《Mechatronics》：Development of a novel dual-motor driven wheel–foot transformation mechanism for wheel-biped robots
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双模态轮-足机器人变换机构设计与验证，采用螺旋-螺母驱动与连杆-滑动块槽协同机制，实现轮式与足式模式的快速稳定切换，通过静力学分析与多工况实验验证了机构的高效性与地形适应性。
张金代|张康成|张建林|陈学超|于张国|黄强
北京工业大学机电工程学院，北京，100081，中国
摘要
在复杂环境中平衡移动性和适应性仍然是轮式和双足机器人的主要挑战，这突显了多模态驱动作为关键研究焦点的重要性。本研究提出、设计并实验验证了一种用于轮式-双足机器人的双电机轮-足转换机制，使其能够实现轮式和腿式运动。该机制基于“翻转-展开”设计理念，集成了螺旋螺母驱动、连杆系统和滑块-槽机构，采用同轴双电机布局，实现了轮式和足式模式之间的可靠双向切换。分析了机制切换过程中的传动关系，并根据足式模式下的静力分析优化了连杆长度。无负载模型验证和机器人实验表明，该机制满足了设计要求，能够在不影响机器人整体姿态稳定性的情况下实现稳定、快速且稳健的姿态转换。总体而言，所提出的设计使轮式-双足机器人能够实现多模态运动并适应多种地形。
引言
随着人工智能和机器人技术的快速发展，无人系统在侦察、检测、物料处理和远程操作等领域展现出巨大潜力。特别是人形机器人，它们对复杂环境的适应能力更强，非常适合替代人类执行高风险任务[1]。例如，BHR7P展示了强大的跳跃性能和对不平地形的适应能力[2]、[3]，而JET则实现了爬楼梯等功能[4]。然而，这些人形平台在长时间任务中仍面临移动能力有限和能耗高的问题。为克服这些限制，轮式-双足机器人作为一种混合系统应运而生，结合了轮式运动的高效率和腿式运动的地形适应能力。最近的发展显著提高了它们的运动稳定性和动态性能。例如，Ascento[5]、Ollie[6]和Handle[7]展现了快速转弯和跳跃能力，而BHR-WI[8]和SKATER[9]则能在非结构化地形上保持稳定运行。因此，有效整合轮式和腿式运动的优点是一个极具研究价值的问题。
为了充分利用仿生腿部设计在轮式-双足机器人中的优势并增强其克服高障碍物的能力，人们探索了三种主要方法。
第一种方法是集成跳跃机制或使用大直径轮子。通过轻量化机身设计或高扭矩关节执行器可以实现跳跃能力，如Ascento[5]、Handle[7]和WLR-4P[10]等平台所示，这些研究提供了宝贵的见解。然而，这种方法往往难以平衡负载能力和运动稳定性。另一种方法是使用超过典型障碍物高度的大直径轮子，以提高在复杂环境中的穿越性能，如Ascento Pro[11]和MOBINN[12]所示。不过，这种设计往往会增加系统重量，从而降低整体机动性。
第二种方法为机器人的腿部同时配备轮子和足部结构，它们可以位于同一位置或分开布置，从而实现轮式和腿式模式之间的切换。例如，Zhou等人开发的四足机器人MAX[13]、Jung等人设计的双模态DRC-HUBO+[14]、Namgung和Cho设计的轮腿混合Legway[15]以及我们之前的工作BHR8-2[16]，这些设计都利用膝关节处的活动轮子通过形态变化实现模式切换。Liu等人[17]在SR600-II中进一步实现了现场转换，通过使用螺旋模块来伸缩活动轮子。然而，这种方法通常需要较长的切换时间和较大的操作空间，限制了其在动态环境中的有效性。
第三种方法是将轮子转换为足部或腿部结构，从而实现轮式和腿式运动之间的模式切换。代表性设计见表1。一种常见的方法是使用齿轮或连杆机构展开分段轮面，将接触点延伸到障碍物上方以方便穿越[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。Quattroped[23]和TurboQuad[24]通过电机驱动的翻转或平移实现轮到腿的转换，而Tadakuma等人[25]则利用关节驱动来扩展和收缩大腿和小腿部分。这些设计通常保持轮径和腿长的固定关系，主要应用于四足机器人。还提出了可变直径轮子[26]和折纸轮[27]用于爬楼梯。
对于需要具备爬障碍物能力的双轮式机器人，基于齿轮扩展或连杆展开的变形机制需要较大的结构尺寸和高强度才能实现有效性能，因为受到轮径比例的限制。相比之下，翻转和滑动机制主要适用于四足机器人，因为它们在运动和平衡时具有更大的稳定性裕度。然而，对于双轮式机器人，转换后的结构仍然导致点接触，导致步态运动时稳定性较差。同样，受折纸原理启发的变半径机制也不适合双轮式机器人，因为它们涉及复杂的结构，且其承载能力受到自身质量和体积的显著限制。因此，上述现有解决方案都不适合双轮式机器人所需的可变形轮子。
为了克服双轮式机器人在爬楼梯和穿越障碍物方面的局限性，本研究提出了一种双电机驱动的轮-足转换机制，能够实现轮式和足式模式之间的快速稳定切换。该设计使机器人能够结合轮式运动的移动效率和腿式运动的地形适应能力。轮子结构由六个部分组成，包括一个主动半圆和一个被动半圆。遵循“翻转-展开”原理，主动半圆通过双向螺旋螺母机制同步展开，而被动半圆通过翻转滑块和导向槽的协调运动实现180°翻转和伸缩。采用了两个同轴输出电机；同步操作使轮式和足式模式都能旋转，而异步操作则实现平滑高效的切换。本文的主要贡献如下：
- 1.
