石窟寺石质文物作为我国优秀文化瑰宝之一,承载着深厚的历史文化底蕴,但在岁月的长河中由于自然和人为的破坏使其逐渐发育了不同类型和程度的病害,主要包括山体局部坍塌、雨水侵蚀、洞窟渗水、环境风貌破坏以及文物本体稳定性破坏等。为了有效地保护石窟文物,更好地传承中华优秀传统文化,需要开发一款高效的文物探测设备对石窟寺壁面进行系统化、常态化的损伤探测。本文依托国家重点研发计划“岩体结构空间异质”,研制了一款可重构模块化回转关节,为多自由度、多形态构型的石窟寺智能探测机器人的构建奠定了基础。回转关节的研制包含以下几个方面:首先,完成了回转关节模块的结构设计。根据石窟寺实际工况进行了探测机器人机械臂系统构型方案和回转关节模块结构方案的设计,同时基于轻量化原则对关节内部中空无框直流无刷电机、谐波减速器、传感器等关键零部件进行选型。此外,对关节模块进行受力分析后设计了铝合金材质的“L”型关节外壳及对应的“A”、“B”型连接接头,并在Solid Works三维建模软件中完成了回转关节模块的虚拟装配。其次,基于STM32F103微控制器和CAN总线通信的硬件组合搭建回转关节模块的控制系统平台。为了满足机器人运行稳定性和定位精度的需求,回转关节控制器的设计采用了矢量控制策略和自适应三闭环模糊PID控制算法,并在Simulink中建立系统模型,通过模拟仿真验证了该算法组合的优越性;接着在Altium Designer18软件中按控制、驱动、检测三大模块完成电路原理图和PCB图的绘制,搭建控制系统硬件平台;同时在keil5软件中完成控制系统程序的开发,包括通信、电机驱动和信息采集等模块程序的设计,并加入了回转关节工作异常时电机和控制板卡的自我保护功能。最后,搭建回转关节实体样机并完成了性能试验。对回转关节的质量、最大转动速度、最大转动加速度、转角范围等基础参数进行测量,并通过试验对关节的承载力、运行平稳性、定位精度、重复定位精度及自我保护功能等工作性能进行了验证。