哈工大MTABot：一种结构简单的可变形陆空机器人兼具强地形适应性

　　原标题：哈工大MTABot：一种结构简单的可变形陆空机器人，兼具强地形适应性与高效率！

　　陆空机器人结合了无人机和地面车辆的优势，具备空中快速穿越和陆地长时间任务执行的能力，应用前景广阔。

　　目前关于陆空机器人的相关研究主要可分为两大类：被动轮型和主动地面机制型。

　　被动轮型机器人结构简易，但在崎岖地形中表现不佳，能源效率较低。伊利诺理工大学开发的HyTAQ便是这一类型的代表性案例，其设计将滚动笼安装在四旋翼无人机的外部，实现了飞行与地面移动模式下执行器和控制系统的共享。受其启发，后续设计涌现出多种被动轮机器人变体，但共通缺点是在不平地面稳定性差，易碰撞失控；且转子驱动行走效率低，螺旋桨近地操作还会扬尘影响视觉传感器。

　　主动地面机制型机器人在非结构化环境中适应性强，行走效率高，但空中动作功率效率低。为了解决这一问题，有学者提出了一种多功能附件的机器人概念，这类机器人通过灵活运用同一运动机构，可实现多样移动模式，进而提升机器人机动性和环境适应性。由加州理工学院和美国东北大学联合开发的M4机器人便是这一模式的典型案例。但其设计和系统结构的复杂性通常被视为过度且繁琐。这种设计的冗余不仅增加了制造成本和维护难度，还可能导致可靠性和效率的降低。

　　该研究创新性地提出了一种名为MTABot的新型可变形陆空机器人。MTABot巧妙地融合了双旋翼飞行器与可变形轮子的设计，其核心是一个集成了转子和可变形轮子的多功能附件。这种独特的设计使得MTABot能够灵活切换在平坦地形上的滚动、攀爬楼梯以及在空中飞行的三种运动模式。

　　图4 可变形的陆空机器人。(a) 滚动模式的配置。(b) 爬升模式的配置。(c) 飞行模式的配置。

　　这项创新设计仅凭两个多功能附件，便实现了滚动、攀爬和飞行三种运动模式，赋予了MTABot在平坦地形上的高速移动能力，在复杂地形中的攀爬能力，以及越过大型障碍的能力。通过实验，研究人员验证了MTABot克服多种地形的能力，证实了这一设计的有效性和实用性。

　　MATBot由一个中央主体和两个多功能附肢构成，采用对称的设计布局。其总质量大约为2.2千克，结构如下图所示。

　　每个多功能附体包含了可变形轮子和安装在轮子上的转子，以及必要的连接和传动机构。这些附件由三个电机控制：统一电机、变换电机和螺旋桨电机。统一电机兼具轮驱和飞行舵控的双重功能，这一设计原则意在尽可能减少电机数量。变换电机负责辅助模式转换，而螺旋桨电机则负责驱动转子。

　　机器人的主体内部安装了电池、主控制器、运动控制器和电机驱动器等关键电子组件。尾部的杆状结构固定于机身，当MATBot穿越障碍或在不平坦表面移动时，杆状结构提供必要的支撑力和反作用力。

　　上图展示了MTABot的电气架构。这款机器人由一块22.2V的锂电池供能，该电池配备了电源管理模块。它采用STM32H743系列的ARM微控制器，并集成了IMU（惯性测量单元）芯片，以精确执行多模态运动控制。主控大脑是Jetson Xavier NX模块，辅以WiFi模块来接收远程信号，以及光流芯片以优化飞行定位。

　　推进力由两个T-motor Antigravity MN4006电机提供，每个电机能够产生高达1.65千克的推力。统一电机和变换电机分别使用的是Feetech SM45BL和STS3235型号，确保了机器人在滚动、攀爬和飞行模式间高效转换的能力。

　　如下图所示，MTABot采用了一种创新的可变形轮设计。在优化设计中，车轮半径和扇形角是针对固定式wheg组件的关键参数。可变形轮由两个独立的“轮”组件构成：一是与轮轴相对固定的固定轮；二是由位于轮轴中央的变换电机驱动的主动轮。这种结构使得轮子能够从传统的圆形转变为配有爪子的异形轮，从而协助机器人从滚动模式切换至攀爬模式。这一独创的车轮设计赋予了MTABot卓越的越障能力。

　　图7 MTABot机器人可变形轮结构图。(a) 可变形轮的组成。(b) 坐标系和符号的定义

　　多功能附件的构成包括与主动轮刚性连接的转子。传动机构的核心是统一电机驱动的同步带机构，这是实现机械动力传递的关键部件。变换电机的作用是驱动轮子折叠，从而使得机器人能够简单地从陆地运动模式转换至飞行模式。在飞行模式下，变换电机会保持固定不动，确保稳定飞行。

　　虚线框在下图中标示了多功能附件的范围。在设计优化过程中，一个关键参数是轮轴相对于机器人重心（BCoG）的偏移量，这个参数可以通过调节两个同步带轮之间的中心距离来调整。

　　图8 MTABot机器人滚动和飞行模式的配置图。(a) 滚动模式下的符号定义。(b) 飞行模式下坐标和符号的定义。

　　机器人的重心定位（BCoG）对其滚动、攀爬和飞行性能有着显著影响。在双轮机器人设计中，减少轮轴与BCoG的偏移量有利于提升牵引力。而在双旋翼飞行器的设计中，增加轮轴与BCoG的偏移量可以提高飞行时俯仰运动的响应速度。

