该文为一项原创性研究，研究了正八面体可变形陆空两栖机器人的设计与分析。本文的主要作者为韩书葵、王振营、节茂岩，均来自北华航天工业学院机电工程学院，研究成果发表于《Journal of North China Institute of Aerospace Engineering》2021年2月的第31卷第1期。
随着无人机技术与陆地机器人的快速发展，尤其是在抢险救灾、危险环境监测等特殊领域的广泛应用，机器人技术面临着更高的要求。在这些应用场景中，陆空两栖机器人作为一种新型的跨介质机器人，具备了既能在空中飞行跨越障碍，又能在陆地上行驶的能力。相比传统机器人，陆空两栖机器人既能灵活地在地面进行移动，又能够快速飞行，具备了空中飞行速度快、机动性强、能够跨越地面障碍和垂直起降等优势。因此，如何设计一种高效、灵活、可靠的陆空两栖机器人成为了科研人员的重要课题。
本文基于正八面体翻滚机器人进行研究，提出并设计了一种新型的可变形正八面体陆空两栖机器人。该机器人具备地面翻滚与空中飞行两种运动形式，可以在不同环境下执行任务。文章旨在探讨该机器人在地面和空中的运动学、动力学模型，设计其各个模块，并通过仿真验证其可行性。
研究包括了多个步骤，首先是整体结构设计，接着进行了各个模块的详细设计与分析，最后通过仿真对所设计的机器人的性能进行了验证。
研究中的机器人由多个模块组成，包括12个伸缩单元模块、6个顶点模块、1个载荷体模块、6个旋翼模块、传动机构及连杆机构。机器人在初始状态下为正八面体，其设计尺寸为最大长度734mm，最大宽度710mm，最大高度587mm。通过这种结构，机器人能够实现两种运动模式：在地面上通过伸缩模块的调节改变重心，进行翻转运动；在空中则通过调整旋翼的姿态，控制飞行方向及轨迹。
伸缩模块的设计主要包括驱动电机、伸缩杆等构件，通过调节伸缩杆的长度改变机器人的重心位置，实现地面翻滚运动。旋翼模块则由传动模块通过双万向联轴器传动，驱动旋翼进行旋转，支持机器人在空中的飞行。
通过对机器人自由度的计算，得出该机器人自由度为12。这一自由度的计算基于运动副数与连杆数，并结合实际的结构形式进行分析。计算表明，机器人在飞行及翻滚过程中可以实现稳定的运动，并具备确定的运动轨迹。
动力学模型的建立是该研究的重要步骤，机器人在飞行过程中受到的力和力矩包括升力、反转矩、空气阻力、陀螺效应力矩等。通过对这些力的分析，得出了一系列的动力学方程，包括升力与旋翼转速的关系、阻力模型及陀螺效应转矩的计算等。通过仿真软件，验证了所提出的动力学方程的正确性，仿真结果显示机器人能够稳定飞行并具备较强的机动性。
研究还对机器人的气动性能进行了分析，特别是旋翼在不同倾转角下的气动干扰情况。仿真结果表明，旋翼在倾转角为30°、60°、90°时，气动干扰情况有所不同，这对于飞行器的稳定性与控制精度有重要影响。同时，在地面翻滚运动的分析中，基于零力矩点（ZMP）原理，研究了八面体结构在翻滚过程中的表现，结果表明，机器人具备优异的地面翻滚性能。
在仿真过程中，研究者使用了ADAMS仿真软件，结合参数设定、约束条件与驱动函数，模拟了机器人的运动过程。通过计算得到了伸缩杆的位移、速度等数据，验证了伸缩模块的设计能够满足运动要求。此外，机器人在地面翻滚时，质心变化平稳，说明机器人的重心控制得当，有助于稳定运动。
研究的主要结果包括：
这些研究结果为跨介质机器人技术的发展提供了重要的理论基础和应用参考。该研究为无人机与地面机器人相结合的新型机器人系统提供了新的设计思路，具有较大的科学价值与应用潜力。
该研究通过设计正八面体可变形陆空两栖机器人，详细分析了机器人的运动学、动力学模型，并通过仿真验证了其设计的可行性与稳定性。研究结果表明，机器人能够实现地面翻滚与空中飞行两种运动模式，具有较强的适应性与灵活性。这一研究不仅为跨介质机器人系统的设计提供了新的思路，也为无人机和地面机器人在复杂环境中的应用奠定了理论基础。
该研究的亮点包括：
这些创新为跨介质机器人技术的研究提供了新的理论依据，也为未来的工程应用提供了重要参考。
未来的研究可以进一步优化该机器人系统的各个模块，提升其在复杂环境下的适应性与可靠性。此外，在实际应用中，如何提高机器人的控制精度、降低能耗、提升稳定性等方面仍然是亟待解决的问题。因此，未来的研究还需关注机器人系统的实时控制与反馈机制的优化，以提高其在动态环境中的表现。