1、人工智能四川省重點實驗室開放基金項目申報書項目類別一般項目基礎研究項目應用研究項目重點項目基礎研究項目應用研究項目項目名稱：基于工業檢測機器人測控系統的研究起止時間：2013年10月至2015年10月承擔單位：四川理工學院機械工程學院項目負責人：黃丹平聯系電話（手機）科門類：測控學科情況：填報日期：2013年5月16日人工智能四川省重點實驗室 制填報說明1、申報書適用于人工智能四川省重點實驗室資助自然科學研究項目；2、封面“項目類別”只能選填一種，在該項目類別前中畫“”；3、申報書填寫要求用A4紙計算機打印。一式三份統一報送人工智能四川省重點實驗室；4、未盡事宜，可另

2、附材料說明。一、目的意義和國內外研究現狀分析工業機器人誕生20世紀60年代,在20世紀90年代得到迅速發展,是最先產業化的機器人技術.它是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能 、仿生學等多學科而形成的高新技術,是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。它的出現是為了適應制造業規模化生產，解決單調、重復的體力勞動和提高生產質量而代替人工作業。我國的機器人研究開發工作始于 20 世紀 70 年代初，到現在已經歷了 40 年的歷 程 。 前 10 年處于研究單位自行開展研究工作狀態 ， 發展比較緩慢 。 1985 年后開始 列入國家有關計劃，發展比較快。特別是在“七五” 、“八五”

3、、“九五” 機器人技術國家攻關 、“863”高技術發展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發展。在機器人基礎技術方面：諸如機器人機構的運動學、動力學分析與綜合研究，機 器人運動的控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內外部傳感器的研究與開發，具有多傳感器控制系統的研究，離線編程技術、遙控機器人的控制技術等均取得長足進展，并在實際工作中得到應用。在機器人的單元技術和基礎元部件的研究開發方面：諸如交直流伺服電機及其驅動系統、測速發電機、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導軌 、 諧波減速、RV減速器 、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等均開發出一些樣機或產品。但這些元部件距批量化

4、生產還有一段距離。在機器人控制裝置的研制方面：已開發出具有雙 CPU 、多 CPU 和分級分層控制的機器人控制裝置多臺，主控計算機的檔次也逐漸升級。 在機器人操作機研制方面：已開發出一些先進的操作機和特種機器人，如 AGV （自動導引車） ，壁面爬行機器人，重復定位精度為 ± 0.024mm 的裝配機器人，可潛入海底 6000m的水下機器人，移動機器人，移動遙控機器人，主從操作機器人等，有些已達實用化水平并用于實際工程。在機器人的應用工程方面 ： 目前國內已建立了多條弧焊機器人生產線，裝配機器人生產線，噴涂生產線和焊裝生產線。國內的機器人技術研發力量已經具備了大型機器人 工程設計和實

5、施的能力，整體性能已達到國際同類產品的先進水平，而整體價格僅為國外同類產品的三分之二甚至一半，具有很好的性能價格比和市場競爭力。國外專家預測,機器人產業是繼汽車、計算機之后出現的新的大型高技術產業。據國際機器人聯合會（ IFR ） 統計，世界機器人市場前景看好，從 20 世紀下半葉起 ，世界機器人產業一直保持著穩步增長的良好勢頭。進入 90 年代，機器人產品發展速度加快，年增長率平均在 10% 左右，2000 年增長率上升到 15% ，21 世紀初，工作在各領域的工業機器人突破 100 萬臺。正如 2l 世紀日本創建機器人社會技術發 展戰略報告指出 ， 機器人技術（ RT ）與信息技術（ IT

6、 ）一樣，在強化產業競爭力 “ 方面是極為重要的戰略高技術領域。培育未來機器人產業是支撐 2l 世紀日本產業競爭力的產業戰略。最近，韓國也將智能機器人作為十大戰略產業之一列入國家發展規劃，現正在實施中。機器人廣泛應用于各行各業。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業。目前，全球現役工業機器人 83 萬臺。過去 10 年，機 器人的價格降低約 80% ，現在繼續下降，而歐美勞動力成本上漲了 40% 。現役機器人的 平均壽命在 10 年以上，可能高達15年，它們還易于重新使用。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業自動化水平，提高產品質量和生產效率、增強企業市場競爭力、改善勞動條件等

