面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备及喷涂方法与流程

1.本发明涉及船舶分段的超大空间曲面的喷涂作业技术领域，尤其涉及一种面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备及喷涂方法。


背景技术：

2.作为直接决定船舶外观、影响人们的直接观感和评价的工序，船舶涂装与船舶制造占据着同等重要的地位，其工作量约占船舶制造工作量的20％。大型船舶的表面积巨大，形貌复杂，且涂层质量要求高，因此涂装工作量大，施工难度高。依赖于脚手架或高空作业车的传统人工涂装方式，劳动强度大，施工成本高，安全隐患大，喷漆效率低，质量稳定性差，工艺过程难以精细控制，且一些涂料存在毒性或腐蚀性，可能会对工人身体造成严重危害。
3.目前也出现了一些船舶喷涂机器人，但是存在如下的问题：
4.有的喷涂机器人为多连杆机构的喷涂机器人，带动其移动的移动平台需要安装于滑轨上，运动范围受限。
5.有的喷涂机器人为在水平移动杆上安装机械臂的喷涂机器人，水平移动杆通过升降杆安装在运动平台上，这种设计方案对水平移动杆和升降杆的刚度要求非常大，且当升降杆升到高处或机器人运动到水平移动杆末端时，设备可能发生倾覆。
6.有的喷涂机器人设计主要用于顶壁打磨、刷漆等工艺过程，喷涂机器人末端自由度较少，难以用于船舶分段喷涂作业。
7.有的喷涂机器人作业高度受限，不适用于船舶分段等超大空间的喷涂作业。
8.有的喷涂机器人为移动机械臂式喷涂机器人，其机械臂安装于丝杆滑台上，滑台对应丝杆安装于另一丝杆滑台及与其平行的导轨上，丝杆需要负载机械臂的重量并实现其水平方向的运动自由度，负载较大，对丝杆及电机的性能要求较高，其剪叉式升降平台剪叉臂布置方向相同，当抬升高度较高时，垂直于剪叉臂方向的刚度难以得到保证。另外，该移动喷涂机器人仅考虑喷涂较高区域的情况，其涂料桶等设备的安装位置导致其高度不能降到很低，无法进入船舶分段底部等狭小位置开展喷涂作业。
9.最后，现有的船舶分段涂装机器人，其轨迹规划均基于船舶分段设计模型，而船舶制造过程中，将不可避免地产生一定误差和变形，基于船舶分段设计模型的轨迹在喷涂实际船体时，其喷涂质量难免受到影响，甚至当误差较大或待喷涂表面上安装了设计模型中未考虑到的附加组件时，喷涂机器人可能会与船体发生干涉造成危险。


技术实现要素：

10.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，在各种待喷涂表面上开展喷涂作业均能兼顾质量和效率，并保障喷涂作业安全。
11.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，包括面
型扫描系统、控制系统和喷涂系统；其中，所述面型扫描系统用于扫描所述船舶分段的待喷涂表面，以获得所述待喷涂表面的点云数据，所述待喷涂表面为所述船舶分段的非结构面的侧面和底面；所述控制系统用于根据所述点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，并根据所述待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、所述喷涂系统的喷枪喷幅特性以及所述超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出喷涂作业路径及轨迹，并对所述喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，以获得优化的喷涂作业路径及轨迹；所述喷涂系统用于根据所述优化的喷涂作业路径及轨迹对所述待喷涂表面进行喷涂。
12.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，具有如下的优点：第一、由于控制系统可以根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响；第二、通过对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，可以验证喷涂作业效果，可以实现喷涂系统的喷涂作业过程精细化控制，兼顾喷涂作业质量和效率；第三，可以避免在喷涂作业过程中喷涂系统与船舶分段发生意外碰撞等风险。
13.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述喷涂系统包括随动横移小车、背负式agv、升降组件和喷涂机器人；所述随动横移小车和所述背负式agv上搭载恒张力系统，实现压缩空气和电源的可靠连接；所述背负式agv在水平方向上具有两个移动自由度；所述升降组件设置在所述背负式agv上，所述升降组件在上下方向上具有一个移动自由度；所述喷涂机器人设置在所述升降组件的顶部，所述喷涂机器人具有六个自由度。
14.根据本发明一方面进一步实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述升降组件包括升降平台和用于驱动所述升降平台的一组或多组向心安装的剪叉臂，所述剪叉臂的下端安装在所述背负式agv上且上端与所述升降平台相连，用于驱动所述升降平台上下运动，所述升降平台上还安装有供料设备。
