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    不规则平板预制体机器人辅助缝合路径规划

    时间：2023-03-23 13:25:02来源：百花范文网本文已影响人

    陈小明，魏玉莹，张一帆，李 皎，陈 利

    （1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387；
    2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387；
    3.天津工业大学机械工程学院，天津 300387）

    缝合织物增强复合材料具有优异的层间性能，在航空航天、国家防御和轨道交通等领域得到广泛的应用[1]。国内外研究人员对缝合技术开展了较为广泛的研究。文立伟等[2]、郭勇等[3]和Verma等[4]研究了缝合复合材料层合板的层间断裂韧性，结果表明：复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性通过缝合技术得到了显著的提高；
    Xuan等[5]提出了一种基于中空毛细管的缝合线无损伤的缝合方法。单面缝合装备技术近几年得到了快速的发展，姬灵超[6-7]研制了一种碳/碳复合材料三维预制体单边缝合装置；
    Gnaba等[8]和Bortoluzzi等[9]分别设计了不同构型的簇绒头，实现了高性能纤维织物的缝合成型；
    德国KSL公司研制了簇绒机器人[10-11]，用于复杂自由曲面预制体的缝合；
    封桥桥等[12]研究了复合材料预制体单边弯针缝合装备；
    董九志等[13]对预制体缝合针的稳定性进行了分析；
    田会方等[14]设计了复合材料单面双线缝合技术；
    张劲松等[15]研究了自动缝合关节机器人的本体结构；
    Choi等[16-18]发明了1-fiber新型缝合技术。此外，王静[19]、武永盛等[20-21]、何俊杰等[22]和李金钟等[23]基于机器视觉实现了预制体缝合接缝的提取和路径规划。然而，大尺寸不规则平板预制体的缝合点数量多，且缝合路径复杂，现有的缝合路径规划方法难以满足高效、可靠的轨迹规划要求。

    本文提出一种适用于大尺寸不规则平板预制体的机器人辅助缝合路径规划方法。首先研究离散点位置设计和坐标批量输出方法，进一步构建离散点自动排序和缝合点筛选CAD模块，以及机器人可执行程序自动生成CAM模块；
    最后，通过实验验证机器人辅助缝合路径规划方法的可行性。该方法可应用国家重点领域重大工程中大尺寸不规则构件预制体的缝合成型，将具有广阔的应用前景。

    1．1 路径规划系统组成

    机器人辅助缝合路径规划系统主要包括离散点位置设计和批量输出模块、基于Python的离散点自动排序和缝合点筛选CAD模块以及机器人可执行程序自动生成CAM模块，如图1所示。

    图1 机器人辅助缝合路径规划系统示意图Fig.1 Schematic diagram of robot-assisted stitching path planning system

    1．2 离散点位置设计和批量输出方法

    依据缝合密度或缝合点间距S，基于AutoCAD将轨迹线等间距离散，离散间距为d，其中10d≤S，并通过“数据提取”命令实现点位置的批量输出，如图2所示，输出格式选择Excel文件格式。

    图2 离散点位置设计和批量输出示意图Fig.2 Schematic diagram of stitching points design and batch output

    1.3 离散点自动排序和缝合点筛选模块构建

    AutoCAD输出的离散点处于无序的状态，需要进一步对离散点进行排序，以满足缝合先后顺序的要求。定义初始点P0，按照最短距离算法，搜索最近点P1，P1再继续搜索寻找最近点P2，以此类推将所有的离散点（P0-Pn）按顺序排列出来，两点间距离公式如式（1）：

    进一步，根据缝合间距S要求从这些离散点中按顺序选择输出目标缝合点An的坐标值，其原理图如图3所示。

    图3 离散点自动排序和缝合点筛选原理图Fig.3 Schematic of automatic sorting of discrete points and screening of stitched points

    通过Python语言构建离散点自动排序和缝合点筛选CAD模块，算法流程图如图4所示。

    图4 离散点自动排序和缝合点筛选CAD模块运行流程图Fig.4 Operation flow chart of CAD module for automatic sorting of discrete points and screening of stitched points