7、起到了重大的作用，加之成本大幅度低和性能的迅速提高，其增長速度 較快。機器人的應用主要有兩種方式 ，一種是機器人工作單元，另一種是帶機器人的生產線，并且后者在國外已經成 為機器人應用的主要方式。以機器人為核心的自動化生產線適應了現代制造業多品種、少批量的柔性生產發展方向，具有廣闊的市場發展前景和強勁生命力，已開發出多種面向汽車、電氣機械等行業的自動化成套裝備和生產線產品。在發達國家，機器人自動化生產線已形成一個巨大的產業，年市場容量約為 1000 億美元。像國際上著名公司 ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLO、村田等都是機器人自動化生產線及物流與倉儲自動化設備的集成

8、供應商。 二、研究方案1、 研究目標、研究內容 機器人的研究存在著兩條不同的技術路線：一條是日本和瑞典所走的“需求牽引、技術驅動”，結合工業發展的需求，開發出一系列特定應用的機器人；另一條是把機器人作為研究人工智能的載體，即單純從技術上模擬人和動物的某些功能，研究有關職能的問題和智能機器人。工業檢測機器人要想走向實用，必須擁有勝任的運動系統、可靠的導航系統、精確的感知能力和具有即安全友友好地與人一起工作的能力。工業檢測機器人的智能指標為自主性、適應性和交互性。本課題為滿足工業檢測機器人對工作性質和環境的要求，將主要進行機器人精確定位和檢測技術方向研究，并朝著智能化和多樣化方向發展。目前主要研究

9、內容集中在以下幾個方面： 1、機器人檢測技術：重點研究開放式，模塊化檢測系統，人機界面更加友好，語言、圖形 編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化，以及基于 PC 機網絡式控制器 已成為研究熱點 。 編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外 ， 離線編程的實用化 將成為研究重點。 2、多傳感系統：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的 關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩 、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統的實用化。 3、為能夠實現工業檢測機器人的結構靈巧，應使整體工業檢測機器人控制系統小型化，

10、并提高其抗干擾能力；4、機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等；5、由于機器人的工作環境復雜，一般的定位設備無法精確跟蹤；設備是上安裝的里程輪等存在誤差較大，有時還存在打滑現象，這邊為數據分析帶來較大誤差。因此應對機器人精確定位進行研究。2、擬采取的研究方法、技術路線和試驗方案機器人是最典型的機電一體化數字化裝備,技術附加值很高，應用范圍很廣,作為 先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，將對未來生產和社會發展起越來越重要的作用。但是我國目前在工業檢測機器人的研究上還處于比

11、較落后的狀態，這對我國的工業現代化生產非常不利，所以工業檢測機器人的研究對于工業現代化生產就尤為重要了。本項目主要研究工業檢測機器人的控制與相關檢測部分，并且通過實驗平臺，對控制系統的硬件及軟件測試，檢測其是否滿足檢測機器人的工作要求。其具體的研究方法與技術路線內容如下：一、研究方法與技術路線1、選用多種傳感器并將其信息融合到該系統中，利用相關智能算法與數據處理技術得出需求信息；2、選用更適用于工業檢測環境檢測定位的慣性導航定位方法，它的特性是自主性、獨立性完成導航定位。通過捷聯導航理論和卡爾曼濾波理論的研究利用理論與實驗并重的雙重研究方法，在可靠性理論及完整性實驗的基礎上為工業檢測導航定位提

12、供可靠性很高的參考價值；3、工業檢測移動機器人系統中將各種信號經傳感器采集數據后，需要進行相關數據處理。本系統將采用專用采集卡對多路信號進行模數轉換，并將所采集數據進行一些必要的濾波降噪后，送給數據處理單元進行數據處理；其該原理框圖如下：傳感器信號采集信號預處理信息提取4、將模糊控制技術、基于神經網絡PID等控制技術應用到工業檢測機器人的軌跡跟蹤中，并對其控制性能進行研究與比較；5、本課題將采用嵌入式控制系統對各種數據進行采集與處理，并用其控制器工業檢測機器人的運動軌跡。該系統將采用 作為主控制器，并將DSP應用到該機器人測控系統中用于數據處理。 6、將測控系統將數據無線通訊技術運用到工業機器

