引用論文

Xu, F., Zi, B., Wang, J. et al. Multi-Objective Trajectory Optimization for Rigid-Flexible Coupling Spray-Painting Robot Integrated with Coating Process Constraints. Chin. J. Mech. Eng. 37, 152 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01130-5

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01

研究背景及目的

機器人自動化噴涂在汽車、五金、家具和航空航天等領域中應用廣泛，其噴涂質量受機器人速度、加速度、末端軌跡和噴涂工藝約束等多重因素影響。因此，為實現多因素耦合下大型工件表面的高質量噴涂，本文開展了融合噴涂工藝約束的機器人多目標噴涂軌跡優化方法研究。

Figure 1 Large-scale rigid painting robot

02

試驗方法

介紹了七自由度剛柔耦合串聯噴涂機器人系統，包括三自由度柔索驅動腕關節、運動解耦機構和張力放大機構。為了分析噴涂工藝對機器人噴涂質量的影響，建立了矩形噴槍靜態和動態涂料沉積模型。然后開展了基于七次B樣條插值方法的機器人噴涂軌跡規劃，在此基礎上，建立了包括時間、能耗和沖擊在內的噴涂軌跡優化目標函數，以及最小涂層厚度、位置、速度、加速度和加加速度等約束方程。最后基于改進NSGA-Ⅱ算法，提出了融合工藝約束的噴涂機器人多目標軌跡優化方法。搭建了剛柔耦合串聯噴涂機器人樣機平臺，開展了機器人多目標噴涂軌跡優化方法仿真和平面、曲面噴涂實驗，驗證了所提多目標軌跡優化方法的有效性。

Figure 2 Redundant rigid-flexible coupling spray-painting robot system

Figure 3 Passive decoupling mechanism based on translational compensation

03

結果

本文主要提出了一種融合噴涂工藝約束的噴涂機器人多目標軌跡優化方法，搭建了冗余剛柔耦合串聯噴涂機器人系統，開展了軌跡優化仿真和噴涂實驗，得到以下結果：1. 優化前后的仿真結果表明，噴涂軌跡執行效率提高了15.9%。2. 優化后機器人在起始和結束位置附近的加速度增加，從而降低了對應位置的漆膜厚度。此外，平均加速度降低了31.4%，表明優化后的軌跡在提高執行效率的同時降低了能耗。3.優化后機器人平均加加速度降低了44%，表明所提出的優化方法有效地減少了機器人在運動過程中所受到的沖擊。4. 優化后的噴涂實驗結果表明，平面和曲面工件上的漆膜厚度均在期望最小漆膜厚度（50μm）以上。結合仿真分析的結果，這表明優化后的噴涂軌跡實現了更平滑的運動，同時滿足了最小漆膜厚度約束。

Figure 4 Spraying experiment on semi cylindrical workpiece

Figure 5 The results of the spraying experiment on the curved workpiece after optimization: (a) Overall spraying effect, (b) Thickness of paint film near the starting point, (c) Thickness of paint film near the midpoint, (d) Thickness of paint film near the termination point

04

結論

仿真和噴涂實驗的結果驗證了所提噴涂軌跡優化方法的有效性，確保了在滿足多個優化目標的同時漆膜厚度不低于最小期望值。

05

前景與應用

本文所提出的機器人多目標噴涂軌跡優化方法在提高生產效率、保證涂層質量以及降低成本等方面具有顯著效果，此外該方法能夠拓展應用于涂膠、噴釉等應用。

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[1] 訾斌, 王正雨, 錢森, 等. 智能噴涂機器人關鍵技術及應用[M]. 科學出版社, 2024, ISBN: 978-7-03-077785-0.

[2] 劉亞軍, 訾斌, 王正雨, 等. 智能噴涂機器人關鍵技術研究現狀及進展[J]. 機械工程學報, 2022, 58(07): 53-74.

[3] D Gleeson, S Jakobsson, R Salman, et al. Generating optimized trajectories for robotic spray painting. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2022, 19(3): 1380-1391.

[4] J. Zhao, B. Zi*, W. Wang, M. Xie, and H. Ding, "Design and tension distribution optimization of a 9-DOF cable-driven parallel spray-painting robot with 3 degrees of redundancy," Mechanism and Machine Theory, 2024, 203: 105818.