15.根据本发明一方面再进一步实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，当所述升降平台位于最低位置且所述喷涂机器人的喷涂机械臂处于收缩的位姿时，所述喷涂系统的总高低于1.7米。
16.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述恒张力系统包括安装在所述随动横移小车上的两套恒张力卷筒机构，其中一套所述恒张力卷筒机构连接所述背负式agv，以将压缩空气和电源提供给所述喷涂系统，另一套所述恒张力卷筒机构用于连接厂房内固定的压缩式空气源和电源；所述随动横移小车在喷涂作业中与所述背负式agv协同运动，利用两套所述恒张力卷筒机构实现电路和气路收放。
17.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述随动横移小车和所述背负式agv均装有磁尺传感器、rfid识别装置以及惯导传感器，通过对喷涂作业现场地面预设的磁钉或磁条以及预装的rfid标签进行功能和位置识别，并利用所述惯导传感器进行辅助导航，从而实现其在喷涂作业过程中在工作区域中的精确定位与导航，并执行正确的工作指令。
18.根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述面型扫描系统为多套激光雷达，多套所述激光雷达设置在涂装作业现场固定位置或安装在所
述背负式agv上。
19.根据本发明一方面任意一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，所述待喷涂作业面重构模型通过如下处理步骤得到：
20.点云降噪：对所述点云数据进行降噪以得到降噪后的点云数据；
21.点云分割：根据点云特征进行分割；
22.点云匹配：根据所述船舶分段设计模型中的特征点以及点云中对应的特征点进行匹配，以确定所述船舶分段的空间位置；
23.三维曲面重建；分析所述降噪后的点云数据与所述船舶分段设计模型的偏差；若所述降噪后的点云数据偏差大于预设阈值时认为该点制造误差较大，在曲面重构中以扫描结果为准，对点云进行拟合，基于点云重建相应的三维曲面；若所述降噪后的点云数据偏差小于阈值时认为该点制造误差较小，直接以所述船舶分段设计模型对应的区域为准；最终，基于偏差较大区域重构的三维曲面及偏差较小区域的所述船舶分段设计模型对应的区域建立所述待喷涂作业面重构模型。
24.根据本发明一方面一些实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备，对所述喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理的方式为：利用预先建立的喷涂装备模型、喷涂工艺模型以及所述待喷涂作业面重构模型进行喷涂作业仿真，验证并优化所述喷涂作业路径及轨迹。
25.本发明另一方面还提出了一种面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法。
26.根据本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法，其中，该喷涂方法是利用本发明一方面任意一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备进行的，所述喷涂方法包括如下步骤：
27.s1：利用面型扫描系统扫描所述船舶分段的待喷涂表面，以获得所述待喷涂表面的点云数据，所述待喷涂表面为所述船舶分段的非结构面的侧面和底面；
28.s2：所述控制系统根据所述点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型；根据所述待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、所述喷涂系统的喷枪喷幅特性以及所述超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出喷涂作业路径及轨迹；对所述喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，获得优化的喷涂作业路径及轨迹；
29.s3：所述喷涂系统根据所述优化的喷涂作业路径及轨迹对所述待喷涂表面进行喷涂。
30.根据本发明的另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法，具有如下的优点：第一、控制系统可以根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响；第二、通过对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，可以验证喷涂作业效果，可以实现喷涂系统的喷涂作业过程精细化控制，兼顾喷涂作业质量和效率；第三，可以避免在喷涂作业过程中喷涂系统与船舶分段发生意外碰撞等风险。
31.根据本发明的另一方面的实施例，所述待喷涂作业面重构模型通过如下处理步骤得到：
32.点云降噪：对所述点云数据进行降噪以得到降噪后的点云数据；
33.点云分割：根据点云特征进行分割；
