一种自主越障巡检机器人行走夹持机构

在机器人越障过程中,由于重力的影响使得机器人车体水平姿态发生变化,从而机器人自主越障变得十分困难。分析了超高压输电线路障碍物的类型,提出了一种新的双臂自主越障巡检机器人构型,该构型能够跨越输电线路上的障碍物。针对这种新构型,阐述了机器人行走夹持机构的工作原理和实现形式,着重分析研究了偏心夹持机构对保持车体水平姿态的机理。最后,通过越障实验验证了行走夹持机构的可行性。

超高压线巡检机器人移动越障机构综述

介绍了国内外超高压输电线路巡检机器人的研究现状,分析了几种典型的巡检机器人传动原理、机械结构的特点,详细探讨了巡检机器人移动、越障的运动机理和机构形式。最后总结了巡检机器人移动越障机构的难点,展望了巡检机器人的发展趋势。

超高压输电线路巡检机器人越障控制问题的研究

给出了一种超高压输电线路巡检机器人控制系统的设计与实现方法.根据机器人的作业任务,提出了基于传感器信息、约束信息以及动作反馈信息作为输入,产生式系统作为动作输出的越障控制方式.仿真结果表明此方法对于机器人的越障过程是有效的.

基于分布式专家系统的超高压输电线路巡检机器人控制系统的研究

探讨了基于分布式专家系统的超高压输电线路巡检机器人控制系统，给出了一种利用CUPS和C、VC++混合编程构成分布式专家系统作为机器人控制器的方法，并且提出了一种基于规则和证据的可信度(CF)的分布式专家系统的协调算法．经过试验论证，该控制方法能很好地实现超高压输电线路巡检机器人的作业功能。

超高压输电线路巡检机器人的视觉监控系统研究

超高压输电线路智能巡检机器人是输电工程技术发展的重要内容．介绍了一种应用于500 kV 超高压输电线路带电巡检智能巡检机器人系统．重点介绍了该巡检机器人系统的视觉监视与检测方法及应用技术．此类机器人系统可在输电线路上实现监控状态下的自主行走与视觉监视,跨越杆塔等作业,可在野外环境下完成连续巡检作业．这种作业方式,将大大减轻输电维护人员的劳动强度与难度,提高巡检效率与质量．对输电工程的安全可靠运行具有重要意义．

输电线路巡检机器人的机构、建模与实验研究

输电线路巡检机器人是一种特种作业机器人，具有广阔的输电线路巡检的应用背景，该项研究是机器人学研究领域的前沿课题之一，而越障机构又是巡检机器人的关键技术之一。本文在863课题《超高压输电线路巡检机器人》的资助下，系统地研究了输电线路巡检机器人的移动越障机构及其理论建模，目的是分析综合越障巡检机构，研制新型的越障巡检机构；通过结构优化减小能耗提高机器人巡检线路的实用性。 本文首先系统研究了巡检作业的典型工况，建立巡检目标障碍空间的数学模型，为巡检机器人的越障巡检机构研究与越障规划奠定基础。 第二、建立特殊工况下的设计原则，研究越障巡检机构的分析与综合方法。1、提出一种基于障碍空间分析的越障巡检机构综合方法，在分析多种越障机构的越障原理与越障性能的基础上，基于螺旋理论进行越障巡检机构的型综合与数综合，优化越障巡检机构的自由度与构型，并且设计两种新型越障巡检机构。2、用影响系数法，建立机器人运动学模型，探讨越障巡检机构的运动综合。3、提出线上操作的打滑稳定裕度与摆动稳定裕度，且给出相应的判据。在建立静力学与动力学模型、探讨越障巡检机构的动力性能、分析操作手夹持姿态的稳定性的基础上，拓展夹持稳定性量度，提出打滑裕度与摆动裕度。 第三、建立特殊风载荷工况下，结构参数受风向和风压影响的数学模型，得到不同风荷载的风压对尺寸参数的影响；由风载荷影响操作手夹持稳定性，从而影响行走轮包角参数，分析得到相应的行走轮外缘包络包角范围。根据风荷载阻力与尺寸参数的关系，基于最小能量理论采用积分有限元分析，对机器人的重要零件与部件进行了结构参数优化。 第四、根据环境模型制定越障流程；分析越障过程的三个难点：机构平衡、导线辨识与定位可知，导线定位是越障的关键；并就如何定位导线的越障关键问题，提出一种解析定位方法，对比搜索定位方法可知，解析定位方法优于搜索定位方法。 第五、通过实验验证越障原理、越障规划、定位方法、及系统性能等。在调试和考机合格的基础上，分别在实验环境下验证了线上行走巡检原理的有效性和连续越障的可行性；在野外现场实验验证了越障巡检机器人系统的原理可靠性与越障定位的有效性。

