该文档为一篇关于新型可变形地面/空中机器人设计与建模的原始研究论文。文章的主要作者包括He Wang、Jiadong Shi、Jianzhong Wang、Hongfeng Wang、Yiming Feng 和 Yu You，均来自北京理工大学的机电工程学院和生物仿生机器人与系统重点实验室。该研究于2019年2月4日发表在《International Journal of Aerospace Engineering》期刊上。
随着科技的不断进步，地面和空中机器人因其在复杂地形中的应用潜力而受到越来越多的关注。传统的四旋翼机器人（quadrotor）在执行任务时，虽然能够提供灵活的空中移动，但其能耗较高，且无法在复杂地面环境中灵活移动。地面机器人在执行任务时能够更加节能高效，但却面临着不能跨越大型障碍物等局限。因此，结合地面和空中运动能力的机器人应运而生，成为了机器人学领域研究的热点之一。
本研究旨在设计一种能够在地面和空中模式之间自由切换的可变形机器人，利用机器人可以在不同环境中灵活地变换运动模式，不仅可以增加其工作范围，也能显著提高其工作效率。该机器人采用了共用驱动轮的设计理念，即不单纯地将四旋翼加装在轮式地面机器人上，而是通过可变形机构使两种模式的运动共用一部分结构或驱动装置，以避免增加机器人的重量和设计复杂度。
本文的研究工作分为以下几个主要流程：
机器人平台设计与结构分析：本文首先描述了机器人平台的总体结构。该机器人平台主要由三个部分组成：地面运动部分、模式转换部分和飞行部分。地面运动部分采用了两轮差动驱动结构，能够稳定地在地面上运行；飞行部分则采用四旋翼结构，能够稳定地进行飞行；模式转换部分通过伺服电机驱动，实现地面与空中模式之间的转换。
驱动轮设计：驱动轮的设计对该机器人至关重要。在地面模式下，驱动轮的外侧使用碳纤维支架，能够有效保护四旋翼的转子免受障碍物的干扰。在飞行模式下，驱动轮则承担起四旋翼的电机安装位置，转子和电机被安装在轮子的中心，通过交叉分布来控制飞行姿态。
可变形机构的设计与分析：地面模式与空中模式之间的转换是通过伺服电机驱动的，可变形机构通过旋转180°来实现地面与空中模式的转换。研究者在设计过程中特别注意避免轮子与平台之间发生碰撞，确保变换过程顺利进行。
动力学与运动学建模：为了验证所设计的机器人能够有效转换运动模式，本文建立了运动学和动力学模型，尤其是地面模式到空中模式的转换过程。运动学建模通过等效角轴表示法描述了轮子位置和伺服角度之间的关系；动力学建模则通过力学分析计算了伺服电机输出的扭矩，考虑了地面摩擦力和重力等因素。
实验验证与数据分析：为了验证所提出的设计方案和模型，研究团队制作了物理原型，并通过一系列实验对机器人在不同模式下的性能进行了测试。实验结果表明，该机器人在不同的地面和飞行模式下都能够高效运行，且能够有效越过或绕过大障碍物。
机器人地面模式与飞行模式的能效对比：实验结果表明，机器人在地面模式下的运行时间和运行距离大大高于飞行模式。具体来说，使用相同电池时，机器人在地面模式下可运行23040秒，行驶34560米，而在飞行模式下仅为698秒，行驶1396米。这表明地面模式能够显著延长机器人的工作时间和扩大工作范围。
伺服电机输出扭矩测量：在进行模式转换过程中，研究人员通过动态仿真与实际实验相结合，测量了伺服电机在不同地面条件下的输出扭矩。实验结果与仿真结果趋势一致，证明了动力学模型的准确性。
实验数据与动力学模型验证：实验结果支持了运动学和动力学模型的假设，尤其是在地面与空中模式转换过程中，伺服电机的输出扭矩达到最大值的时刻与预期一致。此外，研究还揭示了由于地面不平整以及伺服电机效率降低等因素，实验结果与理论结果之间存在一定的偏差。
本研究提出了一种新型的可变形地面/空中机器人，成功实现了地面与空中模式之间的平稳转换。通过共用驱动轮结构，机器人能够在地面和空中环境中高效运行，避免了增加重量和设计复杂度的问题。实验验证表明，机器人在地面模式下的工作效率显著高于飞行模式，能够完成更长时间和更远距离的任务。
该研究不仅为多模式机器人设计提供了有价值的参考，也为飞行汽车等多用途机器人的研究开辟了新的方向。在未来的工作中，研究团队计划进一步优化可变形机构和伺服电机控制算法，以提高机器人的响应速度和稳定性，进一步提升机器人的性能。
可变形驱动机制：本研究最为突出的创新之处在于采用了共用驱动轮的设计理念，通过可变形机制实现地面与空中模式的转换，从而避免了传统方案中额外增加的复杂结构。
运动学与动力学模型的准确性：研究团队通过精确的运动学与动力学建模，成功验证了该设计方案的可行性，并通过实验结果确认了设计的合理性。
能效优化：通过实验比较，本文展示了地面模式在能效上的优势，为未来节能型机器人设计提供了理论依据。
本研究的成果为多模式机器人，特别是地面与空中切换机器人的设计和优化提供了新的思路，具有重要的科学价值和应用潜力，尤其在应对复杂地形、执行长时间任务和跨越障碍物等方面具有显著优势。