34.点云匹配：根据所述船舶分段设计模型中的特征点以及点云中对应的特征点进行匹配，以确定所述船舶分段的空间位置；
35.三维曲面重建；分析所述降噪后的点云数据与所述船舶分段设计模型的偏差；若所述点云数据偏差大于预设阈值时认为该点制造误差较大，在曲面重构中以扫描结果为准，对点云进行拟合，基于点云重建相应的三维曲面；若所述降噪后的点云数据偏差小于阈值时认为该点制造误差较小，直接以所述船舶分段设计模型对应的区域为准；最终，基于偏差较大区域重构的三维曲面及偏差较小区域的所述船舶分段设计模型对应的区域建立所述待喷涂作业面重构模型。
36.根据本发明另一方面进一步的实施例，该喷涂方法利用本发明一方面一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备进行；
37.当所述待喷涂表面为所述船舶分段的非结构面的侧面时，根据所述待喷涂表面曲率变化特点及喷涂作业环境特点，所述待喷涂表面的喷涂轨迹规划方法及相关工艺分为针对所述待喷涂表面内部曲率变化较大的情况下的以所述喷涂机器人运动为主的机器人移动喷涂方案和针对所述待喷涂表面内部曲率变化小的情况下的以所述背负式agv运动为主的背负式agv移动喷涂方案。
38.根据本发明另一方面再进一步的实施例，以所述喷涂机器人运动为主的机器人移动喷涂方案中，包括：
39.根据所述船舶分段的所述待喷涂表面的曲率特性及喷涂系统的工作空间特性，对所述待喷涂表面进行分片，划分出的各个片区内部曲率基本一致；
40.针对每个所述片区规划对应的喷涂机器人站位，每个所述片区对应的所述喷涂机器人站位满足所述背负式agv和所述升降平台在对应的所述喷涂机器人站位保持固定的前提下所述喷涂机器人的末端能够实现对应的整个所述片区的喷涂作业，且所述喷涂机器人站位位置应满足使所述喷涂机器人在喷涂对应的所述片区的过程中能够始终处于刚度及性能特性达到要求的位姿；
41.待片区划分和站位规划完成后，根据喷涂作业工艺要求，对每个片区喷涂顺序进行规划；
42.待所述片区喷涂顺序规划完成后基于喷涂作业工艺要求以及所述片区喷涂顺序，对每个所述片区内部喷涂机器人末端喷涂路径及轨迹进行规划；
43.所述背负式agv和所述升降平台首先将所述喷涂机器人运输至所述片区喷涂顺序中的第一个所述片区对应的所述喷涂机器人站位并固定，所述喷涂机器人开始喷涂作业，按所规划的所述喷涂机器人末端路径及轨迹逐步完成第一个所述片区的喷涂，第一个所述片区喷涂完毕后，所述喷涂机器人暂停喷涂作业，运动至重心较低且不易与外界发生干涉的收缩位姿，所述背负式agv和所述升降平台将所述喷涂机器人运输至下一个所述片区对应的所述喷涂机器人站位并固定，所述喷涂机器人开始喷涂作业；如此往复，直至所有所述片区喷涂作业完成。
44.根据本发明另一方面再进一步的实施例，以所述背负式agv运动为主的背负式agv移动喷涂方案中，包括：
45.根据所述船舶分段的所述待喷涂表面的曲率特性及喷涂作业工艺要求，对所述待喷涂表面上的喷涂路径和轨迹进行规划，该轨迹自所述待喷涂面的顶部一端开始向另一端
延伸，到该行末端后向下延伸一定距离，然后自此端开始向另一端延伸，如此往复，直到喷涂轨迹完全扫描整个所述待喷涂表面；
46.所述背负式agv和所述升降平台首先将所述喷涂机器人运输至轨迹起点位置，所述背负式agv背负着所述喷涂机器人开始向另一端运动，开展喷涂作业，所述喷涂机器人在此过程中保持在刚度达到要求的位姿，仅作小幅调整运动以对所述背负式agv和所述升降平台的位置误差进行补偿；一行喷涂完成后，所述升降平台下降一段距离，所述背负式agv开始反向运动，进行下一行的喷涂作业，如此往复，直到整个待喷涂表面喷涂作业完成。
47.根据本发明另一方面进一步的实施例，该喷涂方法利用根据本发明一方面一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备进行；
48.当所述待喷涂表面为所述船舶分段的非结构面的底面时，底面喷涂方案包括：
49.根据所述船舶分段的底面结构特点、龙门架设置情况、喷涂作业工艺要求、喷枪喷幅特性以及所述超大空间喷涂作业装备性能特点，对所述背负式agv运动轨迹进行规划；
50.所述背负式agv运动轨迹规划完成后，根据所述背负式agv路径规划方案、喷涂作业工艺要求、喷枪喷幅特性以及所述超大空间喷涂作业装备性能特点，对所述喷涂机器人的喷涂轨迹进行规划；
51.船舶分段底面喷涂中，所述背负式agv的运动轨迹类似“几”字形：从所述船舶分段一侧开始沿龙门架方向运动至另一侧，然后横移一段距离，沿龙门架方向开始反向运动直到返回原侧，然后再横移一段距离，开始沿龙门架方向运动至另一侧，如此往复直至喷涂完成；
52.所述喷涂机器人与所述背负式agv协同运动，所述背负式agv沿“几”字形轨迹运动时，所述喷涂机器人执行左右扫喷，以配合完成所述船舶分段底面的喷涂作业。
53.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
54.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
55.图1为本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备在对船舶分段侧面进行喷涂作业的示意图。
