重点实验室项目基于工业检测机器人测控系统的研究申报书.docx
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重点实验室项目基于工业检测机器人测控系统的研究申报书
人工智能四川省重点实验室
开放基金项目申报书
项目类别
一般项目
□基础研究项目
□应用研究项目
重点项目
□基础研究项目
□应用研究项目
项目名称：
基于工业检测机器人测控系统的研究
起止时间：
2013年10月至2015年10月
承担单位：
四川理工学院机械工程学院
项目负责人：
黄丹平
联系（手机）：
学科门类：
测控
学科情况：
填报日期：
2013年5月16日
人工智能四川省重点实验室制
填报说明
1、申报书适用于人工智能四川省重点实验室资助自然科学研究项目；
2、封面“项目类别”只能选填一种，在该项目类别前□中画“√”；
3、申报书填写要求用A4纸计算机打印。
一式三份统一报送人工智能四川省重点实验室；
4、未尽事宜，可另附材料说明。
一、目的意义和国内外研究现状分析
工业机器人诞生20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术.它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。
我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了40年的历程。
前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。
1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。
特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。
在机器人基础技术方面：
诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。
在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：
诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。
但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
在机器人控制装置的研制方面：
已开发出具有双CPU、多CPU和分级分层控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。
在机器人操作机研制方面：
已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如AGV（自动导引车），壁面爬行机器人，重复定位精度为±0.024mm的装配机器人，可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。
在机器人的应用工程方面：
目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。
国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。
国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。
据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。
进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%，21世纪初，工作在各领域的工业机器人突破100万台。
正如《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力“方面是极为重要的战略高技术领域。
培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略。
最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划，现正在实施中。
机器人广泛应用于各行各业。
主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。
目前，全球现役工业机器人83万台。
过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。
现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。
由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度低和性能的迅速提高，其增长速度较快。
机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。
以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。
在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。
像国际上著名公司ABB、au、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLO、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。
二、研究方案
1、研究目标、研究内容
机器人的研究存在着两条不同的技术路线：
一条是日本和瑞典所走的“需求牵引、技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人；另一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模拟人和动物的某些功能，研究有关职能的问题和智能机器人。
工业检测机器人要想走向实用，必须拥有胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有即安全友友好地与人一起工作的能力。
工业检测机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。
本课题为满足工业检测机器人对工作性质和环境的要求，将主要进行机器人精确定位和检测技术方向研究，并朝着智能化和多样化方向发展。
目前主要研究内容集中在以下几个方面：
1、机器人检测技术：
重点研究开放式，模块化检测系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。
机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。
编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。
2、多传感系统：
为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。
其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。
另一问题就是传感系统的实用化。
3、为能够实现工业检测机器人的结构灵巧，应使整体工业检测机器人控制系统小型化，并提高其抗干扰能力；
4、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等；
5、由于机器人的工作环境复杂，一般的定位设备无法精确跟踪；设备是上安装的里程轮等存在误差较大，有时还存在打滑现象，这边为数据分析带来较大误差。
因此应对机器人精确定位进行研究。
2、拟采取的研究方法、技术路线和试验方案
