当前，随着机器人技术的飞跃发展，在救援抢险、考古探测、星际探案、军事战争和反恐行动中越来越多地出现了移动机器人的身影。它们代替人类进入到高危环境，甚至是人类无法达到的区域完成救援、侦查、设备检测和信息采集等作业任务，极大地拓展了人类的可达空间，为人类克服极端恶劣环境，探索未知世界提供了强大的技术支持“。
按照移动方式划分，移动机器人可分为轮式、履带式和多足步行仿生式同。其中，轮式机器人主要适用于车轮半径大于地面不平度这种相对较为平坦的地形，具有移动迅速和噪声低的优点。相对于轮式机器人，履带式机器人地形适应性稍强，可用于较为松软的崎岖路面，但对于山路或废墟等障碍物突出的地形条件，则暴露出其机动性差移动速度慢和噪声大的缺点。多足步行仿生式机器人是依据仿生学原理，模仿昆虫身体结构和运动特性而设计的0，其运动轨迹是一系列离散的点，相比于轮式和履带式的面接触方式，这种点接触地面的方式对地貌的破坏程度要小，而且针对崎岖地形可以选择最优的支撑点，无需连续的路径来支撑机器人本身，因而具有更强的越障能力和运动灵活性，对于复杂多变的非结构化地形条件具有更强的适应性。多足步行机器人典型结构主要有双足、四足、六足和八足4种，一般来说，足数越多，机器人的移动稳定性就越强，而且在其中一条腿损坏或者踏空的情况下依旧能够调整姿态，确保运动的平稳性。此外，冗余的腿还可以充当机械臂使用，拓展了机器人的功能和应用范围。但过多的冗余结构也会大大增加机器人结构及其控制方法的复杂性。
综合考虑各类移动机器人的优缺点，本文提出一种轮腿复合式仿生机器人的设计方案，能够根据地形条件变换成六足和轮式两种移动模式，兼具良好的机动性能和越障能力，从而对复杂多变的非结构化工作环境具有更好的适应性。
1 轮腿复合式仿生机器人的结构设计
1.1腿部结构设计方案
该仿生机器人躯干采用六边形结构，六条腿沿圆周对称分布，多个对称面可以使机器人拥有更多的前进方向，并可实现零半径转弯，相比于矩形身体结构有着更强的转向灵活性同。机器人腿部结构设计仿照昆虫的步行足结构，如图1所示，昆虫的步行足由基节、转节、股节、胫节和附节5部分构成，节间由膜相连，可实现一定角度范围内的转动。昆虫在行走时附节与地面接触，增加腿部与地面的附着力，但并不起到支撑作用，整个身体是由其余4节负责支撑，而这4节中转节部分处于基节和股节之间，比较短小。因此，在遵循昆虫腿部原型特征的基础上，将仿生机器人的腿部设计为3节结构，分别为基节、股节和胫节（图2），基节与躯干通过腰关节相连，基节与股节间通过髋关节相连，股节与胫节间通过膝关节相连。其中髋关节与腰关节的轴线相互垂直，与膝关节的轴线相互平行。
仿生机器人样机模型如图3所示，每条腿有3个转动关节，即6条腿总计有18个转动副，每个转动副有1个自由度。每条腿的足部与地面间可以呈任意角度接触，且不发生滑动，可以视为拥有3个自由度的球面副，6条腿总计6个球面副。根据Kutzbach-Grubler 空间机构自由度计算公式：
由此可知，六足仿生机器人是一个具有六自由度的空间并联机构，其18个转动关节分别由舵机驱动，驱动数量为18，超过了机器人的总自由度数，说明该机构具有冗余自由度。冗余机构的优势在于能够在运动控制中实现对关节角速度、角加速度、关节力矩的最小化，达到节约能耗的目的，而且工作空间不受奇异点限制，更有利于实现避障。
1.2轮式结构设计方案
在仿生机器人躯干上沿圆周对称分布的6条腿中选择对角线方向上的4条腿，分别在其胫节部位安装一个由直流减速电机驱动的全向轮。当这4条腿膝关节处的舵机驱动膝关节向内旋转90°时，胫节上的全向轮完全着地，如图4所示。同时，非对角线上的两条腿膝关节处的舵机驱动膝关节既可以向外旋转一定角度，呈上扬状态，也可以向内旋转90°，两种情况下，这两条腿的胫节都是完全脱离地面，不会影响机器人的移动。此时整个机器人仅由4个全向轮着地，从而实现了仿生机器人由六足向四轮模式的转化，如图5所示。此外，由于该仿生机器人机体质量较大，因此，在底盘下方中心位置可安装一个万向轮，起到辅助支撑的作用，改善4个全向轮的承载状况，如图4所示。在四轮驱动模式下，利用全向轮的结构特点，仿生机器人可以实现前进、后退、转弯、横行等多种移动模式，在平坦地面上具有良好的灵活性和机动性能。
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