攀爬蛇形机器人的运动控制与安全性分析.pdf

The control and security analysis of
Snake-like Robot for Climbing



A Dissertation Submitted for the Degree of Master






Candidate：He Zhenyong
Supervisor：Prof. Wei Wu








South China University of Technology
Guangzhou, China
摘 要
本课题目的在于设计一种安全可靠而且性能优越的蛇形机器人，并对其控制方法进
行研究和优化，以及对其安全可靠性进行研究分析，使其对圆柱体具有良好的攀爬能力，
以应用到桥梁缆索的检测任务中。文中阐述的主要设计思想、研究方法及工作成果如下：
为实现蛇形机器人优越的攀爬能力，综合分析目前常见的蛇形机器人关节连接方式
的优缺点，并充分考虑系统的可靠性，设计了一种模块化可重构正交连接蛇形机器人。
创新地设计了蛇首旋转 R 关节，为克服蛇形机器人翻滚运动中的视角旋转问题提供了一
种新的解决方法。
对典型的正交连接蛇形机器人运动控制函数法进行分析，在其基础上优化设计了一
种更简易、更高效的控制函数，并对该控制函数所对应的运动方式进行静态分析和动态
仿真。运用 D-H 变换方法，建立了正交连接蛇形机器人的运动学模型，深入研究和分析
了机器蛇翻滚运动中蛇首和尾部关节的自转规律，并提出一种蛇体两端旋转关节的控制
方法，能够有效克服机器蛇翻滚运动中的视觉旋转问题，避免引入额外的传感器增加系
统的复杂度，具有一定的创新性。
在无线通信系统中引入 Modbus 通信协议以增强无线通信的可靠性。设计了无线信
号安全监听机制、主/从控制器安全监听机制和统一的通信数据包，进一步提高了整个系
统的通信可靠性和效率。其次，建立了正交连接蛇形机器人 ADAMS 仿真模型，对螺旋
翻滚攀爬运动中各关节的扭矩进行深入分析，并设计了相应的安全辅助装置，提高了螺
旋翻滚攀爬运动的安全性。提出一种闭合单环翻滚攀爬运动，并对其辅助装置进行设计，
实现了对大直径缆索的攀爬运动，具备更好的适应力和安全性。
关键词：蛇形机器人；正交关节；旋转关节；运动控制；安全性分析
I
Abstract
The purpose of this project is to design a reliable snake-like robot with superior
performance of climbing for bridge cable detecting. The main design thought, research
methods and results of this paper are summarized as follows:
In order to to achieve excellent climbing ability of snake-like robot, this paper discusses
the usual joint connections of snake-like robot, and designs a modular snake-like robot with
orthogonal joints. In particular, the new design of rotary joint on the snake-like robot provides
a new solution for the problem