基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法和装置

1.一种基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，包括：步骤110，获取待维修设备的三维装配体模型，并生成点云数据；步骤120，将三维装配体模型作为输入，利用区域扩展算法自动识别待维修区域，输出待维修区域的位置；步骤130，采用自适应分层算法完成对三维装配体模型的自适应分层切片处理，生成包含待维修区域轮廓的二维切片序列的多个切片层；步骤140，在每个切片层内，将待维修区域离散化为规则的网格单元，通过计算每个网格单元的综合可达性评分，获取每个切片层的可达性评分矩阵；步骤150，将可达性评分矩阵作为输入，采用跨层蚁群优化算法实现维修路径规划，生成最终维修路径；所述跨层蚁群优化算法，通过基于可达性评分矩阵作为路径规划环境的蚁群算法，以及跨层连接点检测，在切片层上寻找最优路径并通过平滑曲线连接，形成连续、无碰撞的三维维修路径。 2.根据权利要求1所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述步骤110，包括：利用3D MAX软件获取所述维修设备的三维装配体模型；所述3D MAX软件通过脚本功能或散布修改器，对三维装配体模型的网格表面进行采样，在三维装配体模型表面的顶点位置或随机区域生成种子点的多个复制品，将三维装配体模型表面转换为离散的点云数据；将所述点云数据导出为标准的点云文件格式。 3.根据权利要求2所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述步骤120，包括：步骤121，输入所述点云数据，进行点云数据的预处理：采用高斯滤波或统计滤波进行去噪处理；利用体素网格降采样进行点云数据的下采样；对网格数据进行拓扑修复，确保面片的连接关系正确；步骤122，以缺陷点为种子点，根据曲率变化与邻域的几何特征进行区域扩展，精准分割出维修边界：通过人工标记或自动检测算法，在三维装配体模型上确定一个或多个缺陷点，并将缺陷点作为区域扩展初始的种子点；设定曲率阈值 和几何特征相似度阈值 ；以种子点为起点，迭代检查种子点的邻域点，进行如下区域扩展操作：计算种子点的邻域点的高斯曲率或平均曲率；若一个邻域点的曲率差小于曲率阈值，且几何特征相似度满足相似度条件，则将该邻域点纳入扩展区域；所述曲率差是指当前种子点与新的邻域点的高斯曲率或平均曲率的绝对差值；重复上述过程，直至没有新的邻域点可以被纳入扩展区域，直至区域扩展停止，得到完整的待维修区域；在待维修区域内，采用边界提取算法生成维修边界；步骤123，标记并输出待维修区域位置的几何坐标与拓扑关系：通过三维坐标提取函数 ，获取并记录维修边界顶点 的坐标 ；构建待维修区域与装配体组成部件的拓扑连接图；采用拓扑分析算法计算区域与相邻部件的交集面积 ，定义拓扑关系权重 ，其中， 为总面积；输出包含坐标集和拓扑关系的JSON或XML文件。 4.根据权利要求3所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述边界提取算法，通过边界点判定，分割出维修边界；所述边界点判定，包括：若三维装配体模型的一个点属于所述待维修区域，但点的邻域内存在不属于所述待维修区域的其他点，则这个属于待维修区域的点被判定为边界点；所有被判定为边界点的集合，构成最终的维修边界；所述几何特征相似度包括：法向量相似度和/或颜色相似度；所述法向量相似度是两个法向量之间的点积值进行刻画；所述颜色相似度通过计算两个点RGB值的欧氏距离或绝对差进行度量；所述几何特征相似度阈值，基于法向量方向和/或颜色信息进行设置：基于法向量方向设置法向量相似度下限阈值；基于颜色信息设置颜色相似度上限阈值；所述相似度条件，包括：法向量相似度大于法向量相似度下限阈值，和/或颜色相似度小于颜色相似度上限阈值。 5.