机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高，应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
但是我国目前在工业检测机器人的研究上还处于比较落后的状态，这对我国的工业现代化生产非常不利，所以工业检测机器人的研究对于工业现代化生产就尤为重要了。
本项目主要研究工业检测机器人的控制与相关检测部分，并且通过实验平台，对控制系统的硬件及软件测试，检测其是否满足检测机器人的工作要求。
其具体的研究方法与技术路线内容如下：
一、研究方法与技术路线
1、选用多种传感器并将其信息融合到该系统中，利用相关智能算法与数据处理技术得出需求信息；
2、选用更适用于工业检测环境检测定位的惯性导航定位方法，它的特性是自主性、独立性完成导航定位。
通过捷联导航理论和卡尔曼滤波理论的研究利用理论与实验并重的双重研究方法，在可靠性理论及完整性实验的基础上为工业检测导航定位提供可靠性很高的参考价值；
3、工业检测移动机器人系统中将各种信号经传感器采集数据后，需要进行相关数据处理。
本系统将采用专用采集卡对多路信号进行模数转换，并将所采集数据进行一些必要的滤波降噪后，送给数据处理单元进行数据处理；其该原理框图如下：
4、将模糊控制技术、基于神经网络PID等控制技术应用到工业检测机器人的轨迹跟踪中，并对其控制性能进行研究与比较；
5、本课题将采用嵌入式控制系统对各种数据进行采集与处理，并用其控制器工业检测机器人的运动轨迹。
该系统将采用作为主控制器，并将DSP应用到该机器人测控系统中用于数据处理。
6、将测控系统将数据无线通讯技术运用到工业机器人的控制系统中，以便实现远距离通讯与控制；
7、针对工业机器人所采集的数据与环境特征，利用matlab来进行数据在分析和处理，以便得到优化的程序与智能算法；为后续数据处理打下基础在实际运用中可将下位机发送来
的数据通过VC和matlab混合编程的程序来完成上位机的数据处理，以便减轻下位机的运算量。
二、本课题实验主要测试以下内容：
1、分别测试控制系统的硬件及软件工作情况；
2、测试检测机器人控制系统能否满足检测要求。
三、实验方法
1、分别检测控制系统的硬件及软件工作情况；
2、测试检测机器人的远程遥控及数据采集工作；
3、对检测机器人是否能够按正确路线行走进行测试及调试；
4、对检测机器人的硬件稳定性和抗干扰能力进行测试；
5、模拟现场环境及检测要求对检测机器人性能进行实验分析。
3、项目实施进度安排及预期目标
项目实施进度:
2013年10月至2014年3月:
进行理论上的研究和技术准备。
2014年4月至2014年12月:
进行实物研发及调试。
2015年6月至2015年10月，结题准备，申请鉴定。
预期目标：
使得研发出的检测机器人实，技术达到国内先进水平，并且有良好的可操作性、稳定性、和易用性、并且争取到达工业级水平。
4、本项目的特色与创新之处
项目涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。
其标准化、模块化、网络化和智能化的程度高，功能强。
本项目包含了无线远程控制技术，机器视觉，现代人工智能控制技术等创新与特色之处，填补了国内工业检测机器人技术的空白，能够使得自主检测机器人技术能够运用到我国工业生产缺陷检测中来。
三、最终成果形式及成果预期水平
最终成果形式：
（1）、公开的高水平期刊上发表2~3篇学术论文；
（2）、指导硕士研究生2名，本科毕业生6名；
（3）、提供具有国内先进水平检测机器人原理样机系统一套，可满足试验研究要求；
（4）、确定适宜的设计资料及实物；
（5）、在条件成熟时，申报国家级专利；
（6）、成果预期水平：
达到国内先进。
四、成果转化措施及社会、经济效益分析（限应用型项目填写）
我国近几年与机器人技术有关的产品已经不断出现，并给用户带来显著效益。
随着我国工业企业自动化水平的不断提高，应用到机器人技术的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产的主要方式。
我国机器人自动化生产装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产技术研究开发者带来巨大商机。
据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达600多条，产值约为120多亿元人民币。
在2012年左右需求此类自动化生产技术达到1600条。
据初步测算，2013年仅仅汽车制造业的需求市场容量将达到800多亿元人民币。
项目最终成果可以很好的运用在自动化生产装备中，并且其先进性，可靠性，易用性，将会使得项目最终产品很快的得到推广，并且产生经济效用。
五、现有工作基础和条件
1、与项目有关的前期研究状况
1）主持人任副教授以来，一直从事于管道工业各种现场参数的检测工作，并进行了有较深入的研究，为研究本项目奠定了较扎实的理论基础和较强的科研能力。
2）主持人多年来始终关注测控技术事业，在机器人控制和机器视觉检测方面的研究工作，取得一定的进展；
3）目前已对机器视觉与远程无线数据传输展开研究，并取得阶段性成果，现已能通过无线网络进行视觉信号的传递与处理；
4）本组成员具有丰富的科研经验，学科交叉，协作能力强，承担地市级项目多项。
其中，主要成员中田建平、胡勇教授在机器人结构设计与调试等方面有较强能力，所在科研团队为有较强的电路制作与研发能力。
2、现有研究条件，尚缺少的实验条件和解决途径
本校机械工程学院测控系与四川大学测控系所具有较好的试验条件和较强的实力，并且本人所在的校级科研团队现有一些行走机器人和相关的检测仪器，该团队具有各种电路的研发能力和数据处理能力。
尚缺少的试验条件及解决途径：
1）、相关电路的制作设备：
自行设计，在外加工
2）、试验所需材料：
外购
3）、高频信号测试仪、电路制作设备：
外购
六、项目负责人承担的其它研究项目
项目来源
项目名称
起止年月
负责
或参加
进展或
完成情况
军工项目
机载质量流量计研究
2006.9~2009.7
负责
结题
横向项目
螺钉分选机机器视觉系统开发
主研
结题
四川省过程装备与控制重点试验室
基于机器视觉流体微小流量测量系统研究
~2014.6.
负责
在研
四川省过程装备与控制重点试验室
移动破碎站液压自动控制系统研发
~
主研
在研
横向课题
升降横移式立体车库研发
~
主研
在研
七、项目研究组成人员的基本情况
单位
姓名
年龄
职称
学位
现从事专业
分工
签字
四川理工学院
黄丹平
43
副教授
博士
测控
总体设计
四川理工学院
田建平
48
教授
学士
机电
机器人结构设计
四川理工学院
胡勇
55
教授
学士
机电
数据处理与分析
四川理工学院
张良栋
38
副教授
硕士
机电
编写程序
四川理工学院
霍沛
23
研究生
测控
硬件制作
四川理工学院
于少东
24
研究生
测控
硬件制作
四川理工学院
李静
22
研究生
测控
图像处理
八、经费预算
申请实验室经费（万元）
3
总经费合计（万元）
7
单位配套（万元）
3
其它经费来源（万元）
1
支出科目
金额（万元）
预算根据或理由
经费概算合计
7
申请3万，自筹4万
业务费
设计费用、版面费、打印复印费等。
试验材料费
相关元器件、零部件采购，水电运行费用
小型专用仪器设备费
3
研制所需相关仪器、制作设备工具等设备购置
协作费
主体装置制造，整套设备安装
差旅费
1
调研、原材料采购、参加会议交流
管理费
0.3
项目管理
其它费用
不确定开支
九、单位科研部门审查意见
负责人：
（单位盖章）
年月日
十、专家推荐意见
推荐人（签章）：
年月日
推荐人（签章）：
年月日
十一、人工智能四川省重点实验室学术委员会审查意见
学术委员会主任：
（签字）
年月日
十二、人工智能四川省重点实验室审批意见
实验室主任：
（签字）
年月日
升级会员 