56.图2为本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备中背负式 agv、升降组件和喷涂机器人的结构示意图。
57.图3为本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备中随动横移小车的立体示意图
58.图4为本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备在对船舶分段底面进行喷涂作业的示意图。
59.图5为本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法的以喷涂机器人运动为主的机器人移动喷涂方案示意图。
60.图6为本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法的以背负式agv运动为主的agv移动喷涂方案的示意图。
61.图7为本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法的底面喷涂方案示意图。
62.附图标记：
63.面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000
64.面型扫描系统1
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激光雷达101
65.控制系统2
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磁钉或磁条201
66.喷涂系统3
67.随动横移小车301
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背负式agv302
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升降组件303
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喷涂机器人304
68.剪叉臂3031
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升降平台3032
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供料设备3033
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恒张力卷筒机构3011
69.船舶分段4
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龙门架5
具体实施方式
70.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
71.下面结合图1至图7描述根据本发明实施例的一种面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000及喷涂方法。
72.如图1所示，根据本发明一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000，包括面型扫描系统1、控制系统2和喷涂系统3；其中，面型扫描系统1用于扫描船舶分段4的待喷涂表面，以获得待喷涂表面的点云数据，待喷涂表面为船舶分段 4的非结构面的侧面和底面；控制系统2用于根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，并根据待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、喷涂系统3的喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出喷涂作业路径及轨迹，并对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，以获得优化的喷涂作业路径及轨迹；喷涂系统3用于根据优化的喷涂作业路径及轨迹对待喷涂表面进行喷涂。
73.具体而言，面型扫描系统1用于扫描船舶分段4的待喷涂表面，以获得待喷涂表面的点云数据，待喷涂表面为船舶分段4的非结构面的侧面和底面。可以理解的是，船舶分段4的非结构面一般包括船舶分段4的侧面和底面，在喷涂作业中，可分别单独对船舶分段4的侧面和底面进行喷涂，例如，可以以船舶分段4两侧中的一个侧面作为一个待喷涂表面，可以以船舶分段4两侧中的另一个侧面作为另一个待喷涂表面，还可以以船舶分段4的底面作为再一个待喷涂表面，也就是说，船舶分段4的侧面、底面可以单独分别作为待喷涂表面。通过面型扫描系统1扫描待喷涂表面，可以获得准确的点云数据，以便控制系统2能够根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响，有利于提高喷涂质量。
