面向高压电力输送杆塔的蛇形巡检机器人运动规划方法研究

A snake robots motion planning method for complex truss structure is proposed to improve snake robots motion ability and efficiency on high-voltage power towers. In order to solve the problem of match uncertainty between control parameters of snake robots joints and turning/avoidance gaits on continuous bars construction, the transformation mechanism of plane-bars gaits will be researched to build up the climbing gaits planning method of snake robots for continuous truss construction. In order to solve the problem of energy consumption and bars collision for span locomotion, the single-step span motion gaits and continuous span motion gaits planning method is proposed. In order to solve the problem of truss construction map presentation indetermination, adjacency matrix fusion method will be investigated, and the method of path planning for power tower is proposed. The achievements of the project can provide theoretical support for developing the control system of snake inspection robots for power transmission tower.

本项目以蛇形巡检机器人为研究对象，以提高蛇形机器人在高压电力杆塔结构中的运动能力及效率为目标，开展蛇形机器人在复杂杆件结构上的运动规划研究。针对蛇形机器人在连续杆件结构中转弯及避障运动步态与控制参数难以匹配的问题，研究平面-杆件步态转换机制，建立蛇形机器人在连续杆件上的攀爬步态规划方法。针对蛇形机器人在非连续杆件结构上跨越运动过程中能耗大、易与杆件碰撞等问题，提出基于渐开线卷曲方法的单步跨越运动及连续跨越运动步态规划方法。针对蛇形机器人多种步态形式引起的杆塔结构地图表达不确定的问题，研究邻接矩阵融合算法，提出面向电力杆塔结构的蛇形机器人路径规划方法。本项目的研究将为电力输送杆塔蛇形巡检机器人控制系统的设计提供理论基础。

本研究针对现阶段各类大型设备和建筑中复杂桁架结构的人工巡检所面临的工况危险、经济成本高、人为误差大、难以达到精确检修等问题，从桁架结构的复杂性出发，提出使用蛇形机器人代替人工巡检。首先，针对复杂桁架的结构特点，设计了一种单节两自由度（PR）的蛇形机器人结构形式，大幅提高了运动灵活性；同时对攀爬过程的关键步骤进行了静力分析，包括缠绕保持以及关节伸出，为机器人的设计提供指导，也为其能力评价提供方法；其次，提出了一种平面-杆件的步态转化方法，将蛇形机器人平面步态的成果运用到杆件攀爬上；借助仿真工具详细分析了四种攀爬步态的攀爬性能，包括适应环境、速度以及对应的能耗、力矩需求等，为机器人在桁架结构中攀爬运动提供了基础步态；最后，借助蛇形机器人自身的灵活性以及运动规划算法的普适性，运用RRT算法实现了机器人在桁架结构中的跨越运动，同时还进行了适应性改进，缩短了规划时间，降低了运动的空间需求，提高了非连续步态规划的高效性，根据多种步态的性能差异，构建了其杆塔结构的地图表达，提出了蛇形机器人在桁架结构上的路径规划方法。