本文为一篇关于小型陆空变形两栖机器人设计与分析的研究文章，作者团队包括杨展、李其朋、唐威、秦可成、陈岁繁、王铠迪、刘阳、邹俊，单位分别为浙江科技学院机械与能源工程学院、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室、安徽理工大学机械工程学院，文章发表在《工 程 设计 学 报》（Chinese Journal of Engineering Design）的2023年第30卷第3期。
本文关注机器人技术跨越式发展的领域——具有地面移动与空中飞行能力的两栖机器人。机器人应用在军事、农业、救援等领域已十分广泛，但空中机器人尽管灵活性强，消耗能量大、续航能力较差，且部分应用场景下的运动稳定性不如陆地机器人。因此，研究能够地面行走和空中飞行的两栖机器人，适配复杂环境和多任务需求，成为一个重要研究方向。针对现有两栖机器人在尺寸、灵活性与运动效能上的不足，作者团队提出一种小型陆空变形两栖机器人的设计方案，旨在为未来多功能机器人设计提供参考。
该研究的主要目的是设计并验证一种小型陆空变形两栖机器人，能够在地面和空中模式之间切换，以实现高效地面移动和灵活飞行。研究目标还包括验证其模式切换的可行性、稳定性及能量效率，评价其在复杂环境中的适用性。
研究设计的两栖机器人具备圆柱体结构，配有半球形两侧，设计优化其空间定位能力和控制精度。机器人分为地面移动模式和飞行模式，通过倾转支撑机构实现两模式切换。其主要部件包括4个无刷电机、4片桨叶、2个步进电机、2个驱动轮、4条机臂、飞控系统、电池及缓冲圆筒等。其中，飞行模式采用四旋翼驱动方案，地面模式采用两轮差速驱动方案。
机器人控制系统包括主控模块、操控模块、地面/飞行模块、变形模块、电源模块及感知模块。
以碳纤维材料为主，研究团队设计了机臂的三维模型，其外端装有缓冲圆筒，以保证地面模式稳定性及飞行动作顺畅。同时，通过无刷电机数学模型和桨叶模型，推导飞行升力公式和桨叶能效表达式。通过实验计算，团队最终得出机器人飞行动力系统的总力效为5.09，无刷电机间的最佳轴距为33厘米，并选定适配的桨叶长度为20.32厘米。
通过数学建模分析了模式切换过程中的运动特征，对地面模式切换至飞行模式这一正模式切换的动力过程进行了详细推导： - 计算机器人转动角度（α）、机臂转动角度（θ）以及投影长度（ι），推导与重心上升高度（h）的关系； - 使用舵机扭矩、拉力模型，精确刻画正、逆切换的特性以及力学行为。
运动学方程表明，无论机器人处于正向还是反向切换过程中，其核心参数表现符合设计预期。
研究团队通过Matlab对舵机输出扭矩进行仿真，并在物理样机上进行验证。数据显示： - 在正模式切换中： - 面朝地面的舵机输出扭矩在中心轴转动达到65°时出现突变。 - 拉力从11.16 N减小至0 N，整个切换顺畅。 - 在逆模式切换中： - 拉力从0逐渐增加至11.39 N，转动达到竖直状态后完成平稳切换。 物理样机试验结果与仿真表现一致，证明切换过程稳定。
团队以满电状态分别测试了两栖机器人在地面模式与飞行模式下的运行时长和移动距离： - 地面模式下续航时间为10,200秒，约170分钟，移动距离4,080米。 - 飞行模式下续航时间为900秒，仅15分钟，移动距离1,350米。 结果表明，地面模式显著降低能耗并延长机器人的续航，地面续航时间是飞行模式的11.3倍。
物理样机在草地上进行了完整的任务测试，包括地面移动、转弯起飞、空中悬停与降落等任务。机器人按照预定轨迹完成了所有测试任务，表明其设计整体符合复杂环境运行预期。然而，实际装配误差导致的机臂响应速度偏慢提出了未来优化需求。
作者团队成功设计了一种小型陆空变形两栖机器人，集地面行走与空中飞行于一体，研究表明： 1. 模式切换运动学建模准确，为机器人关键参数设计提供了重要依据。 2. 实验验证了机器人多运动模式的可行性和稳定性，地面模式在能量消耗和机动性上具有明显优势。 3. 机器人具有应用多样性，能够适应复杂环境，如灾难现场监测或军事侦察。
亮点： - 独特的双模式切换设计解决了复杂环境下两栖机器人体积大、机动性差的痛点。 - 提供了详细的运动学模型和精准的实验验证。
未来改进方向： - 优化模式切换过程以提升平滑性及稳定性； - 通过轻量化设计进一步提升地面及飞行性能。
该研究为未来两栖机器人领域的设计与开发提供了新思路，也为工程实践场景铺平了道路。