74.控制系统2用于根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，并根据待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、喷涂系统3的喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出喷涂作业路径及轨迹，并对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，以获得优化的喷涂作业路径及轨迹。可以理解的是：一方面，由于控制系统2可以根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂
agv302上且上端与升降平台3032相连，用于驱动升降平台3032上下运动，升降平台 3032上还安装有供料设备3033。如图2所示，可以理解的是，升降平台3032上的剪叉臂3031向心安装，当抬升高度较高时，由于剪叉臂3031之间的相互约束作用，使各个垂直于剪叉臂3031方向的刚度都得到较好的保证，使整个升降组件303具有良好的刚度，可以很好地支撑喷涂机器人304及供料设备3033上下运动，实现喷涂作业上下方向的一个移动自由度；其中，供料设备3033用于提供喷涂作业所需的压缩空气和涂料，辅助实现涂料的喷射。
80.根据本发明一方面再进一步的实施例，当升降平台3032位于最低位置且喷涂机器人304的喷涂机械臂处于收缩的位姿时，喷涂系统3的总高低于1.7米。可以理解的是，如图4所示，喷涂系统3的总高低于1.7米，可以方便喷涂系统3能够进入船舶分段4 的底部至地面之间的狭小区域，完成船舶分段4底面的喷涂。
81.根据本发明一方面进一步的实施例，恒张力系统包括安装在随动横移小车301上的两套恒张力卷筒机构3011，其中一套恒张力卷筒机构3011连接背负式agv302，以将压缩空气和电源提供给喷涂系统3，另一套恒张力卷筒机构3011用于连接厂房内固定的压缩式空气源和电源；随动横移小车301在喷涂作业中与背负式agv302协同运动，利用两套恒张力卷筒机构3011实现电路和气路收放，保证电路及气路在喷涂作业中不会与支墩等结构发生干涉，避免碾压，保证可靠连接。
82.具体地，如图1所示，喷涂系统3所需的电能和压缩空气、随动横移小车301所需的电能均由外部电源及气源提供。外部电源及气源引出电路，经由随动横移小车301上的恒张力卷筒机构3011向背负式agv302供电，背负式agv302上引出电路向升降组件303和喷涂机器人304供电。外部电源及气源引出气路，经由随动横移小车301上的恒张力卷筒机构3011向升降组件303上的供料设备3033提供喷涂作业所需的压缩空气。在喷涂作业中，随动横移小车301与背负式agv302协同运动，并利用恒张力卷筒机构 3011实现电路和气路的收放，进而保证电路及气路在喷涂作业中不会被碾伤。
83.随动横移小车301可以为随动agv，随动agv 3012具有在水平方向上的两个运动自由度，从而实现对背负式agv 301的跟随。恒张力卷筒机构3011负责电源及气源与随动agv之间、随动agv与背负式agv302之间气路和电路的收放，从而保证电源及气源向背负式agv302供电和向供料设备3033供气时，电路和气路能够保持合适长度，既能满足供料要求，又不会被其它设备碾伤。
84.根据本发明一方面的一些实施例，喷涂系统3所用各个元件均进行了防爆改造，以满足喷涂作业安全需求，提高喷涂作业的安全性。
85.根据本发明一方面进一步的实施例，随动横移小车301和背负式agv302均装有磁尺传感器、rfid识别装置以及惯导传感器，通过对喷涂作业现场地面预设的磁钉或磁条 201以及预装的rfid标签进行功能和位置识别，并利用惯导传感器进行辅助导航，从而实现其在喷涂作业过程中在工作区域中的精确定位与导航，并执行正确的工作指令。
86.具体地，喷涂作业现场地面预设的磁钉或磁条201呈二维网格分布，rfid标签贴装在磁钉或磁条201的网格交叉点或网眼中心处，随动横移小车301和背负式agv302通过rfid识别装置识别地面上的rfid标签获取自身当前所在位置在喷涂作业现场地面的大致区域；随动横移小车301和背负式agv302通过磁尺传感器感知磁钉或磁条201磁场信号，识别随动横移小车301和背负式agv302与二维网格状分布的磁钉或磁条201 的交叠状态以及相对位
置，进而获取随动横移小车301和背负式agv302在喷涂作业现场地面的精确位置；惯导传感器用于对随动横移小车301和背负式agv302的加减速状态进行监测，能够高精度反馈随动横移小车301和背负式agv302的位移、速度和加速度信息；最终控制系统2利用惯导传感器获得的信息与rfid识别装置和磁尺传感器的监测结果相互印证，实现对随动横移小车301和背负式agv302的精确定位和导航，使随动横移小车301和背负式agv302执行正确的工作指令以及对颠簸、打滑等状况进行及时识别和补偿。需要说明的是，这里的磁钉或磁条201的分布包括但不限于呈二维网格形式的分布。
87.根据本发明一方面进一步的实施例，面型扫描系统1为多套激光雷达101，多套激光雷达101设置在涂装作业现场固定位置或安装在背负式agv302上。需要说明的是，面型扫描系统1所用激光雷达101可以是面扫描式激光雷达101或利用电机驱动装置绕垂直于其轴线方向转动进而实现旋转扫描的线扫描式激光雷达101；激光雷达101可以预先安装于喷涂作业现场车间对应位置或是安装于背负式agv302上，实际中可根据具体任务需要，将激光雷达101灵活安装于适合开展面型扫描作业的位置，以获得较好的扫描效果。
