第1 章緒論/ 1

1.1攀爬機器人概述/ 3

1.2自然界生物的攀爬行為及其機制/ 4

1.3攀爬機器人的典型移動環境/ 5

1.3.1電力輸電線路/ 5

1.3.2建築物/ 13

參考文獻/ 14



第2 章雙臂式攀爬機器人/ 15

2.1攀爬越障機構及其工作原理/ 16

2.1.1研究現狀/ 16

2.1.2機構原理/ 19

2.1.3機器人運動學模型/ 21

2.2機器人結構設計/ 33

2.2.1手臂結構/ 33

2.2.2輪爪復合機構/ 34

2.2.3機器人箱體/ 36

2.2.4機器人實體模型/ 36

2.3機器人越障動作規劃與控制/ 37

2.3.1機器人質心調節與平衡/ 38

2.3.2機器人跨越一般障礙物/ 40

2.3.3跨越導線引流線/ 42

2.3.4跨越地線耐張絕緣子串和鐵塔/ 43

2.3.5機器人線路行走力學特性分析/ 45

參考文獻/ 60



第3 章多節式攀爬機器人/ 63

3.1機器人構型及越障原理/ 64

3.1.1研究現狀/ 64

3.1.2越障機理/ 67

3.1.3多節式攀爬機器人構型優化/ 68

3.1.4機器人運動學模型/ 70

3.2機器人結構設計/ 73

3.2驅動方案分析/ 73

3.2結構設計/ 74

3.2.3其他關鍵結構設計/ 80

3.3越障過程規劃與控制/ 86

3.3機構支撐端切換流程規劃/ 86

3.3.2重力平衡特性/ 89

3.3.3越障規劃/ 92

參考文獻/ 102



第4 章四足式攀爬機器人/ 104

4.1四足式攀爬機器人的組成及工作原理/ 105

4.1.1攀爬機器人的研究現狀/ 105

4.1.2四足式攀爬機器人的運動原理/ 108

4.1.3四足式攀爬機器人運動學模型的建立/ 109

4.2四足式攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計/ 113

4.2.1杆塔攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計/ 113

4.2.2壁面攀爬機器人攀爬動作規劃及結構設計/ 124

4.2.3巡檢機器人線路攀爬動作規劃及結構設計/ 133

參考文獻/ 144



第5 章攀爬機器人應用繫統設計/ 145

5.1攀爬機器人應用繫統組成及工作原理/ 146

5.1.1繫統組成/ 146

5.1.2繫統硬件選型設計/ 148

5.2機器人控制繫統設計/ 157

5.2.1控制繫統工作原理/ 157

5.2.2越障規劃軟件繫統設計/ 159

5.2.3人機交互軟件繫統設計/ 165

5.3能源供給繫統設計/ 175

5.3.1蓄電池直接供電繫統/ 176

5.3.2太陽能電池板和蓄電池供電繫統/ 177

5.3.3電磁感應供電繫統/ 179

5.4電力輸電環境和電磁兼容設計/ 181

5.4.1電力輸電環境簡介/ 181

5.4.2電磁兼容設計/ 182

參考文獻/ 184

當前，機器人已從初期的簡單概念過渡到實際應用階段，機器人已成為傳統機械設備智能化為典型的標志性繫統。機器人及其相關技術正在深入滲透到人們生產生活的各個方面，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階段。相反，機器人技術本身還存在著方方面面的問題，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，在人和機器人交互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，機器人的設計水平也有待進一步提高。

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，能夠靈活地在地面及各種架空環境中開展各種各樣的活動。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、嵌入式控制繫統、無線通信、能源繫統以及體積重量等諸多方面，集成設計難度大，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移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繫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移動機器人為典型應用目標，展開適用於該類移動環境和作業任務需求的攀爬機器人繫統的介紹。采取這種設計思路，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，以此來簡化機器人繫統的組成結構，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質量和水平具有重要的實際意義。本書所有設計都是針對實際工程繫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、王心蕊等從事攀爬移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為攀爬機器人研究工作的深入開展做出了貢獻。筆者針對電力輸電線路巡檢機器人的研究始於2002 年在中國科學院瀋陽自動化研究所工作期間。在此期間，筆者與王洪光研究員以及凌烈、景鳳仁、孫鵬、姜勇、劉愛華等團隊成員一起開始了電力輸電線路巡檢機器人的研究與設計開發工作，相關工作得到了多項國家計劃的支持，這一階段的研究工作為本書的相關研究奠定了良好的基礎。

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

2019 年6 月