模块化自重构电缆隧道巡检机器人设计与对接重构策略研究

With the acceleration of underground transmission cable development and the large-scale construction of underground integrated pipeline system, the requirements of inspecting and monitoring underground transmission line are becoming higher and higher, for improving the reliability of power-supply. The robot has been used for underground cable-inspection in the tunnel with larger-space; but for the small-space tunnel, there are many problems such as difficult installation and poor environment-adaptability for fixed-type robot. To resolve the above problems, based on the modularization and self-reconfiguration design, the modularization self-reconfiguration robot for underground-tunnel cable inspecting is proposed to improve the environment-adaptability and work-ability. The research would be done as below: the research of the robot architecture design, modeling and simulation; the research of autonomous-docking and reconfiguration-strategy based on the minimum energy method; the research of reliable communication and autonomous positioning in the tunnel environment. Based on the above research result, the unit module prototype of the robot would be designed and manufactured; the test platform would be developed at the same time. Then the transformation test from unit module to the whole and reconfiguration test would be done to verify the correctness of theory research. Finally the real-work test in underground-tunnel would be done to verify the practicality of robot.

随着城市电缆入地化加速和地下综合管廊的大规模建设，为提升供电可靠性，对地下输电线路的巡检、监测水平要求也越来越高。目前，一些条件较好的隧道和综合管廊已采用机器人进行巡检作业，但对于空间相对狭小的电缆隧道、管道甚至电缆沟，现有固定构型的机器人还存在安装难，环境适应性差等诸多问题。本课题引入模块化、自重构的思想，提出一种模块化自重构电缆隧道巡检机器人以提升机器人对环境的适应性和作业能力，拟开展以下研究：模块化自重构电缆隧道巡检机器人构型设计、建模与仿真研究；开展基于最小能量法的自主对接方法和重构策略研究；研究隧道环境下自重构机器人可靠通信和自主定位方法；设计、加工机器人单元模块样机，搭建机器人实验平台，进行机器人由群体单元模块到整体的转化和重构实验，验证理论研究的正确性；最后，在实际电缆隧道进行巡检作业实验。

相比于传统固定功能、构型电缆隧道巡检机器人，模块化、自重构机器人可根据特定的任务、环境需求，构建合理的构型，搭载不同的功能模块，同时还可以在巡检作业过程中进行模块分离，开展多机协作巡检作业，因此研究一种模块化自重构电缆隧道巡检机器人，对机器人在巡检作业中的应用和推广具有重要意义。. 首先，设计了三角形履带轮组搭配后驱动轮的行进机构、动力驱动机构以及各单元模块机器人之间的连接关节机构，完成了电缆隧道巡检机器人总体结构。对机器人不同环境的适应性进行分析，并对关键部件稳定性分析，检验机械结构设计的合理性，为后续结构优化提供可靠参数指标。. 为提高机器人对接机构的综合性能，提出了一种具有较强适应能力的“锥—孔”式对接机构；利用主动对接机构和被动对接机构被动适应一定的对接偏移误差，并进行不同姿态偏差模型对接性能仿真分析，完成自主对接机构的结构设计。. 完成了模块化自重构电缆隧道巡检机器人控制系统总体架构设计和硬件设计，基于ZigBee无线通信技术，实现了隧道内多跳点远距离无线通信，采用RSSI盲节点定位算法实现了机器人模块定位计算。. 研制模块化自重构电缆隧道巡检机器人样机，结合搭建的机器人实验平台，在设置斜坡、台阶及碎石块无规则路况环境下，全面、系统地开展在不同偏差、姿态下的对接、分离以及承载能力实验，多机器人联合对接、重构性能实验等多项实验，充分验证了方案的可行性，达到了预期效果。. 本项目的研究为模块化自重构巡检机器人提供了机构设计方法、对接与定位方法、控制策略和初步试验数据，为我国后续机器人在电缆巡检作业中的应用提供了重要的理论和实践基础。