88.根据本发明一方面的一些实施例，待喷涂作业面重构模型通过如下处理步骤得到：
89.点云降噪：对点云数据进行降噪以得到降噪后的点云数据；通过点云降噪，可以去除点云数据中的干扰数据。
90.点云分割：根据点云特征进行分割，以便点云匹配处理；
91.点云匹配：根据船舶分段设计模型中的特征点以及点云中对应的特征点进行匹配，以确定船舶分段4的空间位置；
92.三维曲面重建；分析降噪后的点云数据与船舶分段设计模型的偏差；若降噪后的点云数据偏差大于预设阈值时认为该点制造误差较大，在曲面重构中以扫描结果为准，对点云进行拟合，基于点云重建相应的三维曲面；若降噪后的点云数据偏差小于阈值时认为该点制造误差较小，直接以船舶分段设计模型对应的区域为准；最终，基于偏差较大区域重构的三维曲面及偏差较小区域的船舶分段设计模型对应的区域建立待喷涂作业面重构模型。这样，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响，有利于提高喷涂质量。
93.根据本发明一方面进一步的实施例，对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理的方式为：利用预先建立的喷涂装备模型、喷涂工艺模型以及待喷涂作业面重构模型进行喷涂作业仿真，验证并优化喷涂作业路径及轨迹。
94.可以理解的是，喷涂作业路径是指整个喷涂作业中喷涂系统3的喷枪末端需要扫过的所有位置及相应位置下姿态的序列总和；喷涂作业轨迹是指整个喷涂作业中各时刻下喷涂系统3各组件的位置、速度及加速度状态序列总和；喷涂工艺模型包含喷涂作业中供气压强、喷枪高度、喷枪型号、涂料理化性质等工艺参数，以及这些工艺参数对应的喷枪喷幅、涂料沉积速率模型等涂装效果；根据涂装工艺模型，结合涂装装备模型及作业面模型、喷涂路径及轨迹，可对整个涂装过程中漆料的喷射和沉积状态、涂层的厚度及质量进行仿真预测，从而验证喷涂作业效果，有利于实现喷涂系统3的喷涂作业过程精细化控制，喷涂精度和效率更高；还可以避免在喷涂作业过程中喷涂系统3与船舶分段4发生意外碰撞等风险。
95.本发明另一方面还提出了一种面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法。
96.根据本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法，其中，该喷涂方法是利用本发明一方面任意一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000进行的(如图1至图4)，该喷涂方法包括如下步骤：
97.s1：利用面型扫描系统1扫描船舶分段4的待喷涂表面，以获得待喷涂表面的点云数据，待喷涂表面为船舶分段4的非结构面的侧面和底面。可以理解的是，船舶分段4 的非结构面一般包括船舶分段4的侧面和底面，在喷涂作业中，可分别单独对船舶分段4的侧面和底面进行喷涂，例如，可以以船舶分段4两侧中的一个侧面作为一个待喷涂表面，可以以船舶分段4两侧中的另一个侧面作为另一个待喷涂表面，还可以以船舶分段4的底面作为再一个待喷涂表面，也就是说，船舶分段4的侧面、底面可以单端分别作为待喷涂表面。通过面型扫描系统1扫描待喷涂表面，可以获得准确的点云数据，以便控制系统2能够根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响，有利于提高喷涂质量。
98.s2：控制系统2根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型；根据待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、喷涂系统3的喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出喷涂作业路径及轨迹；对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，获得优化的喷涂作业路径及轨迹。可以理解的是：一方面，由于控制系统2可以根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响。另一方面，控制系统2根据待喷涂作业面重构模型、喷涂作业工艺要求、喷涂系统3的喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备的性能特点规划出的喷涂作业路径及轨迹，并对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，可以兼顾喷涂质量和效率，以及喷涂作业的安全性；具体地，喷涂作业路径是指整个喷涂作业中喷涂系统3的喷枪末端需要扫过的所有位置及相应位置下姿态的序列总和；喷涂作业轨迹是指整个喷涂作业中各时刻下喷涂系统3各组件的位置、速度及加速度状态序列总和；喷涂作业工艺要求包含喷涂作业中供气压强、喷枪高度、喷枪型号、涂料理化性质等工艺参数，以及这些工艺参数对应的喷枪喷幅、涂料沉积速率模型等涂装效果；根据涂装工艺模型，结合涂装装备及作业面模型、喷涂路径及轨迹，可对整个涂装过程中漆料的喷射和沉积状态、涂层的厚度及质量进行仿真预测，从而验证喷涂作业效果，有利于实现喷涂系统3的喷涂作业过程精细化控制，喷涂精度和效率更高；还可以避免在喷涂作业过程中喷涂系统 3与船舶分段4发生意外碰撞等风险。