13、人的控制系統中，以便實現遠距離通訊與控制；7、針對工業機器人所采集的數據與環境特征，利用matlab來進行數據在分析和處理，以便得到優化的程序與智能算法；為后續數據處理打下基礎在實際運用中可將下位機發送來的數據通過VC和matlab混合編程的程序來完成上位機的數據處理，以便減輕下位機的運算量。二、本課題實驗主要測試以下內容：1、分別測試控制系統的硬件及軟件工作情況；2、測試檢測機器人控制系統能否滿足檢測要求。三、實驗方法1、分別檢測控制系統的硬件及軟件工作情況； 2、測試檢測機器人的遠程遙控及數據采集工作； 3、對檢測機器人是否能夠按正確路線行走進行測試及調試； 4、對檢測機器人的硬件穩定性和

14、抗干擾能力進行測試； 5、模擬現場環境及檢測要求對檢測機器人性能進行實驗分析。3、項目實施進度安排及預期目標項目實施進度:2013年10月至2014年3月:進行理論上的研究和技術準備。2014年4月至2014年12月:進行實物研發及調試。2015年6月至2015年10月，結題準備，申請鑒定。預期目標：使得研發出的檢測機器人實，技術達到國內先進水平，并且有良好的可操作性、穩定性、和易用性、并且爭取到達工業級水平。4、本項目的特色與創新之處項目涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發展成果的綜合集成。其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度高，功

15、能強。本項目包含了無線遠程控制技術，機器視覺，現代人工智能控制技術等創新與特色之處，填補了國內工業檢測機器人技術的空白，能夠使得自主檢測機器人技術能夠運用到我國工業生產缺陷檢測中來。三、最終成果形式及成果預期水平最終成果形式：（1） 、公開的高水平期刊上發表23篇學術論文；（2） 、指導碩士研究生2名，本科畢業生6名；（3） 、提供具有國內先進水平檢測機器人原理樣機系統一套，可滿足試驗研究要求；（4） 、確定適宜的設計資料及實物；（5） 、在條件成熟時，申報國家級專利；（6）、成果預期水平：達到國內先進。四、成果轉化措施及社會、經濟效益分析（限應用型項目填寫）我國近幾年與機器人技術有關的產品已

16、經不斷出現，并給用戶帶來顯著效益。隨著我國工業企業自動化水平的不斷提高，應用到機器人技術的市場也會越來越大，并且逐漸成為自動化生產的主要方式。我國機器人自動化生產裝備的市場剛剛起步，而國內裝備制造業正處于由傳統裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機器人自動化生產技術研究開發者帶來巨大商機。據預測，目前我國僅汽車行業、電子和家電行業、煙草行業、新能源電池行業等，年需求此類自動化線就達600多條，產值約為120多億元人民幣。在2012年左右需求此類自動化生產技術達到1600條。據初步測算，2013年僅僅汽車制造業的需求市場容量將達到800多億元人民幣。項目最終成果可以很好的運用在自動化生產裝備中，

17、并且其先進性，可靠性，易用性，將會使得項目最終產品很快的得到推廣，并且產生經濟效用。五、現有工作基礎和條件1、 與項目有關的前期研究狀況 1）主持人任副教授以來，一直從事于管道工業各種現場參數的檢測工作，并進行了有較深入的研究，為研究本項目奠定了較扎實的理論基礎和較強的科研能力。 2) 主持人多年來始終關注測控技術事業，在機器人控制和機器視覺檢測方面的研究工作，取得一定的進展； 3）目前已對機器視覺與遠程無線數據傳輸展開研究，并取得階段性成果，現已能通過無線網絡進行視覺信號的傳遞與處理； 4) 本組成員具有豐富的科研經驗，學科交叉，協作能力強，承擔地市級項目多項。其中，主要成員中田建平、胡勇教

18、授在機器人結構設計與調試等方面有較強能力，所在科研團隊為有較強的電路制作與研發能力。2、 現有研究條件，尚缺少的實驗條件和解決途徑 本校機械工程學院測控系與四川大學測控系所具有較好的試驗條件和較強的實力，并且本人所在的校級科研團隊現有一些行走機器人和相關的檢測儀器，該團隊具有各種電路的研發能力和數據處理能力。尚缺少的試驗條件及解決途徑： 1）、相關電路的制作設備：自行設計，在外加工 2）、試驗所需材料：外購 3）、高頻信號測試儀、電路制作設備：外購六、項目負責人承擔的其它研究項目項目來源項目名稱起止年月負責或參加進展或完成情況軍工項目機載質量流量計研究2006.92009.7負責結題橫向項目螺釘分選機機器視覺系統開發2008.32008.12主研結題四川省過程裝備與控制重點試驗室基于機器視覺流體微小流量測量系統研究2010.62014.6.負責在研四川省過程裝備與控制重點試驗室移動破碎站液壓自