曲面列表所有三角面片的所有边均已标记为已计算， 插入一个标识符 表示该组三角面片为某个特征曲面的三角面片 。 再从STL模 型中寻找未经计算的三角面片， 继续以上步骤。 步骤3.5： 若STL模型的所有三角面片均已计算完毕， 退 出循环， 结束区域分割算法。 4.根据权利要求1所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 所述步 骤(3)中， 孔洞修补算法具体步骤 包括： 步骤4.1： 获取孔洞轮廓信息， 并计算组成轮廓的边界边平均长度l； 步骤4.2： 计算边界点相邻两条边的夹角大小并获得具有最小夹角的边界点， 计算相邻 边界点的距离s； 步骤4.3： 若s<2*l， 则增 加一个三角面片， 否则增 加两个三角面片； 步骤4.4： 更新 边界信息； 步骤4.5： 若孔洞修补完成， 结束修补， 否则转 步骤4.1。 5.根据权利要求1所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 所述步 骤(4)中， 研 究了结合OpenGL技术选取STL模型网格的机制， 并提供了与传 统分层技术不同 的分层方法， 即将矩形框投影到计算机屏幕上， 选择沿着矩形框长或宽的的某一方向为分 层方向， 将与截平面相交的一系列交点的最大法矢作为分层间距的确定准则。 6.根据权利要求1所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 所属步 骤(5)中， 设计了一种基于STL模型的分层切片算法获取一组平行、 有向的加工 路径， 具体步 骤包括： 步骤6.1： 设定分层方向， 分层方向根据模型形状和机器人夹持特点确定， 一般设定为Z 方向， 并给定 激光扫描间距和扫描起始层数； 步骤6.2： 基于交边拓扑关系计算当前切平面与STL模型的截面轮廓线； 步骤6.3： 计算交点法矢和 和当前层交点法矢Z坐标值的最大值Zmax； 步骤6.4： 根据Zmax计算下一层分层间距和截平面 位置； 步骤6.5： 当 分层高度未达 到模型高度或设定高度时， 重复步骤6.2 ‑6.4。 7.根据权利要求6所述的机器人激光清洗路径规划与控制的方法， 其特征在于， 若工件 为回转体， 在分层处理过程中， 则每一条激光扫描路径初始 点不采用截平面与边的交点， 而 通过截平面L1、 过激光头轴线与机器人基座中心点的平面L2以及机器人第六关节旋转角度 为0或360 °时激光所指向的三角面片L3计算得到每一条扫描路径的初始点。 通过这种方法 计算得到的初始点均位于平面 L2上， 避免了 机器人第六关节达 到最大限角。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114904844 A 3