输电线巡检机器人控制与实验研究

近年来，机器人的应用越来越广泛和深入，输电线巡检机器人是当前特种作业机器人的研究热点之一，具有广泛的应用前景和实用价值。本文的研究内容是围绕国家“863”计划支持项目“500KV超高压输电线巡检机器人的研究”展开的。本研究工作针对巡检机器人的关键控制问题，主要由三部分组成：设计了巡检机器人的体系结构，并应用离散事件理论对机器人的任务、行为和动作建模；对巡检机器人双轮同步驱动控制进行了分析，并应用奇异摄动理论设计了控制器；研究了基于单目视觉的输电线立体定位方法及通过视觉伺服完成机器人自主抓线控制。 第一，介绍了巡检机器人的作业环境，重点探讨了机器人机械系统和控制系统的设计与实现。在机械子系统中，详细介绍了巡检机器人的机构实现与越障方法。在控制系统中详细阐述了基于分层递阶的机器人控制系统硬件组成。另外介绍了供电系统、无线传输系统、传感系统的设计与实现。分析了输电线路周围的电磁环境，及其对机器人的影响，并根据分析结果完成了对机器人的电磁防护设计。 第二，开展了输电线巡检机器人体系结构及人机交互系统研究，针对巡检机器人工作特点设计了基于规划和感知行为的混合式体系结构。针对巡检机器人工作环境设计了以机器人为中心的人机交互方式。参考前人建立的离散事件动力系统的层次结构和并行结构，提出了顺序结构并证明了其无阻塞性、可控性和监控器存在性，并结合以上三种结构建立了巡检机器人作业行为的离散动力学模型，分别获得了任务层、行为层和动作层的监控器。 第三，进行了巡检机器人双轮驱动控制研究。巡检机器人双轮行走机构为过驱动系统，对双轮行走系统进行了运动学和动力学建模，将一行走轮设为主动轮另一行走轮设为从动轮。针对两行走轮之间弹性关节导致的控制中的振荡问题，采用奇异摄动理论将系统分为快慢两个子系统；针对巡检机器人系统参数的时变性采用PD自适应算法设计了慢系统控制器；应用最优控制理论设计了快系统控制器。仿真结果验证了该方法的有效性。 第四，进行了输电线视觉定位和视觉伺服抓线问题的研究。输电线巡检机器人的自主越障控制是实现机器人实用化的关键问题。为实现巡检机器人自主越障，采用视觉伺服控制机械手臂自动抓线。为提取输电线图像特征点，针对输电线投影图像特征改进了边缘提取算法，应用聚类算法提取了输电线上的像素点。提出在机械手运动过程中采用EKF（扩展卡尔曼滤波）来实现对输电线的立体定位。在分析了当前基于图像的视觉伺服研究现状，建立了基于图像雅克比矩阵的输电线视觉伺服抓线模型。针对非标定状况下图像雅可比矩阵中的不确定参数，应用I&I(Immersion Invariant)自适应算法来实现无标定图像视觉伺服。针对机器人的动力学不确定性，设计了模糊自适应控制器，并证明了稳定性。仿真验证该方法的有效性，实验验证了基于视觉伺服的抓线控制的有效性。