根据权利要求4所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述步骤130，包括：步骤131，采用自适应分层算法，根据维修工艺要求与模型几何特征动态调整切片厚度；所述维修工艺要求至少包括待维修设备的各组成部件厚度；所述自适应分层算法，包括：第一步，初始化算法的输入参数：维修工艺要求，各组成部件厚度的阈值集合 ，其中， 为第 个组成部件允许的最大层厚阈值；模型几何特征：三维装配体模型的网格数据，包括顶点集合 和三角面片集合 ；三维装配体模型的网格数据：顶点集合 ；三角面片集合 ；每个顶点 包含的坐标信息 ， ；全局层厚约束：最小层厚 、最大层厚 ；第二步，确定切片方向与模型高度范围，包括：选定三维装配体模型全局 轴正方向为切片方向；沿切片方向划定模型高度范围为 ， 为切片高度的最小值， 为切片高度的最大值；初始切片高度为 ；第三步，动态计算层厚，包括：设置各组成部件厚度的约束：对当前高度 处的模型截面，判断所属组成部件 ，获取对应最大层厚阈值 ；提取模型几何特征：计算当前高度 处所有三角面片的法向量 ，通过法向量与切片方向的夹角 表征表面倾斜度；进行层厚的动态调整，采用下列调整公式： ；第四步，按如下公式更新切片高度： ；第五步，重复所述动态计算层厚的步骤并更新切片高度，直到切片高度 满足 ，终止算法；步骤132，在曲率变化大的区域减小层厚，以提升修复精度，包括：对模型表面的三角面片，利用主曲率 计算每个顶点 的高斯曲率 和平均曲率 ： ；设定曲率阈值 ，若 ，则标记为高曲率区域；进行高曲率区域层厚修正，对高曲率区域，层厚公式调整为： ；其中， 为高曲率区域层厚， 是曲率修正系数， 为曲率敏感度参数；对维修边界进行过渡处理，包括：对高曲率区域与平坦区域的过渡带，采用线性插值平滑层厚变化，避免层厚突变： ；其中， 为过渡曲率区域层厚， 为平坦曲率区域层厚， 为过渡距离权重， 。 6.根据权利要求5所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述步骤130，还包括：步骤133，在平坦区域增加层厚，以提高规划效率，包括：平坦区域判定：通过计算当前区域的法向量方差 ，若 ， 是预设平坦阈值，判定为平坦区域；或者通过平均曲率 直接判定， 是预设平坦曲率阈值；优化平坦区域层厚：在满足维修工艺精度要求的前提下，最大化平坦曲率区域层厚： ；其中， 为预设的表面粗糙度， 为与材料、工艺相关的常数；通过平坦区域占比计算总切片数减少量验证效率提升，所述总切片数减少量由下式给出： ；步骤134，生成一组包含维修区域轮廓的二维切片，包括：输入维修区域的三维掩码；在指定高度上设置切片平面，通过遍历维修区域的三维掩码内的所有三角面片，计算切片平面与三角面片的交线；当三角面片与切片平面相交时，通过线段-平面相交公式计算两个交点，获得离散的交点集；将所述交点集通过空间排序算法连接形成闭合的轮廓多边形，包括：计算交点集的质心；以质心为参考点计算各交点的极角；按极角对交点进行排序并依次连接，形成闭合的轮廓多边形；对所述轮廓多边形，通过相邻边向量叉积判断并删除共线点进行优化，以剔除冗余顶点，并输出二维坐标序列，作为维修路径规划的输入。 7.根据权利要求6所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述步骤140，包括：步骤141，在各切片层内，将维修空间离散化为网格单元，并标记障碍物网格，包括：输入三维维修空间在当前切片层的二维投影区域，定义维修边界坐标范围；根据维修任务精度要求设定网格分辨率，计算网格行数和网格列数；对网格单元进行二维索引编码，得到网格单元的中心坐标；建立网格索引与物理坐标的映射关系表，存储每个单元的维修边界坐标；输入切片层内的障碍物二维轮廓，采用射线法判断每个网格单元的中心坐标是否位于障碍物内部；若判定为位于障碍物内部，则标记所述网格单元为不可达，对应可达性评分为零，否则，标记所述网格单元为待评估单元；步骤142，计算每个网格单元的综合可达性评分，包括基于维修工具的物理约束，为每个网格单元计算可达性评分，所述可达性评分由下式给出： ；其中， 是工具中心点到维修点的归一化距离， 是工具到最近障碍物的归一化距离， 是工具轴线与维修点法向的夹角，用于衡量姿态可达性； 、 、 为可达性评分权重系数，且满足 ；步骤143，获取各切片层的可达性评分矩阵，作为后续维修路径规划的输入。 