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蛇形机器人步态生成方法及在桥梁缆索表面检测中的应用研究

作　者: 孙洪超
导　师: 魏武
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 蛇形机器人 步态生成 迭代链拟合与关键帧提取 表面缺陷检测
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


传统的斜拉桥缆索检测往往通过起重臂搭载人工检测，存在较大危险性与主观性。近年来国内外科研机构逐渐展开了缆索检测机器人的研究，本课题组将蛇形机器人应用于桥梁缆索检测中，蛇体搭载摄像头和励磁传感器以实现对缆索表面及内部钢丝的检测。本文以缆索检测蛇形机器人为研究对象，主要研究了蛇形机器人的步态生成方法，应用此方法生成蛇形机器人缆索攀爬步态，在蛇形机器人缆索攀爬过程中通过搭载的视觉传感器对缆索表面缺陷进行采集最终实现缺陷的检测。本文的主要内容包括：1.对常见蛇形机器人关节结构进行分析对比并选择正交关节作为本文蛇形机器人基本结构。对正交关节蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制进行研究，使用基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人缆索攀爬步态生成方法。该方法可建立蛇体骨干曲线定向位移与底层驱动器输入之间的联系，可将传统的骨干曲线法和控制函数法两种步态生成方法的优点有效的结合，使形成的步态既可以直观的得到骨干曲线的形状及运动趋势又可得到以关节号和时间为变量的控制函数。该方法可有效提高使蛇形机器人桥梁缆索攀爬的安全性、步态灵活性；同时，便于底层驱动器控制。2.利用本方法生成的缆索攀爬步态完成缆索攀爬，通过蛇体搭载的CMOS摄像头进行缆索表面图像的采集并使用RTP传输协议将压缩过的H.264格式的视频信息传输到上位机，上位机对缆索表面状况实时显示，使用边缘检测与最大类间方差的阈值分割算法结合的方法对缆索表面缺陷进行提取，从而完成缆索表面检测。3.根据蛇体运动及缆索检测的需求设计了分层主从控制系统。使用无线局域网作为地面上位机与蛇体的通信，使用CAN总线作为蛇体的控制总线。并根据运动及检测要求选择了相应的关节驱动器、视频采集模块与电源管理模块等。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-16
  1.1 课题背景和选题意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 缆索检测机器人国内外研究现状  10-11
    1.2.2 蛇形机器人国内外研究现状  11-12
    1.2.3 蛇形机器人步态生成方法  12-13
    1.2.4 缆索表面检测研究现状  13-14
  1.3 本文的主要工作和结构安排  14-15
  1.4 本章小结  15-16
第二章 蛇形机器人结构及常见步态分析  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 蛇形机器人结构设计  16-25
    2.2.1 蛇形机器人关节设计  16-21
    2.2.2 蛇形机器人的运动学模型  21-25
  2.3 蛇形机器人常见步态  25-29
    2.3.1 生物蛇运动步态  25-26
    2.3.2 正交关节蛇形机器人运动步态  26-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 基于迭代链拟合与关键帧提取的蛇形机器人步态生成方法  30-47
  3.1 引言  30
  3.2 常用蛇形机器人步态生成方法概述  30-37
    3.2.1 控制函数法  30-33
    3.2.2 骨干曲线法  33-37
  3.3 迭代链拟合  37-41
    3.3.1 迭代链拟合与关键帧提取步态生成方法概述  37-38
    3.3.2 骨干曲线链拟合  38-41
  3.4 关键帧提取  41-42
  3.5 迭代链拟合与关键帧提取方法在缆索攀爬运动中的应用  42-46
    3.5.1 迭代链拟合与关键帧提取方法生成缆索攀爬步态仿真  42-44
    3.5.2 迭代链拟合与关键帧提取步态生成方法与传统步态生成方法比较  44-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章 桥梁缆索表面缺陷检测  47-66
  4.1 引言  47
  4.2 缆索表面缺陷信息采集与压缩  47-51
    4.2.1 V4L2 视频采集  47-49
    4.2.2 视频压缩  49-51
  4.3 缆索表面缺陷信息传输和播放  51-58
    4.3.1 视频传输协议 RTP 协议  51-54
    4.3.2 H.264 视频 RTP 打包  54-57
    4.3.3 缺陷信息的传输与接收  57-58
  4.4 缆索表面缺陷提取  58-65
    4.4.1 缆索边缘提取  58-62
    4.4.2 缆索表面缺陷提取  62-65
  4.5 本章小结  65-66
第五章 蛇形机器人控制系统及缆索攀爬实验  66-74
  5.1 引言  66
  5.2 蛇形机器人控制系统设计  66-71
    5.2.1 蛇形机器人控制系统设计方案  66-68
    5.2.2 蛇形机器人控制系统硬件平台  68-71
  5.3 缆索攀爬实验  71-73
  5.4 本章小结  73-74
总结与展望  74-76
参考文献  76-80
攻读硕士学位期间取得的研究成果  80-81
致谢  81-82
附件  82

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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