　　在滚动模式下，如图8（a）所示，为了保持机器人的紧凑尺寸，通常会限制机器人的总长度，这也是四轴飞行器配置实现最小尺寸的常见设计方法。

　　MTABot的设计考虑了多种运动模式及其转换，包括滚动模式、攀爬模式、飞行模式，以及从滚动到攀爬、从陆地到空中的过渡。为了实现这些运动模式和顺畅的模式切换，MTABot采用了精心设计的控制策略。

　　1）滚动和攀爬模式：MTABot在滚动和攀爬模式下采用基于PID（比例-积分-微分）控制的两轮差动系统。这一部分控制方案简单且成熟，因此不需要进一步详述。

　　2）滚动到攀爬的变换：如图8所示，MTABot通过旋转主动轮来实现从滚动模式到攀爬模式的转变。主动轮的旋转角度是可以调整的，这使得机器人能够根据障碍物的大小来改变轮子的变形程度。面对较小的障碍物时，机器人会采用较小的旋转角度以提升变换效率；而在遇到较大的障碍物时，则会增大旋转角度以增强越障能力。由于机械设计的限制，主动轮的最大旋转角度被设定为40度。

　　为了在模式转换过程中保护螺旋桨并减轻变换电机的负担，研究人员设计了一种程序化的地空转换策略。

　　具体流程，如图9中绿色虚线所示，从可变形两轮构型转换至双旋翼构型的过程如下：

　　1.将主动组件旋转90°，随后锁定变换电机，以确保组件在转换过程中保持稳定。

　　2.推进轮子直到所有的爪子都牢固接触到地面，为下一步的提升动作提供稳固的支撑。

　　3.统一电机继续向前旋转，利用爪子提供的支撑力提升机器人本体并开始旋转，直到尾杆达到垂直状态，此时机器人完全转换为双旋翼构型，准备起飞。

　　从双旋翼构型平滑过渡回到可变形两轮构型，则遵循了图9中蓝色虚线.统一电机开始向后旋转，以降低机器人本体和尾杆的高度，引导它们缓慢下降至接近地面。

　　在传统双旋翼飞行器的姿态控制系统中，由伺服舵（servo flaps）产生的惯性扭矩通常与机身姿态调整所需的目标扭矩相抗衡，这一现象为飞行器的控制带来了显著挑战。在MTABot的设计中，这一问题得到了有效解决。

　　具体来说，在MTABot的姿态控制系统中，伺服舵的惯性扭矩实际上有助于实现目标姿态的控制。

　　基于此，MTABot能够利用传统的单刚体运动模型来进行控制器设计，无需复杂修改。

　　实验所用MTABot原型机采用碳纤维材料制成，同时关键承力结构使用了铝合金制作。在滚动模式下，MTABot长度为 620 毫米，宽度为 578 毫米，车轮直径为 356 毫米。在飞行模式下，MTABot的螺旋桨轴距为468毫米，高度为530毫米。

　　最高速度可达1.35米/秒，与正常人类步行速度接近。图10 越障实验的时间顺序。(a) 高障碍攀爬实验，高度为220 mm。(b) 低障碍物攀爬实验，高度为110 mm。

　　如图10所示，MTABot在室内进行了多轮攀爬实验，主动轮的旋转角度在不同测试中有所变化。在图10(a)的条件下，设置了220毫米高的障碍物，超过了MTABot车轮半径的1.2倍。而图10(b)展示了一个较低的障碍物，高度为110毫米，大约是MTABot车轮半径的0.6倍。

　　图11总结了MTABot在不同主动轮旋转角度下，穿越两种尺寸障碍物的成功率。成功率计算取决于车轮的角位移，较小的角位移通常与较高的成功率相关，最高可达100%。

　　图11中的数据反映了MTABot克服不同高度障碍物的性能。较大的障碍物需要更大的角位移，而较小的障碍物则需较小的角位移即可。在图10(a)条件下，MTABot利用较大的角位移成功攀越了超过车轮半径1.2倍的障碍物；

　　图12 地空转换结果。(a) 地空转换的时间顺序。(b) 对应于 (a) 的 3D 轨迹点。(c) 对应于(a) 的位置

　　图12呈现了实验结果，其中图12(a)显示了从综合运动视频中抓取的静态帧。为了更清楚地展示机器人在每个阶段的姿态，图12(c)和(d)使用色块进行了区分。

　　1) 机器人以滚动模式平稳移动，对应于图12(a)中的0:00标记以及图12(c)和(d)中的首个红域。

　　实验结果证实，机器人能够在不到15秒的时间内从滚动模式切换到飞行模式，反之亦然。

　　图13提供了与其他几种典型陆空机器人的比较分析，这些机器人包括Quadrolltor、SytaB 、BogieCopter、Skywalker、LEO、M4和DoubleBee。从展示的数据来看，MTABot在空中的效率表现卓越。在地面效率方面，只有DoubleBee超过了MTABot，但由于DoubleBee的数据没有速度限制，因此无法明确判断其是否真的优于MTABot。综合来看，MTABot在地空机器人中展现了领先的能效，这突显了其设计的简洁性和高效性。

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