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。
图1
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。
图2
面向现有陆空机器人本体结构优化与非结构化环境适应性难以兼具这一问题，来自哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室的科研团队进行了深入研究，并将研究成果“MTABot: An Efficient Morphable Terrestrial-Aerial Robot With Two Transformable Wheels”以Research Article形式发表在《IEEE Robotics and Automation Letters》上。
图3
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。
该论文作者包括了克石、蒋在南、马丽艳、乐琪、金明和五人。
▍MATBot结构设计与优化
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。
图5 MATBot机器人综合结构图
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。
图6 MTABot的电气架构，其中绿线表示逻辑电路，红线表示电源电路。
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。
- 变形轮的设计与优化
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
- 多功能附件的设计与优化
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。
▍MATBot控制策略
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。
- 滚爬爬升模式控制
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。
- 地空转换策略
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。
图9 地空转换步骤。绿色虚线代表地对空过程，蓝色虚线代表空对地过程。
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中蓝色虚线所示的过程：
1.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。
2.在机器人稳定后，依次对每个轮子进行操作：锁定一个轮子保持不动，同时翻转另一个轮子，确保其安全着陆并处于正确的方向。完成一个轮子的翻转后，再对另一个轮子执行相同的操作，直到两个轮子都完全翻转至位。
3.当两个轮子均稳固在地面上时，它们将同时前进，推动机器人的本体上升并越过任何可能存在的小障碍，直至机器人回到正常的滚动姿态。
4.活动的wheg（轮腿）组件通过变换电机的作用重新定向到它们的起始位置，确保机器人可以以两轮模式平稳地继续行进。
- 飞行模式控制
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。这意味着，MTABot在保持控制简便性的同时，也确保了飞行的稳定性和准确性。
▍MATBot实验测试
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。
- 滚爬模式实验
MTABot的滚动和攀爬模式测试是在室内环境中通过遥控进行的。在平坦地面上，MTABot的运动速度被评估，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
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；而在图10(b)中，面对仅0.6倍车轮半径的小障碍物，它采用了更小的角位移，并以更快的速度提高攀爬效率，在5秒内完成了整个攀爬过程。
- 地空转换实验
机器人完成地空变换的实验包含五个连续阶段，期间它成功地越过了障碍。为保持视觉清晰性，在变形过程中，伺服电机的转速被限制在最大输出的10%。实验在室内环境中进行，并利用NOKOV动作捕捉系统以60赫兹的频率收集数据。
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。
整个地空变换过程描述如下：
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)中的首个红色区域。
2) 从滚动模式过渡到飞行模式，涵盖0:00至0:07时间段及绿色区域，在此期间俯仰角快速旋转了111度。
3) 飞行模式阶段，在图12(c)和(d)的蓝色区域中的0:12至0:17时间点，机器人保持姿态稳定。
4) 从飞行模式回到滚动模式，涉及0:23至0:38时间段和黄色区域，姿态重新调整为滚动模式的数值。
5) 机器人恢复滚动模式，对应于0:38时间点和第二个红色区域。
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。在滚动模式下，机器人展现出高度稳定性，重心波动控制在2毫米之内。而在飞行模式下，机器人能够有效地平衡姿态和高度，顺利越过障碍物。这些成果为支持机器人多模式移动性提供了有力的数据，并验证了其设计的可行性。
- 功效验证
对于MTABot的能耗，研究人员也通过功率计进行了测量。测试结果表明，当电机在平坦地形上以1米/秒的速度滚动时，其功率消耗为9瓦；而在飞行模式下，功率消耗上升至330瓦。为了评估MTABot的功率效率，研究采用了重量功率比（单位为克/瓦），得出其在地面上的效率为244.44 g/w，在空中的效率为6.67 g/w。
图13 MTABot 和其他陆空机器人的电源效率
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。
▍研究贡献
该研究的主要贡献包括：
开发了一种具有三种模态的变形陆空机器人设计，该设计集成了可变形轮和双旋翼飞行单元。
通过对车轮半径、扇形角度以及轮轴相对于机器人重心（BCoG）的位置偏移等关键参数进行精细优化，显著提升了机器人在攀爬坡度和执行陆地及空中机动时的性能。
通过进行爬楼梯和地空转换实验，验证了MTABot在应对多样化地形方面的卓越能力，并展示了其在功率使用上的高效性能。
参考文章：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10380664