99.s3：喷涂系统3根据优化的喷涂作业路径及轨迹对待喷涂表面进行喷涂。可以理解的是，喷涂系统3的主要作用是根据优化的喷涂作业路径及轨迹完成喷涂作业，喷涂质量好和效率高。
100.根据本发明另一方面实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂方法，具有如下的优点：第一、由于控制系统2可以根据点云数据和船舶分段设计模型得到涂装作业中所用的待喷涂作业面重构模型，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响；第二、通过对喷涂作业路径及轨迹进行仿真优化处理，可以验证喷涂作业效果，可以实现喷涂系统3的喷涂作业过程的精细化控制，兼顾喷涂作业质量和效率；第三，可以避免在喷涂作业过程中喷涂系统3与船舶分段4发生意外碰撞等风险。
101.根据本发明的另一方面的一个实施例，待喷涂作业面重构模型通过如下处理步骤
得到：
102.点云降噪：对点云数据进行降噪以得到降噪后的点云数据；通过点云降噪，可以去除点云数据中的干扰数据。
103.点云分割：根据点云特征进行分割，以便点云匹配处理；
104.点云匹配：根据船舶分段设计模型中的特征点以及点云中对应的特征点进行匹配，以确定船舶分段4的空间位置；
105.三维曲面重建；分析降噪后的点云数据与船舶分段设计模型的偏差；若点云数据偏差大于预设阈值时认为该点制造误差较大，在曲面重构中以扫描结果为准，对点云进行拟合，基于点云重建相应的三维曲面；若降噪后的点云数据偏差小于阈值时认为该点制造误差较小，直接以船舶分段设计模型对应的区域为准；最终，基于偏差较大区域重构的三维曲面及偏差较小区域的船舶分段设计模型对应的区域建立待喷涂作业面重构模型。这样，有效降低了船舶分段实体与船舶分段设计模型间的偏差对喷涂质量造成的影响，有利于提高喷涂质量。
106.根据本发明另一方面进一步的实施例，该喷涂方法利用本发明一方面一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000进行。如图5至图6，当待喷涂表面为船舶分段4的非结构面的侧面时，根据待喷涂表面曲率变化特点及喷涂作业环境特点，待喷涂表面的喷涂轨迹规划方法及相关工艺分为针对待喷涂表面内部曲率变化较大的情况下的以喷涂机器人304运动为主的机器人移动喷涂方案和针对待喷涂表面内部曲率变化小的情况下的以背负式agv302运动为主的agv移动喷涂方案。这样，可以有效地提高喷涂质量和喷涂效率。
107.根据本发明另一方面再进一步的实施例，以喷涂机器人304运动为主的机器人移动喷涂方案中，包括：
108.片区划分：根据船舶分段4的待喷涂表面的曲率特性及喷涂系统3的工作空间特性，对待喷涂表面进行分片，划分出的各个片区内部曲率基本一致。可以理解的是，此处片区为曲率变化较大的片区，划分出内部曲率基本一致的片区，有利于喷涂系统3进行程序化作业，降低控制系统2的程序控制难度。
109.站位规划：针对每个片区规划对应的喷涂机器人304站位，每个片区对应的喷涂机器人304站位满足背负式agv302和升降平台3032在对应的喷涂机器人304站位保持固定的前提下喷涂机器人304的末端能够实现对应的整个片区的喷涂作业，且喷涂机器人 304站位位置应满足使喷涂机器人304在喷涂对应的片区的过程中能够始终处于刚度及性能特性达到要求的位姿。可以理解的是，喷涂机器人304的站位即喷涂机器人304在喷涂作业车间的空间位置，每一个片区对应一个喷涂机器人304站位，喷涂机器人304 站位在固定之后，喷涂机器人304的喷涂末端可以到达对应片区的任何位置进行喷涂作业，且在喷涂作业过程中，喷涂机器人304的位姿的刚度和使用性能特性均满足要求，从而实现高效地喷涂。
110.片区喷涂顺序规划：待片区划分和站位规划完成后，根据喷涂作业工艺要求，对每个片区喷涂顺序进行规划。可以理解的是，通过对每个片区喷涂顺序进行规划，有利于提高喷涂作业的效率。
111.喷涂机器人304末端路径及轨迹规划：待片区喷涂顺序规划完成后基于喷涂作业工艺要求以及片区喷涂顺序，对每个片区内部喷涂机器人304末端喷涂路径及轨迹进行规
划。可以理解的是，对每个片区内部喷涂机器人304末端喷涂路径及轨迹进行规划，有利于实现高效高质量喷涂作业。
112.喷涂作业：背负式agv302和升降平台3032首先将喷涂机器人304运输至片区喷涂顺序中的第一个片区对应的喷涂机器人304站位并固定，喷涂机器人304开始喷涂作业，按所规划的喷涂机器人304末端路径及轨迹逐步完成第一个片区的喷涂，第一个片区喷涂完毕后，喷涂机器人304暂停喷涂作业，运动至重心较低且不易与外界发生干涉的收缩位姿，背负式agv302和升降平台3032将喷涂机器人304运输至下一个片区对应的喷涂机器人304站位并固定，喷涂机器人304开始喷涂作业；如此往复，直至所有片区喷涂作业完成。
