基于旋量与包络理论的蛇形机器人安全攀爬

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190019

华南理工大学学报（自然科学版） ›› 2019, Vol. 47 ›› Issue (10): 13-23.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.190019

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基于旋量与包络理论的蛇形机器人安全攀爬

魏武张杰高勇^† 徐杰斌

华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510640

收稿日期:2019-01-14 修回日期:2019-04-03 出版日期:2019-10-25 发布日期:2019-09-01
通信作者: 高勇( 1993-) ，男，博士生，主要从事仿生机器人技术、智能控制技术研究 E-mail:andygao_scut@163.com
作者简介:魏武( 1970-) ，男，博士，教授，主要从事机器人控制技术、智能控制技术、模式识别与人工智能研究
基金资助:
国家自然科学基金资助项目( 61573148) ;广东省科技计划项目( 2015B010919007， 2016A040403012) ;广州市产学研创新重大专项( 201604046015)

Safe Climbing of Snake-Like Robot Based on Screw and Envelope Theory

WEI Wu ZHANG Jie GAO Yong XU Jiebin

School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2019-01-14 Revised:2019-04-03 Online:2019-10-25 Published:2019-09-01
Contact: 高勇( 1993-) ，男，博士生，主要从事仿生机器人技术、智能控制技术研究 E-mail:andygao_scut@163.com
About author:魏武( 1970-) ，男，博士，教授，主要从事机器人控制技术、智能控制技术、模式识别与人工智能研究
Supported by:
Supported by the National Natural Science Foundation of China( 61573148) and the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province( 2015B010919007， 2016A040403012)

摘要/Abstract

摘要： 针对正交关节连接的蛇形机器人，文中提出了一种新的基于旋量与包络理论的螺旋攀爬运动研究方法．首先应用旋量理论对蛇形机器人进行运动学建模与求解，以降低传统 D-H 参数法建模的复杂性;然后基于包络思想分析蛇形机器人在攀爬运动过程中与圆柱杆的接触关系，提出了二值图像表示法来揭示机器人与圆柱杆的包络状态;最后基于弹性包络的分析结果，求得蛇形机器人的螺旋攀爬力，进而提出以安全攀爬力和攀爬系数为优化目标的控制参数优化模型．仿真结果表明，攀爬力与弹性包络状态间具有一致性，从而验证了文中提出的优化模型的正确性．

关键词: 蛇形机器人, 旋量理论, 弹性包络, 二值图像, 安全攀爬

Abstract: A new research method of spiral climbing based on screw theory and the elastic envelope for the snakelike robot with orthogonal joints was presented． Firstly， the screw theory was used to build kinematics modeling of snakelike robot to reduce the complexity of D-H modeling method． Secondly， the contact relationship between the snakelike robot and cylindrical rod during the climbing movement was analyzed based on the screw theory，and a binary images representation was proposed to reveal the elastic envelope state between snakelike robot and cylindrical rob． Finally，based on the analysis results of elastic envelope， the spiral climbing force of the snakelike robot was obtained，and then the parameter control optimization model with safe climbing force and climbing coefficient as the optimization target was proposed． The simulation results show that the climbing force and the elastic envelope state are consistent，which verifies the optimization model．

Key words: snakelike robot, screw theory, elastic envelope, binary images, safe climbing

中图分类号:

魏武, 张杰, 高勇, 等. 基于旋量与包络理论的蛇形机器人安全攀爬[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(10): 13-23.

WEI Wu, ZHANG Jie, GAO Yong, et al. Safe Climbing of Snake-Like Robot Based on Screw and Envelope Theory[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2019, 47(10): 13-23.

[1]	魏武李艳杰廖志鹏张晶. 基于旋量理论的蛇形机器人运动学建模 [J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(2): 1-8.
[2]	魏武姜莉王新梅. 基于最小类内方差的蛇形机器人多阈值分割[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2013, 41(5): 9-14.

基于旋量与包络理论的蛇形机器人安全攀爬

Safe Climbing of Snake-Like Robot Based on Screw and Envelope Theory

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