8.根据权利要求1所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，步骤150中，所述跨层蚁群优化算法，包括：步骤151，生成局部路径，包括：初始化参数：设置蚁群规模、信息素挥发因子、启发函数权重等基础参数；输入当前切片层的可达性评分矩阵作为路径规划环境；进行路径构建：每只蚂蚁从维修区域起点出发，基于信息素浓度与可达性评分转移选择下一个网格单元，采用下列概率公式进行网格单元的转移选择： ；其中， 为路径 的信息素浓度， ， 为可达性评分矩阵中网格单元 的评分值， 、 分别为信息素与启发函数的权重系数；蚂蚁在根据概率公式进行移动的过程中记录路径节点，避开不可达区域，所述不可达区域是指评分低于阈值的网格单元所在区域；对每只蚂蚁生成的路径计算适应度值： ；其中， 为路径长度， 为路径平均可达性评分， 为路径平滑度； 、 、 为适应度权重系数；在蚂蚁完成路径后，局部更新信息素，包括对路径上的网格单元按公式 挥发信息素，其中， 为挥发因子， 为初始信息素；全局更新信息素，包括按下列公式给定的适应度最优路径额外增加信息素： ；其中， 为信息素常量， 为最优路径适应度值；当达到最大迭代次数或路径适应度值收敛时，输出当前切片层的最优局部路径。 9.根据权利要求8所述的基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划方法， 其特征在于，所述跨层蚁群优化算法，还包括：步骤152，进行全局路径整合，包括：采用跨层连接点检测，对两个相邻切片层的最优路径，提取路径端点及中间特征点；对于所述两个相邻切片层上各取一个点构成的所有点对，筛选欧式距离小于阈值的点对作为候选连接点；对所述候选连接点，采用B样条曲线或贝塞尔曲线进行平滑曲线连接，拟合为连接曲线；所述连接曲线满足连续性和无碰撞性条件：在连接点处的位置一阶导数连续；对连接曲线进行离散采样，检查采样点是否与三维装配体模型发生干涉；若采样点与三维装配体模型发生干涉，调整候选连接点，重新拟合直至满足无碰撞性条件；将所有相邻切片层的连接曲线，通过跨层连接点检测和平滑曲线连接依次整合，形成初步的三维维修路径；步骤153，最终优化与输出，生成三维维修路径，包括：输入初步的三维维修路径，作为原路径；对原路径进行全局干涉检测：将原路径按预设步长离散为密集的采样点；对每个采样点，计算与三维装配体模型中障碍物的最小距离，若距离小于工具半径，则判定为碰撞点；对碰撞点所在维修区域进行局部路径重规划：以碰撞点前后5个节点为起点和终点，调用蚁群算法生成绕障子路径；用平滑曲线连接子路径与原路径，确保整体连续性，得到重规划后的三维维修路径；将重规划后的三维维修路径，作为新的原路径；循环上述步骤，直到重规划后的三维维修路径的路径总长度与平滑度趋于平稳，终止循环，输出重规划后的三维维修路径，作为输出。 10.一种基于三维装配体模型切片整合式维修路径规划装置，其特征在于，所述装置用于实现如权利要求1所述方法的步骤，所述装置包括如下模块：第一模块，用于获取待维修设备的三维装配体模型，并生成点云数据；第二模块，用于将三维装配体模型作为输入，利用区域扩展算法自动识别待维修区域，输出待维修区域的位置；第三模块，用于采用自适应分层算法完成对三维装配体模型的自适应分层切片处理，生成包含待维修区域轮廓的二维切片序列的多个切片层；第四模块，用于在每个切片层内，将待维修区域离散化为规则的网格单元，通过计算每个网格单元的综合可达性评分，获取每个切片层的可达性评分矩阵；第五模块，用于将可达性评分矩阵作为输入，采用跨层蚁群优化算法实现维修路径规划，生成最终维修路径；所述跨层蚁群优化算法，通过基于可达性评分矩阵作为路径规划环境的蚁群算法，以及跨层连接点检测，在切片层上寻找最优路径并通过平滑曲线连接，形成连续、无碰撞的三维维修路径。