加氢反应器壁原子氢分布的在线、实时、无损检测新技术

为了在线、实时、无损检测高温高压条件下运行的加氢反应器的多层器壁中原子氢的渗透速率和在任何指定剖面上的体浓度分布，发展了一种新型的检测技术．介绍了检测仪的结构设计及其特征。

管线钢硫化物应力腐蚀裂开危险性智能探测仪的研究

介绍了管线钢硫化物应力腐蚀裂开危险性智能探测仪的设计、结构和检测结果。该检测仪具有数据采集、存储处理、逻辑判断和现场制表打印输出评价/判断等功能,对及时发现和消除含硫油气管线的隐患,以防止恶性破坏事故的发生有重要意义。

基于点集曲面投影算法的自由曲面匹配

测量数据的精确定位是实现复杂曲面加工检测的关键,针对测量点云数据与NURBS表示的CAD自由曲面模型匹配中求最近点计算方面存在的问题,提出了一种简单、有效的寻找最近点的方法。该方法与由测量点集评估给定曲面上的最近点的传统算法相反,采用点集曲面(point set surface,PSS)投影算法,对给定自由曲面模型上有限个点与不附加任何几何和拓扑信息的散乱点集之间进行粗匹配获得初始位置,进而以最近点迭代算法(ICP)完成测量数据定位的精确调整,达到全局及局部最优的目标。实验结果表明,采用PSS投影算法法寻找最近点不仅效率高,而且能得到全局匹配结果,可以为精匹配提供较好的计算初值,减少了ICP算法进行二次匹配时,迭代次数及执行时间并且精度得到了较大提高。

一种快速获取激光拼焊焊缝错配的新算法

本文讨论了基于视觉和结构光的焊缝形貌视觉检测系统的组成原理,针对拼板激光焊接工程中对焊缝检测的实时性要求高的特点,创新性地提出了一种快速获得焊缝错配缺陷的算法,主要步骤为:首先基于有关标准的检测指标阈值的设定,再次,针对在线提取到的图像进行预处理,主要是加窗和中值滤波;最后为Radon变换与错配检测。该算法能减少计算任务,从而快速获得错配检测指标。实验给出了不等厚板拼焊时的线性错配的数值和分布,同时验证了该算法的有效性。

基于数学形态学的激光拼焊熔池图像处理研究

基于拼板激光焊接工程中的实时检测系统,应用数学形态学中的相关图像处理技术,提出了一种新的熔池图像处理流程模型,并通过实验得到了三种清晰的熔池边缘图像,同时验证了该模型的正确性。将算法与经典算法进行比较,证明了该算法对于激光拼焊的适用性和鲁棒性。