關于作者

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作者團隊介紹

訾斌，教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。作為項目負責人，主持國家重點研發計劃“智能機器人”重點專項（2項）、國家自然科學基金重點項目、共融機器人重大研究計劃及面上項目等項目20余項，發表高水平學術論文100余篇，在Springer、科學出版社等出版學術專著4部，授權發明專利100余件，參編國家、行業、團體標準7部。作為第一完成人，獲教育部技術發明一等獎、安徽省科技進步一等獎、安徽省教學成果特等獎、安徽省教學成果一等獎等獎項。獲安徽省先進工作者（勞動模范），任安徽省政協委員。擔任中國機械工程學會機器人分會常務委員、中國機械工程學會機械設計分會副主任委員、中國電子學會電子機械工程分會副主任委員、中國人工智能學會智能機器人專業委員會常務委員、國家產業基礎專家委員會委員。擔任ASME Journal of Mechanical Design、IEEE Robotics and Automation Letters、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement副編輯，Chinese Journal of Mechanical Engineering、Mechanical Sciences、機器人、控制與決策、工程設計學報等國內外期刊編委。主要研究方向為剛柔耦合智能機器人理論、技術與裝備，智能制造系統控制與自動化，智能工業機器人高效作業技術及應用，高性能電子裝備機電耦合理論及應用等。

徐鋒，博士，講師，安徽工程大學人工智能學院，師從國家杰出青年科學基金獲得者訾斌教授，參與國家重點研發計劃“智能機器人”重點專項、國家自然科學基金重點項目、裝備預研教育部聯合基金項目等多項，發表SCI/EI論文10篇，授權發明專利10余項。主要從事剛柔耦合機器人技術、工業機器人運動規劃與控制等方面的教學與科研工作。

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團隊研究方向

近年來，訾斌教授“智能機器人”研究團隊承擔了國家重點研發計劃、國家杰出青年基金項目、區域創新發展聯合基金重點項目、重大研究計劃項目、軍委裝備預研項目、裝備預研教育部聯合基金等各類科研項目80余項，出版中英文專著5部，發表高水平學術論文200余篇，授權美國、加拿大、中國發明專利100余項。先后獲教育部技術發明一等獎、安徽省科技進步獎、中國電子學會技術發明獎、中國機械工業科技進步獎多項省部級科技獎勵。團隊與美國馬里蘭大學、紐約州立大學、德國慕尼黑工業大學、香港中文大學、澳門大學、中航工業集團、埃夫特、江淮汽車等多所高校和企業建立了良好合作關系。主要科研方向如下：（1）大空間剛柔耦合驅動機器人創新設計與控制。（2）智能康復醫療機器人基礎理論與關鍵技術。（3）先進智能制造機器人關鍵技術及應用。（4）高性能工業機器人關鍵技術與集成應用。（5）高性能電子裝備機電耦合理論及應用。

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近年團隊代表性文章

[1] W. Tang, K. Tang, B. Zi*, S. Qian and D. Zhang, “High precision 6-DoF grasp detection in cluttered scenes based on network optimization and pose propagation,” IEEE Robotics and Automation Letters, 2024, 9(5): 4407-4414.

[2] K. Tang, B. Zi*, F. Xu, W. Zhu and K. Feng, “Coating defect detection method based on data augmentation and network optimization design,” IEEE Sensors Journal, 2023, 23(13): 14522-14533.

[3] Y. Li, B. Zi*, Z. Sun, B. Zhou, and H. Ding, “Implementation of cable-driven waist rehabilitation robotic system using fractional-order controller,” Mechanism and Machine Theory, 2023, 190: 105460.

[4] F. Xu, B. Zi*, Z. Yu, J. Zhao, and H. Ding, “Design and implementation of a 7-DOF cable-driven serial spray-painting robot with motion-decoupling mechanisms,” Mechanism and Machine Theory, 2024, 192: 105549.

[5] B. Zhou, Y. Wang, B. Zi* and W. Zhu, “Fuzzy adaptive whale optimization control algorithm for trajectory tracking of a cable-driven parallel robot,” IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2023, doi: 10.1109TASE.2023.3309049.

作 者：徐 鋒

責任編輯：謝雅潔

責任校對： 向映姣

審 核：張 強

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