第 1 章 绪论
1.1 课题选题背景和意义
随着机器人技术发展的越来越智能化，机器人应用的场景不断扩展和深化，在航空、运输、零部件加工、焊接、军事等各行各业中发挥出日益重要的作用。首当其冲的工业机器人已成为一种新兴技术产业，其具有高效率、可靠性稳定、重复精度误差小、替代工人在危险环境下作业等优势 [1]。
汽车工业已经发展成为我国国民发展的支柱型产业，作为汽车承载的关键零部件，对汽车安全行驶有着至关重要的作用。汽车轮毂形状各异，种类繁多，所以对尺寸精度要求高，生产工艺也比较严格。制造技术是国家发展的核心竞争力，在国民各个支柱产业都有所体现。伴随机器人技术水平的提高，制造加工领域得到了较大的改善，生产制造行业的自动化设备越来越多。汽车制造工业面临巨大的产业优化升级压力，目的是改变生产模式去人工化，提高产品的生产效率和优化生产工艺流程，汽车零部件打磨抛光工作的需求量越来越大，目前主要采用的打磨方式还是以人工打磨和使用单个工业机器人人机协作示教打磨为主[2]。
目前汽车轮毂打磨工艺中人工打磨存在很多缺陷，譬如： 打磨过程中产生的火花、粉尘及噪音严重危害人的身心健康；汽车轮毂打磨过程中，会伴有大量的铝粉和其他有害粉尘物质，工人长期吸入粉尘会对自身呼吸系统造成严重损害[3]；工人长时间集中注意力高强度作业，产生很大的安全隐患；工人长期手持高速转动的电动打磨工具容易导致其手指僵硬、肌肉痉挛，无法完成打磨精度过高的任务；人工打磨质量的好坏要依照工人经验去判断，打磨质量的稳定性无法得到保证；熟练工人稀有，工作环境危险导致工人薪水提高、招工困难，影响企业收益[4]。
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1.2 基于机器人的打磨技术研究及应用
打磨作业过程中只有末端打磨工具与工件直接接触，打磨工具选取的合适度是影响待打磨工件表面粗糙度的决定性因素。末端打磨工具根据制作材料可分成硬性打磨工具和软性打磨工具两类，两种打磨工具分别适用于粗磨和细磨，其中由软性材料制成的打磨工具有缓冲效果，打磨时既保护了工件也保护了打磨工具自身；硬性材料制成的打磨工具打磨效率更高，但是容易对工件造成损伤[5]。本文主要是针对打磨机器人末端打磨工具的轨迹规划进行相关研究。
1.2.1 打磨轨迹规划
机器人在打磨时，末端打磨工具作业时的运动轨迹、稳定性和姿态直接影响打磨质量的好坏。目前机器人末端运动轨迹的生成方式有两种，一种是依靠操作人员对实际机器人的在线示教编程，另一种是依靠上位机的虚拟仿真离线编程。离线编程从根本上来说，就是在机器人作业之前将机器人运动路径输入给机器人，即提前规划好运动路径，所以必须提前给机器人输入各种准确的信息，包括与外接传感器的反馈信息、机器人末端执行器的位置和姿态信息以及机器人关节运动角度信息。示教机器人分类如图 1-3 所示：
图 1-3 示教机器人分类
第 2 章 双机协作机器人的运动学模型建立
2.2 运动学模型的建立
如图 2-1 所示，该系统由 2 台型号参数相同的埃夫特-ER20 工业机器人协作实现轮毂打磨，其中从机器人夹持轮毂，主机器人夹持打磨工具并实时反馈打磨运动路径。为了描述相邻两连杆之间的运动关系，本文采用改进 D-H 法建立各连杆坐标系，如图 2-2 所示，描述如下：坐标原点 在 公垂线与关节 轴线的交点上；轴与关节 轴重合，方向可任意选取； 轴与 重合，方向指向 轴； 由右手定则确定[37]。
由于两台机器人为相同厂家同种型号产品，运动学建立过程相同，所以我们以左边夹持机器人为例，D-H 参数见表 2-1。
图 2-1 样机平台 图 2-2 双机器人坐标系
2.2运动学仿真分析
Robotics toolbox 工具包是一款基于 Matlab 平台的针对机器人运算、仿真的强大功能包，提供了机器人的运动学、动力学、轨迹规划等重要仿真模块，本文利用Robotics toolbox 工具包对双机械臂运动学进行仿真验证 [39]。首先在 Robotics toolbox 工具包中建立双机械臂模型，本文的关节三维模型根据埃夫特工业机器人实际参数建立，其仿真效果与实际工况理论上一致[40]，模型如图 2-3 所示。
