1 引言

移动机器人作为服务机器人的一个重要分支，在社会上已经得到了广泛的应用，它被用于操作人员很难或无法达到的危险环境中，如紧急救援、军事侦察、航空航天探测和地下探测[1,2]。目前，移动机器人大致可分为两类:轮式机器人和腿式机器人。尽管它们在某些情况下已经被成功应用，但它们在崎岖和复杂地形上的应用是有限的。前者被车轮的半径所阻挡，后者被限制在复杂的控制系统中。研究者们提出了各种各样的方法去解决这些问题，例如：特殊的车轮结构[3,4]，被动悬架结构[5-7]，或具体的控制策略[8]。然而，值得一提的是，轮式或腿式机器人只适合于特定的地形，不适合多变的地形。

轮腿式机器人被认为是另外一种选择方案，这种机器人结合了轮子和腿的优点，提高了它在平坦和崎岖地形上的可操作性和通行能力。考虑到这一点，在过去的几十年里，轮腿式机器人已经成为学术界和工业界的研究热点。基于传统的轮式机器人进行改进是制造轮腿机器人最受欢迎的一种的方法。随着车轮结构的改进，轮式机器人能够爬上很难被普通轮式机器人克服的障碍物。例如：Whegs系列[9-13]、IMPASS[14]、Loper[15]、Asguard[16]和RHex系列[17-21]。这种机器人也被称为旋转腿机器人[22]。这些机器人的轮子是没有轮辋的，仅仅靠辐条移动。辐条帮助机器人爬上障碍物，就像足式机器人做的那样。不同于复杂的足式机器人，这些旋转腿机器人大大简化了整个结构和控制系统。然而，它们牺牲了传统轮式机器人的稳定性和操纵性。除了旋转腿机器人之外，还有通过其他的解决方案来获得轮腿式机器人的，比如步进式三轮机器人[23,24]，[25]。所有这些机器人都是由特制的轮腿结构或额外的机械装置组成，它们通常是为适应复杂地形而设计的，这对轮腿机器人的紧凑设计是不利的。

为了解决这些问题，一种可变形的轮腿式移动机器人得到了更多的关注。它通常采用一种可转换的机制，改变了轮式模式和腿式模式下的运动状态。在平坦的地形上，轮式模式被开启，机器人可以进行平滑、高速和灵活的运动。在崎岖的地形上，腿式模式是用来克服障碍的。与传统的轮足式机器人相比，可变形的轮足式移动机器人能够根据地形选择更好的运动状态。因此，他们可以适应不同的环境，高速和高效的攀爬。这种可转换的机制对这类机器人来说至关重要，过去的几十年见证了这一机制的发展和成就。

Tadakuma把机器人的每个轮子分成三个连续的部分，由两个关节负责连接。然后，他在每个关节上加了马达，并制造了一个名为Armadillo-Inspired的可变形的轮腿式机器人[26]，马达驱动轮子扩展，形成类似于腿的结构。同样地，chen把轮子分成两半，变换成了一条腿。他称其为TurboQuad [27]。值得注意的是，由于这两个机器人中必须插入额外的驱动，使得它结构不紧凑，同时也消耗了更多的能量。为了减少能源消耗，Kim在不使用电机的情况下，通过一种特殊的触发装置实现了机器人在轮式模式和腿式模式之间的转换。这种新型机器人被称为Wheel-Transformer 机器人[28,29]。与上述半径扩展不同的是，另外一些研究人员则利用轴向推拉来实现工作模式之间的转换。Shen 和 Chen将每个圆轮子分成c型腿，沿轴方向折叠两个半圆，发明了Quattroped[30,31]。基于折纸工程理论，Lee设计了一个折纸轮转机器人[32]。不同于改变机器人轮子的结构，Zhou通过变换机器人的整个身体，使得机器人从两个圆形的轮子延伸出四条半圆型的腿来，并将其命名为Claw-Wheel 可变形机器人[33]。对于轮腿式机器人来说，另一个重要因素就是转换后的工作状态的维持，She提出了一个可转换的轮式机器人[34]，它通过物理接触来保持机器人的工作模式。