本文以实现“总体遥控,局部自动”控制策略的水下自动化焊接为主旨,研究了一套由水下双目立体视觉子系统、机器人子系统以及水下焊接子系统组成的水下焊接机器人视觉伺服跟踪焊缝系统。在基于视觉技术的水下焊接机器人跟踪焊缝过程中,水下焊接技术、水下图像处理、立体匹配、立体视觉三维重建、水下摄像机标定、手眼标定、焊接机器人轨迹规划及其水下跟踪控制技术等问题一直是水下视觉焊接机器人发展的瓶颈,相比于陆上,这些关键技术处理更加困难。本文针对水下视觉焊接机器人关键技术研究了以下内容:(1)根据系统性能要求及水下工程设备焊接检修特点,设计了系统总体硬件结构方案,选择了堆焊方式修补;并对整个系统涉及重要基础理论进行了讨论,为后续关键技术研究提供技术支持。(2)研制了水下云台视觉试验平台和水下机器人双目视觉系统。课题研制了带水下云台的双目视觉试验平台,开发了用于水下焊接机器人的双目视觉系统。在硬件方面对水下双目立体视觉系统零件进行设计、计算选型,设计了安装机械结构和防水密封结构;在软件方面,进行了相关图象处理程序的开发和应用,针对水下焊接图像噪声污染严重,选择了均值滤波器预处理。针对水下摄像机标定技术,提出了改变焦距补偿方法,采用了先畸变校正,后标定的策略,利用了张氏标定法对摄像机标定。最后利用标定结果测量实际空间曲线,验证了算法的正确性、可行性和有效性。(3)针对以摄像机光心为原点的实际坐标系相对理想坐标系发生偏转移,以及光心无法定位,导致无法对双目测量结果具体验证的问题,提出了基于最小二乘法的坐标系校准方法,并创新设计研制了检测平台,具体实验验证了坐标系校准方法的准确性及双目视觉系统测量精确性、重复稳定性。(4)根据传统D-H法建立机器人运动学模型过程存在的不足,提出了基于旋量理论的串联式机器人逆运动学模型,并运用希尔维斯特(Sylvester)结式法对其求解得到全部的解。(5)针对水下焊接机器人作为不确定性、时变性、耦合性、高度非线性系统,无法建立其精确的动力学模型,作为理论研究,提出了基于模型补偿的自抗扰控制方法;并且为了提高控制器最佳跟踪控制动、静态性能,提出了自抗扰滑模复合控制技术。(6)基于系统水下焊接需要,设计了一种局部干式法排水罩机构,其结构设计主要采用了内外“双环”形式,使排水罩排干水同时并保证了焊接起弧燃烧的稳定性,其创新设计并获得了发明专利。(7)完成关键技术研究基础上,搭建了焊接机器人水下空间手眼协调跟踪系统试验平台,应用VC++6.0和Open CV开发了系统软件;完成了系统软硬件联调并将系统应用于实验室水箱中进行焊接试验,模拟了实际水下设备焊接检修,试验结果表明系统能实现水下焊缝自动跟踪焊接。