基于视觉的机器人激光焊接质量检测技术研究

视觉检测技术是随着计算机视觉技术和光电技术的飞速发展，而出现的一种新的检测技术。检测被测目标时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体，从图像中提取有用的信号，它是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术。现代激光自动化焊接技术是由激光、计算机、机器人、数控和精密机床等相结合的综合高新技术,此项技术已成为工业生产自动化的关键技术，拥有普通加工技术所不能比拟的优势。为了克服机器人焊接过程中各种不确定因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作可靠性，要求焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，即焊接机器人焊接过程的自主化和智能化。本文的研究依托于中国科学院知识创新工程方向性项目“全自动激光拼焊成套装备生产线”，旨在探索立体视觉检测系统的实现及其在激光拼焊工程中的应用的问题。从理论和实践两个方面，对其中的若干关键技术，如视觉检测系统创新设计、数学模型、量化误差、摄像机标定、结构光条纹中心线提取、焊前特征检测、溶池边缘提取、焊后缺陷图像匹配算法、三维重建和表面孔的视觉定位等进行了研究。主要研究成果如下： 1．提出了一种可以用于焊前跟踪，焊后检测，以及焊接过程中对激光溶池进行监测的多功能激光视觉检测装置。推导了检测系统在不考虑像平面安装倾斜角度时和考虑像平面安装倾斜角度时检测点坐标的计算公式以及量化误差公式，分别针对由于数模转换量化误差、安装角度倾斜误差、安装高度误差三个方面引起的量化误差，分析其关于行，列，以及不同倾斜角度的影响分布规律。并对于各种情况进行了仿真，对于各种误差分布特征进行了分析，提出了检测奇异点的情况和数学模型的局限性。以上工作为实现焊缝三维信息的高精度提取奠定了基础。 2．对于摄像机的标定技术进行了研究，结合工程实际，利用zhang的标定法和matlab标定工具包，对于摄像机进行了标定；针对检测相机视场较小，标定采集范围不易调整和相机的畸变主要发生在视场边缘等特征，在保证要求的精度范围之内，提出一种基于标定靶的标定方法，实验证明该方法的标定与测量精度能够满足工程需要。 3．研究了现有的条纹中心提取算法过程，提出了基于OTSU阈值的多次高斯拟合平均法和基于OTSU阈值的质心平均法计算激光条纹中心坐标。该法对条纹的噪声，散斑和被测工件表面漫反射有很强的抵制作用，因此具有很强的鲁棒性。实验表明，与传统方法相比，具有更高的提取精度。同时为了适应激光条纹被工件表面调制后发生的角度变化，以及硬件安装带来的激光线型条纹倾斜，提出了一种自适应方向模板法，可以解决特殊倾斜角度时的激光条纹中心线提取问题。三个仿真试验验证了方法的可行性。 4．提出了一套在线实时进行焊前检测的图形处理算法，可以实现焊缝宽度，焊前错配和焊缝中心位置检测。通过工程实验提取了各指标的检测结果，并验证了算法的正确性。 5．提出了一种基于数学形态学的激光拼焊溶池边缘检测算法，对于激光拼焊中的溶池图像进行边缘提取，基于真实图像进行了实验研究表明，提取边缘效果可以达到单像素。 6．对焊后表面形貌检测的图像实时处理算法进行了研究。提出了一套在线实时进行焊后焊缝表面缺陷检测的图形处理算法,可以进行焊缝宽度，错配，凹度，凸度，咬边，焊接倾角，过高七种表面焊接缺陷的匹配识别；对于整个焊缝的表面形貌进行三维重建。通过等厚板焊接和不等厚板焊接两种试验，验证了算法的合理性和鲁棒性。提出了一种基于randon变换的错配和兴趣区域快速检测算法。对于表面孔的检测算法进行了探讨，主要针对孔的检测中的噪声和表面反射，研究了腐蚀膨胀对于表面孔定位和大小的检测影响。 7．研究了以普通6R机器人进行焊缝视觉检测的工作视野，即焊缝视觉检测空间，提出了一种生成焊缝视觉检测空间的解算法；以此检测视野为依托，探索了在视觉检测视野中进行焊缝视觉检测的初始位置规划问题，提出了一种初始位置规划算法；仿真结果证明了算法的正确性。

