基于弹性包络的正交关节蛇形机器人螺旋攀爬运动力学建模与步态优化研究

The project focuses on a spirally climbing snake-like robot with orthogonal joints and conducts experiments on the robot SSCUT-II with orthogonal joints that were originally developed by the proposers in order to further research on the following three aspects.(1) Proposal of the elastic envelope towards research of the regularities on elastic envelope of snake-like robot, and a proposal of a method for describing the regularities on elastic envelope based on interstitial binary images of joints and member bars towards analyzing and revealing the motion patterns caused by different control functions and regularities of elastic envelope in different environments during the spiral climb of the robot.(2) A study on the mechanical modeling and establishment of a mechanics model with full consideration of the complicated mechanics modeling according to the features of elastic envelope. Additionally, an approach is proposed based on the motor driving torque and inputting elastic deformations in order to solve the complex problem that has several answers during the mechanics modeling. (3) A study is conducted on the optimization of the robot’s motion pattern and a method was proposed towards optimization of the cooperative control function based on maximizing the climbing force. Additionally, a method is proposed towards optimizing the parameters of the control functions based on a minimization scheme of the risk involved in overusing the motors. The research has significance towards improving the climbing force, while reducing the risk of motor overuse and improving the adaptability to various environments. This provides important referenced basis for studying internal and external questions of the spirally climbing snake-like robot. Additionally, This provides important referenced basis for designing and practically applying a snake-like robot.

本项目以正交关节蛇形机器人螺旋攀爬运动为研究对象，结合申请人研发的正交关节蛇形机器人SSCUT-II进行实验，深入展开以下三方面研究：1）提出弹性包络思想，研究蛇形机器人螺旋攀爬运动弹性包络规律，提出基于关节模块与杆件的间隙值二值图像表示法来描述包络规律，以此方法进一步揭示机器人螺旋攀爬运动中不同控制函数生成的步态和不同环境下的弹性包络规律；2）结合弹性包络特性，研究力学建模问题，充分考虑力学建模的复杂性建立力学模型，提出基于电机驱动扭矩与弹性变形量输入的求解方法，解决多解力学模型求解难题；3）研究步态优化问题，提出基于攀爬力最大化协同控制函数优化方法，提出基于电机过载风险最小化控制函数参数优化方法。项目研究对提高攀爬力，减小关节电机过载风险，提升对环境的适应性具有重要意义；为当前国内外蛇形机器人螺旋攀爬运动亟待深入研究的重要问题的研究提供重要参考；为蛇形机器人的设计和实际应用提供重要依据

蛇形机器人拥有高冗余自由度，凭借空间螺旋攀爬运动可高效完成桥梁缆索检测、地下管网探伤、甚至是灾害搜索救援等复杂且重要的工作，但是现有研究在这方面的探讨很少，因此，本项目致力于提出新的包络思想来深入研究蛇形机器人的螺旋攀爬运动性能。.综合比较分析国内外研究现状以及对关键技术问题的总结，本项目重点研究了正交关节连接的蛇形机器人在空间螺旋攀爬运动中的三个紧要内容：基于参数控制函数法 . 运动的蛇形机器人的螺旋攀爬包络规律，融入力学建模与分析来深入研究蛇形机器人螺旋攀爬步态可行性和包络问题，基于弹性包络和安全攀爬指标的参数化步态优化研究。. 通过搜集调研、整理分析、仿真测试、创新实践，本项目提出并深入研究了用弹性包络思想探究蛇形机器人的空间螺旋攀爬运动状态及特性，重点完成了以下重要研究成果：. ①创造性地提出弹性包络概念并成功运用到蛇形机器人的螺旋攀爬运动研究之中，建立以弹性包络思想为基础的理论体系，提出基于关节模块单元与杆件的间隙值二值图像表示法来描述包络规律，极大地提高了包络状态呈现方式的可视化、直观性。. ②结合旋量理论和凯恩方程对蛇形机器人的空间攀爬运动进行动力学分析与建模，大大地降低了力学计算的复杂度；提出滚动式力学求解算法以解决动力学多解这一棘手问题，为进一步融合考虑弹性力和攀爬力等不确定因素提供了方法指导。. ③分析安全攀爬步态控制函数并定义安全攀爬系数，提出基于弹性包络和攀爬力最大化的协同优化方法，通过优化控制函数参数，确保了蛇形机器人在螺旋攀爬过程中攀爬力最大化且电机过载风险最小的性能目标。. 在本项目的资助下，共计发表高水平期刊论文8篇，发表EI会议论文8篇，申请和授权中国专利7项。共计培养博士研究生2人，硕士研究生10人，本科生3人。本项目的研究对提高蛇形机器人螺旋攀爬运动的攀爬力、安全性以及对环境的适应性具有重要意义，为解决危险复杂的工业工程难题提供了智能化替代方案。