图 2-3 双臂关节模型
第 3 章 基于五次均匀 B 样条的轨迹规划 ..................................... 23
3.1 关节空间下多项式插值 ............................................. 23
3.1.1 三次多项式插值法 ......................................... 24
3.1.2 五次多项式插值法 ................................ 27
第 4 章 轮毂点云数据的获取及处理 ..................................................... 41
4.1 三维激光扫描臂及点云数据处理软件介绍 .......................... 41
4.1.1 Quantum FaroArm 三维激光扫描臂 ............................. 41
4.1.2 点云数据处理软件 ............................. 43
第 5 章 双机器人打磨的试验研究 ................................ 57
5.1 双机器人打磨系统 ........................................... 57
5.1.1 系统硬件 .......................................... 57
5.1.2 系统软件 ................................ 60
第 5 章 双机器人打磨的试验研究
5.1 双机器人打磨系统
经过前面章节对点云数据的获取和打磨机器人末端执行器行进姿态的研究，得到了确定打磨机器人空间关节运动角的具体方法[60]。本章将以处理过后轮毂点云数据为对象开展轮毂打磨试验研究，包括双机器人轨迹规划系统的搭建，机器人可视化仿真研究，利用第三章 B 样条插值法对简化后的轮毂点云模型进行轨迹规划，生成关节空间函数导入轨迹规划系统，最后连接机器人执行轮毂打磨作业程序。
如图 5-1 所示，双机器人协作打磨系统由硬件和软件两部分组成。
图 5-1 系统组成
结论与展望
结论
本文以双机器人协作打磨轮毂为研究对象，在工程应用上的创新在于通过逆向工程获取轮毂的点云模型，建立轮毂点云坐标系，通过运动学模型将点云在笛卡尔空间中的坐标信息转换为关节空间信息，运用五次 B 样条插值法对其进行轨迹规划，将规划完成的轨迹函数放入双机协作打磨系统物理模型进行仿真，最后将自动生成的仿真程序导入机器人控制器，连接机器人本体由控制系统完成对轮毂打磨轨迹的试验，论文的主要工作和结论如下：
（1）利用改进 D-H 法建立了双机协作机器人的坐标系，建立双机协作打磨机器人运动学模型，包括正解、逆解模型，利用 robotic toolbox 工具箱对正逆解进行仿真验证，验证模型的正确性，为后续轨迹规划打下理论基础，采用蒙特卡罗法求解出了双臂协作空间，协作空间满足汽车轮毂打磨对工作空间的需求。
（2）对五次 B 样条插值法求解过程进行推导，对相同路径点分别使用五次 B样条插值法、三次多项式插值法、五次多项式插值法进行轨迹规划，比较分析后结果表明使用五次 B 样条插值法规划得出的轨迹加速度曲线更加平滑，降低了对运动中机器人关节的冲击，五次 B 样条插值法规划过程较其他两个方法规划过程更加简单、便捷。在 Adams 中导入规划的轨迹进行仿真验证，仿真结果与 Matlab 基本一致。
（3）运用三维逆向技术采用三维激光扫描臂对待打磨轮毂进行了点云数据信息的采集，同时在 polyWorksd 里完成对轮毂点云自身坐标系的建立，运用 MeshLab对点云数据完成了简化处理，并对处理后的轮毂点云按 Z、Y、X 坐标轴由小到大的优先级的进行排序，方便后续轨迹的规划。根据前面逆解算法在 Matlab 中建立求逆解模型，将点云坐标信息由笛卡尔坐标系位姿信息转换为打磨机器人各个关节空间运动角信息。
参考文献（略）