激光拼焊焊缝质量在线检测技术研究

激光拼焊作为一种新的高质量焊接技术，已经广泛应用于汽车，航空、造船等领域，对提高我国装备制造水平有重要意义。激光拼焊过程中由于焊接装置与焊接工艺的一些时变因素，导致焊接质量存在一定波动，因此，必须对焊缝进行在线实时质量检测，这不仅可以保证焊接质量，而且有助于实现焊接的自动化。目前，国外成熟的激光拼焊系统中，焊缝质量实时检测技术已经成为实现激光拼焊自动化的关键部分。但该项技术国内目前仍处于研究阶段。因此，研制应用于激光拼焊的焊缝质量实时检测系统，实现焊接过程的自动化在学术理论性及工程应用性上具有重要研究意义。本文以激光拼焊为背景，针对激光焊接焊缝质量检测中存在的科学问题和实际应用需求，参考了国外先进的焊缝质量检测系统，应用机器视觉原理对焊缝质量检测方法进行了研究。 本文首先介绍了基于结构光视觉检测原理建立的焊缝质量检测系统。其次重点研究了焊缝质量检测系统的图像处理算法。图像处理算法是整个检测系统的核心内容，其处理的速度与精度直接影响到系统的实时性与准确性。本文依据ISO13919-1 B级焊缝质量标准设计了基于结构光的焊缝图像处理算法。算法主要分三步：首先准确提取结构光光纹中心线，其次提取光纹中心线特征点，最后，根据光纹的几何形状以及所提取的特征点，计算焊缝缺陷参数。第二部分系统介绍了结构光视觉传感器的标定原理及方法，针对激光拼焊焊缝质量检测应用需求，研究了焊缝质量检测视觉传感器直接标定方法。并设计了标定方法的具体实现，通过在局部区域建立光平面到像平面之间的线性函数关系，像平面中的任意一个像点对应的物理坐标，可以通过线性插值算出。实验结果表明，标定精度可以满足激光拼焊质量检测系统的精度要求，且便于工程实现。第三部分针对激光拼焊质量检测需求，进行了焊缝质量检测系统的软、硬件设计及实现。重点研究了软件实现中的一些关键问题，如Windows实现检测系统的方法，进程、线程的优先级，三维重建等。最后在该检测系统实验平台上进行了图像处理算法的精度与速度的验证，实验结果表明图像算法结果满足系统要求。最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。

智能相机在激光焊缝跟踪检测系统中的应用研究

本文以中国科学院知识创新工程重要方向项目“全自动激光拼焊成套装备关键技术研究与示范应用”及沈阳市科技攻关项目“激光视觉焊缝自动跟踪与质量检测系统”为依托，针对激光焊接这个难点问题，在广泛调研国内外研究现状的基础上，研究开发了一套激光视觉焊缝跟踪检测原理样机。本文主要包括以下四方面的工作：1焊缝跟踪系统的系统结构搭建；2图像处理方法研究；3图像处理方法在FPGA中的实现；4基于工业机器人的激光焊接实验 及结果分析。具体工作如下： 本文首先论述了应用于焊缝跟踪的线结构光视觉传感器检测原理，建立了激光焊缝跟踪检测系统实验平台。该平台由图像采集与处理模块、上位机系统、DSP控制器、伺服电机驱动器、伺服电机等五部分组成。 激光拼焊焊缝跟踪图像的处理方法是关键技术之一，直接影响系统的实时性，根据激光拼焊焊缝跟踪图像的特点设计了相应的图像处理算法，分析研究了基于数学形态学的焊缝跟踪结构光条纹图像增强算法，并根据本课题的特点提出了一种基于模板的边缘提取方法，能简洁快速地提取出单像素边缘，然后研究了结构光中心线提取算法以及焊缝特征点识别算法，最后通过仿真实验验证了该图像处理流程的有效性。 论文的重点在于图像处理方法在智能相机中的实时实现。跟踪系统对图像处理的实时性要求很高，传统的处理方法主要是在DSP中以软件编程的方式实现，速度难以进一步提高，本课题中通过在智能相机中的FPGA中构建一个SOPC系统，将基于硬件描述语言VHDL完成的图像预处理模块和基于Xilinx公司的microblaze软核的特征点提取模块集成在单片芯片上，实现了激光条纹特征点的实时提取，系统具有高度的灵活性与出色的功能。 最后对搭建的跟踪系统平台进行了实验研究，用实验验证了焊缝跟踪系统的性能，保证了该套系统能够满足实时跟踪的要求，可以达到预期的设计目标。