基于射线投射(Ray-Casting)的工业机器人制造作业轨迹生成方法

《Robotics》：Ray-Casting-Based Trajectory Generation for Industrial Robots in Manufacturing Operations

　　

本文提出一套基于射线投射(Ray-Casting)在工件CAD模型上进行操作的工业机器人轨迹生成(Trajectory Generation)策略，适用于多种制造作业(Manufacturing Operations)。该方法通过对生产零件的三角网格(Triangular-Mesh)表示进行射线投射，可在不提取曲线、边或平面等几何特征的情况下于整个表面生成点位。此方法支持开发具有不同特性的多样化点生成方法，可适应特定零件及制造工艺要求。所开发算法取得与现有机器人编程方法相当的结果，集成至专用离线编程(Offline Programming, OLP)环境后，可灵活生成打磨(Sanding)、铣削(Milling)、涂胶(Adhesive Deposition)及喷漆(Painting)等作业的轨迹。最终，轨迹自动以特定语法导出，确保点序列能快速集成至与关节型机器人控制器兼容的基础程序中。研究结果表明，所提方法能有效利用两台不同机器人生成打磨与铣削轨迹。

论文解读：基于射线投射(Ray-Casting)的工业机器人制造作业轨迹生成方法

该论文发表于《Robotics》期刊。当前工业机器人在制造作业（如打磨、铣削、喷漆）中面临传统在线示教编程耗时长、对熟练人员依赖强的问题，而现有离线编程(Offline Programming, OLP)中的轨迹生成方法多针对特定工艺（如切片法Slicing、NURBS曲线拟合、边界识别等），缺乏统一的逻辑框架，难以在同一环境中集成和组合使用。此外，传统的移动机器人路径规划算法（如A*、RRT）主要针对避障与最短路径优化，不适用于需保证表面全覆盖及特定工具姿态的制造作业。针对这一现状，研究人员开展了基于射线投射(Ray-Casting)统一原理的通用轨迹生成方法（称为R-Methods）及其OLP环境开发研究，旨在实现不依赖几何特征提取的直接三角网格交点计算来生成轨迹。实验验证表明，该方法在KUKA KR6 R900和Universal Robots UR10e机器人上成功完成了铣削型腔(Pocketing)与异形曲面打磨作业，尺寸偏差与表面质量均满足要求。该研究的意义在于提供了一套与机器人品牌无关、工艺通用的模块化轨迹生成架构，降低了复杂零件机器人编程门槛。

主要关键技术方法

研究人员基于Unity游戏引擎搭建OLP环境以加载STL格式三角网格模型并利用内置射线投射功能。核心算法采用M?ller–Trumbore算法计算射线与三角形交点获取命中(Hit)点位置及面法向量(Surface Normal)，据此定义三种点类型：表面点(Surface)、固定表面点(Fixed Surface)及偏移点(Distant)。开发了四种R-Methods——R-Click（手动点击投射线）、R-Slice（从切割平面放射状投射线生成径向轨迹）、R-Rain（正交网格投射线生成锯齿形Zigzag全覆盖轨迹，含曲面过滤）、R-Box（向内型腔发射射线检测壁面生成轮廓与行切填充轨迹）。通过法向量计算末端姿态欧拉角（绕Z轴旋转角设为零以消除歧义），自动生成适配URScript（单位米/弧度）及KRL(KUKA Robot Language)（单位厘米/度）的机器人程序脚本，并加入进退刀过渡点(Transition Points)。

研究结果

3.1. Trajectory Programming Workflow（轨迹编程工作流）

研究人员定义了OLP环境的三阶段工作流：导入与预处理（加载STL、对齐基坐标系）、轨迹生成（配置R-Methods参数、生成及分块管理点序列、可选运动学仿真）、脚本生成（嵌入模板输出URScript/KRL）。该流程验证了系统可从同一组生成点位分别导出不同品牌机器人可执行代码。

3.2. R-Methods（R-方法）

通过30次独立测试进行性能基准测试：R-Click单点延迟最低代表环境最小响应时间；R-Rain在100×100 mm2区域、10 mm间距下生成88点；R-Slice生成100点；R-Box在φ6 mm刀具50%重叠下生成426点。各方法时间复杂度分别为O(1)、O(N_x·N_y)、O(N_seg)、O(K+N2/T2)，证明算法在计算效率上适用于工程应用。R-Box方法通过逐层虚拟平面选择可实现多深度铣削。

3.3. Script Generation（脚本生成）

研究人员展示了OLP界面功能及虚实工作站对照。证明了法向量至姿态角的转换逻辑及单位适配的正确性，生成的脚本可直接嵌入机器人控制器基础程序中运行，验证了跨品牌兼容性。

3.4. Application（应用验证）

打磨实验：对具有不规则曲面的实木工件，曲面部分用R-Slice（基高25 mm，50点，180°范围），平面部分用R-Rain（行距25 mm），P180砂纸，2000 RPM，进给10 mm/s。表面粗糙度Ra平均值为4.84 μm，验证了打磨轨迹有效性。铣削实验：对实木工件型腔用R-Box方法分六次走刀（每刀1 mm深），φ4 mm四刃立铣刀，30000 RPM，进给10 mm/s，80%重叠。三维扫描对比CAD模型最大尺寸偏差为0.944 mm，验证了铣削轨迹精度。

讨论与结论总结

讨论指出既有制造轨迹生成文献方法（切片法、预定策略、侵蚀法、手动选边、包围体法）虽有效但缺乏统一集成基础，而本文基于单一射线投射原理开发的R-Methods兼具通用性与组合灵活性，覆盖大面覆盖(R-Rain)、旋转对称件(R-Slice)、局部指定区(R-Click/R-Box)及内腔加工(R-Box)，弥补了文献中方法碎片化的问题。OLP环境按Pan等人定义的OLP步骤实现了CAD可视化、轨迹规划、运动仿真及程序生成，力控等动态过程交由基础程序处理。

结论部分翻译如下：本研究基于统一的射线投射(Ray-Casting)原理开发了工业机器人轨迹生成方法，统一了算法逻辑结构并确保在通用OLP环境中的兼容性。所开发的OLP环境是实用且通用的软件资源，可在不要求大量手动编程的情况下针对复杂几何形状生成制造作业的工具轨迹并进行定制。系统架构支持生成兼容不同品牌型号机器人的脚本，证明了与制造商无关的编程环境之可行性。实验结果证明生成的脚本可便捷集成至UR10e和KUKA KR6 R900机器人的基础程序中用于打磨与铣削作业，确保了从轨迹生成到实际执行的顺畅过渡，证实了所提方法的实用价值与可扩展性，为未来集成力控、传感及环境自适应交互的全面OLP环境奠定了基础。