113.可以理解的是，如图5所示，以喷涂机器人304运动为主的机器人移动喷涂方案中，首先根据待喷涂表面的曲率变化特性，考虑喷涂机器人304的工作空间特性，将待喷涂表面划分为一系列片区，并为各个片区设定喷涂机器人304的对应站位，然后对各片区的喷涂作业顺序进行规划，使喷涂作业效率提高。在一个具体的实施例中，喷涂顺序设计为从左侧顶部片区开始，升降组件303带动喷涂机器人304逐个向下喷涂，待一列片区喷涂完毕后，随动横移小车301和背负式agv302向右移动一列，从顶部片区开始，逐个向下喷涂、如此往复，直至所有片区喷涂完毕。这样，可以有效地提高喷涂质量和喷涂效率。在本实施例中给出的片区划分方案、片区喷涂作业顺序以及片区内部轨迹规划顺序仅为优选方案，喷涂效果更好。
114.根据本发明另一方面再进一步的实施例，以背负式agv302运动为主的agv移动喷涂方案中，包括：
115.喷涂路径及轨迹规划：根据船舶分段4的待喷涂表面的曲率特性及喷涂作业工艺要求，对待喷涂表面上的喷涂路径和轨迹进行规划，该轨迹自待喷涂面的顶部一端开始向另一端延伸，到该行末端后向下延伸一定距离，然后自此端开始向另一端延伸，如此往复，直到喷涂轨迹完全扫描整个待喷涂表面。可以理解的是，对于曲率变化较小的待喷涂表面，通过采用这种喷涂轨迹，有利于喷涂机器人304进行程序化作业，降低控制系统2的程序控制难度，提高喷涂作业效率。
116.喷涂作业：背负式agv302和升降平台3032首先将喷涂机器人304运输至轨迹起点位置，背负式agv302背负着喷涂机器人304开始向另一端运动，开展喷涂作业，喷涂机器人304在此过程中保持在刚度达到要求的位姿，仅作小幅调整运动以对背负式 agv302和升降平台3032的位置误差进行补偿；一行喷涂完成后，升降平台3032下降一段距离，背负式agv302开始反向运动，进行下一行的喷涂作业，如此往复，直到整个待喷涂表面喷涂作业完成。
117.具体的，如图6所示，首先背负式agv302和升降平台3032将喷涂机器人304运输至喷涂轨迹起点对应位置，喷涂机器人304调整至刚度较高、性能较好的喷涂作业所需位姿，接着供料设备3033开始供料，随动横移小车301和背负式agv302开始向右运动，直至喷涂机器人304末端运动至轨迹第一行右端点，实现第一行的喷涂作业；然后，升降平台3032向下运动一段距离，使喷涂机器人304末端对准喷涂轨迹第二行起点，随动横移小车301和背负式agv302开始向左运动，直到喷涂机器人304末端对准轨迹第二行左端点，实现第二行的喷涂作业；如此往复，直至完成整个待喷涂表面的喷涂作业后，供料系统停止供料作业，喷涂机器人304在整个喷涂作业过程中只进行小幅运动，以实现对背负式agv302和升降平台3032沿轨迹运动误差的补偿，从而保证喷涂作业质量。也就是说，采用该喷涂方案，可以有
效地提高喷涂质量和喷涂效率。
118.根据本发明另一方面进一步实施例，该喷涂方法利用根据本发明一方面一个实施例的面向船舶分段非结构面的超大空间喷涂装备1000进行。
119.当待喷涂表面为船舶分段4的非结构面的底面时，底面喷涂方案包括：
120.根据船舶分段4的底面结构特点、龙门架5设置情况、喷涂作业工艺要求、喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备性能特点，对背负式agv302运动轨迹进行规划。其中，龙门架5位于船舶分段下方且用于支撑船舶分段；可以理解的是，根据多种因素对背负式agv302运动轨迹进行规划，有利于实现喷涂系统3高效喷涂。
121.背负式agv302运动轨迹规划完成后，根据背负式agv302路径规划方案、喷涂作业工艺要求、喷枪喷幅特性以及超大空间喷涂作业装备性能特点，同时考虑与背负式 agv302轨迹的协同性，对喷涂机器人304的喷涂轨迹进行规划。可以理解的是，根据多种因素对喷涂机器人304的喷涂轨迹进行规划，有利于实现高效喷涂。
122.船舶分段4底面喷涂作业中，背负式agv302的运行按照规划出的背负式agv302运动轨迹来执行，背负式agv302的运动轨迹类似“几”字形：从船舶分段4一侧开始沿龙门架5方向运动至另一侧，然后横移一段距离，沿龙门架5方向开始反向运动直到返回原侧，然后再横移一段距离，开始沿龙门架5方向运动至另一侧，如此往复直至喷涂完成。具体地，如图7所示，在船舶分段4底面喷涂中，首先升降平台3032降至最低点，喷涂机器人304收缩至不易与外界发生干涉的位姿，且整个喷涂过程中喷涂机器人 304都在不易与外界发展干涉的收缩状态下执行运动；然后背负式agv302运动到运动轨迹起点，从船舶分段4一侧开始沿龙门架5方向运动至另一侧，然后横移一段距离，沿龙门架5方向开始反向运动直到返回一侧，然后再横移一段距离，开始沿龙门架5方向运动至另一侧，从而灵活实现船舶分段4底面的喷涂作业，喷涂效率高、喷涂质量好。
123.喷涂机器人304与背负式agv302协同运动，背负式agv302沿“几”字形轨迹运动时，喷涂机器人304执行左右扫喷，以配合完成船舶分段4底面的喷涂作业。这样，可以有效地提高喷涂质量和喷涂效率。
124.需要说明的是，在该方案的喷涂过程中，随动横移小车302随背负式agv302进行横向运动，以运输电路和气路，当背负式agv302沿龙门架方向运动时，恒张力卷筒机构3011 将气路和电路进行对应收放，从而保证喷涂系统3的电气供给并防止电路和气路被碾伤。
125.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
126.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。