在电力输送行业,气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）凭借其优良的性能而被广泛应用。但在实际的使用过程中,杂质的介入以及超高压工况下的长期使用往往会导致设备发生故障而不能正常运行,因此需要定期对GIS设备进行检测,排查故障和安全隐患。传统的检测方法是以人工操作的方式对可旋转的高清内窥镜进行故障检测和隐患排除,但这种方法需要耗费大量的人力,并且存在检测不清晰、定位不准确的缺点。为了提高检测的效率和准确性,基于管道机器人技术,研制了一种专门用于GIS内部检测的管道四足爬壁机器人,并对其运动学和步态控制进行了研究。设计机器人的机械结构:根据机器人轻量化、小尺寸的技术要求,对机器人的机械结构进行了设计,并对GIS管道工作环境和检测目标进行了分析;同时结合仿生学结构,设计了机器人的关节构型,并搭建了整机结构和三维模型。求解机器人的运动学:为了定量化的描述机器人在管道中的位置和姿态,采用位姿参数和位姿矩阵构建机身位姿模型,并确立了机器人的起始姿态,使其具备更优良的避障性能;建立了机器人单腿坐标系,求解单腿的正逆运动学,建立其雅可比矩阵,并由此分析了机器人运动的奇异性,使运动过程避开奇异状态;同时对机身正逆运动学进行了分析,通过分析足端和机身的工作空间,确定足端运动的步长以及机身运动的范围。规划机器人的运动步态:针对管道内壁环境特点,分别设计了轴向直行步态、周向横走步态和原地转弯步态;为提高足端的避障性,设计了一种正弦运动轨迹,并提出了一种基于标准姿态的步态切换策略以实现多种步态之间的切换;同时为了进一步提高运动过程中的稳定性,提出了一种机身位姿偏差纠正策略。验证机器人运动规划的正确性:搭建的机器人仿真平台和实验平台,进行了轴向直行运动、圆周横走运动和原地转弯运动实验,同时对仿真和实验过程中的机身欧拉角、机身中心位置和关节力矩进行了分析。仿真和实验结果表明,机器人能够稳定地在管道内实现所规划的步态运动,进一步证明机器人的结构设计的合理性。