攀爬機器人技術

機器人技術的進步是無止境的，目前機器人的普遍應用並不代表機器人技術已達到巔峰階段。相反，機器人技術本身還存在著各方面的問題，在理論、方法、設計以及工藝實現等方面還存在諸多問題需要加以研究解決。比如，工業機器人的功能和技術指標還有待進一步提高，在一些場合下，機器人在靈活性和精密性等方面還不能滿足人們的應用需求，在人和機器人互動過程中機器人的性能還不夠理想，機器人還不能取代人來完成一些對柔順性要求高的工作。這些問題的解決還依賴於機器人相關理論和技術的進步，機器人的設計水準也有待進一步提升。

本書以架空輸電線路巡檢機器人和壁面攀爬行動機器人爲典型實例，詳細介紹了相關機器人移動機構、嵌入式控制系統、通訊以及能源系統等的設計與實現。

本書可供從事機器人及相關領域的研究和技術人員參考。

當前，機器人已從初期的簡單概念過渡到實際應用階段，機器人已成爲傳統機械設備智慧化最爲典型的標誌性系統。機器人及其相關技術正在深入滲透到人們生産生活的各個方面，正在促進相關技術的深刻變革。

機器人技術的進步是無止境的，目前機器人的普遍應用並不代表機器人技術已達到頂峰階段。相反，機器人技術本身還存在著各方面的問題，在理論、方法、設計以及工藝實現等方面還存在諸多問題需要加以研究解決。比如，工業機器人的功能和技術指標還有待進一步提升，在一些場合下，機器人在靈活性和精密性等方面還不能滿足人們的應用需求，在人和機器人互動過程中機器人的性能還不夠理想，機器人還不能取代人來完成一些對柔順性要求高的工作。這些問題的解決還依賴於機器人相關理論和技術的進步，機器人的設計水準也有待進一步提升。

在地面及架空環境中作業的攀爬機器人是機器人家族中的重要一員。人們希望機器人能夠像人和動物一樣，靈活地在地面及各種架空環境中開展各式各樣的活動。但機器人的攀爬運動對機器人的設計提出了更高的要求，相關的技術涵蓋了機器人移動機構、嵌入式控制系統、無線通訊、能源系統以及體積重量等諸多方面，整合設計難度大，實際應用中對機器人的技術約束和限制也非常苛刻。所有這些問題都使得該類行動機器人的設計更加困難。從解決思路上看，該類機器人的設計主要有兩種形式。一是遵循仿生的機理，模仿人和動物的運動系統及工作機制來開展設計；另一種是從攀爬環境和攀爬作業的需求出發進行針對性的設計。本書遵循後一種設計思路，以架空輸電線路巡檢機器人和壁面攀爬行動機器人爲典型應用目標，展開適用於該類移動環境和作業任務需求的攀爬機器人系統的介紹。採取這種設計思路，主要是希望針對特殊使用環境的特點和需求，提出專門的機器人結構設計方案，以此來簡化機器人系統的組成結構，使機器人的設計更具針對性和實用性。

架空輸電線路巡檢維護機器人是電力部門迫切需求的先進技術，機器人技術的使用將對提高線路巡檢作業品質和水準具有重要的實際意義。本書所有設計都是針對實際工程系統的任務特點和技術需求來進行的。本書是筆者及其團隊多年研究成果的總結。書中的機器人設計是在筆者指導的多名博士、碩士研究生的研究成果基礎上總結整理而成，包括本書的兩名合作者魏永樂博士和陶廣宏博士，以及唐棣、祝帥、徐鑫霖、梁笑、賀長林、侯亞輝、秦輝、楊國峰、田晨威、胡家銘、劉成龍、郭小昆、徐兵、許婷婷、王心蕊等從事攀爬行動機器人方向研究的碩士以及其他未能一一列出的學生，他們在研究生階段的探索研究爲攀爬機器人研究工作的深入開展做出了貢獻。

希望本書的出版能夠對機器人領域相關研究和設計人員提供有益的參考。

機器人技術發展迅速，新技術不斷湧現，本書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正。
房立金
於東北大學

第1 章　緒論
　1.1　攀爬機器人概述
　1.2　自然界生物的攀爬行為及其機制
　1.3　攀爬機器人的典型移動環境
1.3.1　電力輸電線路
1.3.2　建築物
　參考文獻

第2章　雙臂式攀爬機器人
　2.1　攀爬越障機構及其工作原理
2.1.1　研究現狀
2.1.2　機構原理
2.1.3　機器人運動學模型
　2.2　機器人結構設計
2.2.1　手臂結構
2.2.2　輪爪複合機構
2.2.3　機器人箱體
2.2.4　機器人實體模型
　2.3　機器人越障動作規劃與控制
2.3.1　機器人質心調節與平衡
2.3.2　機器人跨越一般障礙物
2.3.3　跨越導線引流線
2.3.4　跨越地線耐張絕緣子串和鐵塔
2.3.5　機器人線路行走力學特性分析
　參考文獻

第3章　多節式攀爬機器人
　3.1　機器人構型及越障原理
3.1.1　研究現狀
3.1.2　越障機理
3.1.3　多節式攀爬機器人構型最佳化
3.1.4　機器人運動學模型
　3.2　機器人結構設計
3.2.1　單元驅動方案分析
3.2.2　單元結構設計
3.2.3　其他關鍵結構設計
　3.3　越障過程規劃與控制
3.3.1　單元機構支撐端切換流程規劃
3.3.2　重力平衡特性
3.3.3　越障規劃
　參考文獻

第4章　四足式攀爬機器人
　4.1　四足式攀爬機器人的組成及工作原理
4.1.1　攀爬機器人的研究現狀
4.1.2　四足式攀爬機器人的運動原理
4.1.3　四足式攀爬機器人運動學模型的建立
　4.2　四足式攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計
4.2.1　桿塔攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計
4.2.2　壁面攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計
4.2.3　巡檢機器人線路攀爬動作規劃及結構設計
　參考文獻

第5章　攀爬機器人應用系統設計
　5.1　攀爬機器人應用系統組成及工作原理
5.1.1　系統組成
5.1.2　系統硬體選型設計
　5.2　機器人控制系統設計
5.2.1　控制系統工作原理
5.2.2　越障規劃軟體系統設計
5.2.3　人機互動軟體系統設計
　5.3　能源供給系統設計
5.3.1　蓄電池直接供電系統
5.3.2　太陽能電池板和蓄電池供電系統
5.3.3　電磁感應供電系統
　5.4　電力輸電環境和電磁兼容設計
5.4.1　電力輸電環境簡介
5.4.2　電磁兼容設計
　參考文獻