本文档属于类型a（单个原创研究报道）。以下为针对该研究的学术报告：
一、研究作者与机构
本研究由马来西亚彭亨大学的Zulkifli Mansor和Addie Irawan*（通讯作者）团队完成，隶属于电气与电子工程技术学院的“机器人、智能系统与控制工程（RISC）”研究组。论文发表于2024年IEEE第12届系统、过程与控制会议（ICSPC），会议于2024年12月7日在马来西亚马六甲举行，DOI编号为10.1109/ICSPC63060.2024.10862712。
二、学术背景
研究领域：该研究属于轮腿混合机器人（wheel-legged robot）的运动控制与多体动力学（multibody dynamics）领域，聚焦于复杂地形下的双足轮腿机器人（bipedal wheel-leg robot, BWLR）的稳定运动。
研究动机：传统轮式或足式机器人在崎岖环境（如山地、岛屿）中灵活性和稳定性不足，而轮腿混合设计可结合轮式高效性与足式适应性。但现有控制框架在双足轮腿机器人的** sprawling机制（趴行姿势机制）**下存在轨迹优化不足的问题。
研究目标：提出一种基于髋关节坐标系（coxa-based coordinate system, CCS）的层级控制框架（CCS-HCF），通过优化腿部运动轨迹，提升BWLR在不规则地形中的导航能力。
三、研究流程与方法
1. 机器人模型与运动学设计
- 研究对象：双足轮腿机器人BWLS（Bipedal Wheel-Leg Robot with Sprawling Mechanism），其腿部为四自由度（4-DOF）结构，包含髋关节（coxa）、膝关节（knee）、踝关节（wheel）及轮子（图1）。
- 运动学模型：采用Denavit-Hartenberg（D-H）转换法建立正向运动学（FK）与逆向运动学（IK）方程（公式1-5），将笛卡尔空间（x,y,z）运动映射为关节角度（θ₁–θ₄）。
- 关键参数：髋关节角度（θₑ）决定机器人姿态（趴行式90°、哺乳动物式0°），拖曳线长度（S₀）和摆动高度（h₀）影响步态稳定性（表II）。
2. 基于CCS的腿部运动轨迹设计
- 五阶段步态（图4）：站立（stand-up）、首步移动（first-move）、后续移动（subsequent-move）、终止移动（final-move）和坐下（sit-down）。
- 首步移动：腿部轨迹为半圆形（公式9），时间间隔0≤t/4。
- 后续移动：引入周期性摆动（公式10-13），时间扩展至5T/4≤t<7T/4。
- 有限状态机（FSM）（图6）：根据髋关节角度θₑ切换步态阶段，实现导航路径规划（表II）。
3. 仿真验证
- 仿真平台：基于MATLAB Simulink的Simscape Multibody（SM）模型，导入BWLS的CAD设计（图7）。
- 验证内容：
- 姿态分析：比较趴行式（θₑ=90°）、过渡式和哺乳动物式（θₑ=0°）的稳定性（图8-9）。
- 参数优化：摆动高度（h₀>0.1m时失稳，最优值0.05m）、拖曳线长度（S₀=0.1–0.4m）和站立高度（Sₕ=0.07m时最佳，图10-13）。
- 时间间隔影响：15秒周期下运动最稳定（图14）。
四、主要结果
- 姿态稳定性：髋关节角度θₑ对初始姿态至关重要，90°趴行式适用于低矮地形，0°哺乳动物式适合高速移动（图8-9）。
- 参数优化：
- 摆动高度：h₀需小于Sₕ的2/3（即0.05m），否则破坏平衡（图11）。
- 拖曳线长度：S₀增大导致腿部运动半径扩大，影响控制精度（图12）。
- 动态过渡：机器人可实现坐-站-行走的平滑转换（图15），验证了CCS-HCF的适应性。
五、结论与价值
科学价值：
- 首次将CCS应用于双足轮腿机器人，通过分层控制框架整合运动学与动力学优化。
- 明确了髋关节角度、摆动高度等参数对稳定性的定量影响。
应用价值：
- 为复杂地形下的救援、勘探机器人设计提供控制理论支持。
- 提出的FSM和轨迹规划方法可扩展至其他混合 locomotion 机器人。
六、研究亮点
- 创新方法：结合生物启发（趴行/哺乳动物姿态）与工程控制（CCS-HCF）。
- 参数化验证：通过多变量仿真（h₀、S₀、θₑ）系统性优化性能。
- 开源贡献：模型基于Simscape Multibody，便于复现与改进。
七、其他
局限性：当前仿真未考虑重力变化与真实地面摩擦，未来需结合强化学习进一步优化控制框架。