提出了一种基于“翻转-展开”设计概念的轮-足转换机制，实现了轮式和足式模式之间的平滑切换，并支持系统的运动学和动力学分析。
- 2.
开发了物理原型，并进行了一系列无负载试验、模型验证测试和机器人实验，以确认机制的功能，验证所开发的模型，并评估其对机器人整体稳定性的影响。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍机制的设计概念。第3节详细介绍了设计方案。第4节建立了轮-足转换机制的运动学和动力学模型。第5节优化了其设计参数。第6节介绍了连杆的仿真、无负载测试和机器人测试。第7节和第8节分别提出了结论和未来工作的方向。
设计概念
所提出的轮-足转换机制的设计概念是将轮子转换为基于“翻转-展开”原理的稳定多点接触结构，如图1所示。翻转机制将被动半圆旋转180°，使其与主动半圆对齐，从而在足式状态下增加接触面积，并利用人形腿部设计的优势。
机械设计
基于上一节中对轮-足模式切换关键技术的分析，本研究采用了螺旋螺母、连杆和滑块-槽机制的组合，以及同轴输出电机布局，用于轮-足转换机制，如图2中的黄色框所示。该机制通过翻转和展开转换实现轮式和足式模式之间的双向切换。它由三个主要部件组成：
建模
在本节中，开发了所提出的轮-足转换机制的运动学和动力学模型，以阐明其工作原理和模式切换期间的动态行为。这些模型不仅作为独立的验证结果，还为机械参数优化和未来控制策略的开发提供了理论基础和设计参考，从而支持多模态的协调和稳定性。
力分布分析
在分析之前，假设所有部件都处于理想位置，并且在每种模式下受到均匀力的作用。在轮式模式下，机制形成闭环配置，连杆不仅受到内部连接力的作用，还受到两侧部件接触力的作用，这有效地减少了连杆和铰链的负载。因此，本研究主要关注分析足式平衡状态下部件上的力
硬件
基于之前的运动学分析和参数优化结果，确定了可变形轮子的关键设计参数。为了满足轮式和足式模式下的扭矩和速度要求，选择了SETZ70FD电机作为关节电机。对于轮-足翻转操作，选择了JM2508电机作为切换执行器。由于切换电机的输出轴在正常运动期间几乎不承受负载，主要驱动丝杠
结论
本文提出了一种新型的双电机驱动轮-足转换机制，能够实现轮式和足式配置之间的现场快速切换。根据每种模式的独特运动特性，我们系统地分析了自锁、同步部署、翻转和双电机驱动方案，并最终采用了一种结合双向丝杠、导轨槽机制和同轴双电机输出的组合设计。传动关系
未来工作
未来的工作将集中在硬件和控制改进上。在硬件方面，将进一步优化轮子轮廓，以降低机制对地面不平整的敏感性。在控制方面，将对双电机同步控制策略进行深入研究，以提高轮式和足式运动期间的控制精度，解决模型不确定性、摩擦和机械反向间隙等问题。CRediT作者贡献声明
张金代：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，方法论，形式分析，数据整理。张康成：撰写——原始草稿，验证，数据整理。张建林：撰写——原始草稿，验证，软件，数据整理。陈学超：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。于张国：项目管理，资金获取，概念化。黄强：监督，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了北京自然科学基金 [资助编号：L252015]的支持。
张金代分别于2018年和2021年在哈尔滨工程大学获得机械设计与自动化学士学位和机械工程硕士学位。他目前在中国北京工业大学的机电工程学院智能机器人研究所攻读博士学位。
他的研究兴趣包括仿生轮腿机器人的机构设计和运动控制。