    具体流程如下：

    （1）定义初始点P0，读取输出点“OutputPoints.xlsx”，其中“OutputPoints.xlsx”为1.2节AutoCAD的输出文件；

    （2）根据公式（1）计算P0与其他点的距离，求得最近点P1；

    （3）重新以P1为初始点，在剩余的点中搜索得到最近点P2，以此循环搜索，遍历所有离散点，最后搜索得到最终离散点Pn，并生成已排序“lisanPointsPaixu.xlsx”文件；

    （4）最后，按照S=N×d，隔几个点筛选出一个缝合点，输出筛选缝合点“fenghePoints.xlsx”文件。开发的离散点自动排序和缝合点筛选的Python主要代码如下：

    1.4 机器人可执行程序自动生成CAM模块构建

    本文的缝合机器人为川崎RS030N机器人，根据其可执行程序的程序格式，包括运动指令和位姿数据，基于Python语言构建机器人可执行程序自动生成CAM模块，其运行流程图如图5所示。

    图5 CAM模块运行流程图Fig.5 Operation flow chart of CAMmodule

    具体流程为：

    （1）运行“CAM模块.py”；

    （2）程序自动打开“fenghe.txt”，写入机器人的直线运动指令“LMOVE”，包括所有缝合点；

    （3）打开“fengheweizi.txt”，Python操作EXCEL，读取筛选缝合点“fenghePoints.xlsx”数据和机器人工作姿态OAT信息，写入所有缝合点的位姿信息Pn（X，Y，Z，O，A，T），其中机器人工作姿态信息可以通过示教器直接读取获得。

    开发的机器人可执行程序自动生成CAM模块的Python主要代码如下：

    本部分通过机翼翼面缝合实验进行机器人辅助缝合路径规划方法的可行性验证，如图6所示。

    翼面具有大尺寸不规则特征，如图6（a）所示，缝合点间距设计为5 mm×5 mm，共计5 083个缝合位置点。S=5 mm，d=0.5 mm，基于本文1.2节的离散点输出方法输出所有离散点位置坐标，运行图4所示的离散点自动排序和缝合点筛选CAD模块.py，生成筛选缝合点“fenghePoints.xlsx”，如图6（b）所示；
    进一步运行“CAM模块.py”，生成机器人运动指令和位姿文件，如图6（c）和6（d）所示，将机器人运动指令和位姿文件合并为一个文档，并存储成.pg格式，即是机器人可执行程序；
    最后，开展翼面缝合实体机验证，基于Xuan等[2]提出的缝合线无损伤缝合工艺，如图7所示。

    图6 CAD/CAM模块验证Fig.6 Verification of CAD/CAMmodule

    图7（a）中，首先植入中空毛细管，然后再穿过缝合线，有效减少缝合线与织物的摩擦，进而减小缝合线的损伤；
    机器人辅助中空毛细管的植入，如图7（b）所示，机器人运行上述方法生成的可执行程序，辅助完成翼面缝合，如图7（c）所示。实验研究结果表明：本文构建的CAD/CAM模块成功实现缝合点的自动排序和机器人可执行程序的自动生成，并实现机翼翼面的缝合。本文提出的大尺寸不规则平板预制体的机器人辅助缝合路径规划方法是可行的，路径规划方法是高效、可靠的。本文的路径规划方法具有通用性，适用于复杂形状的轨迹线，可拓展至大尺寸不规则平板预制体的三维针刺、I纤维缝合和簇绒成型的路径规划。

    图7 翼面缝合实体机验证Fig.7 Experimental verification of wing surface stitching

    （1）本文提出一种大尺寸不规则平板预制体的机器人辅助缝合路径规划方法，构建了轨迹规划CAD/CAM模块，并通过实验验证了方法的可行性。研究结果表明：本文构建的CAD/CAM模块成功实现离散点设计和坐标批量输出、离散点坐标自动排序和缝合点筛选，以及机器人可执行程序的生成，并实现机翼翼面的缝合。本文提出的大尺寸不规则平板预制体的机器人辅助缝合路径规划方法是可行的。

    （2）本文提出的路径规划方法具有通用性，直线、曲线或者直线曲线混合的缝合轨迹均能适用，可拓展至大尺寸不规则平板预制体的机器人三维针刺、机器人1-fiber缝合和机器人簇绒成型的路径规划。

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