轮/履耦合式是一种新型的移动组合方式,与传统的轮/履复合式相比,其只有一套行走机构,结构简单而紧凑,可以在轮式和履带式之间灵活切换,兼具有轮式的快速节能性和履带式的高越障性。此移动方式尤其适用于多数为平地偶有台阶障碍的城市化地形,在多数的平地上使用轮式模式,而履带式用于翻越台阶、爬楼等。随着城市化的加快,轮/履耦合式机器人将会发挥越来越大的作用,在地表搜救、星球探测、巡逻侦查、反恐防暴以及爬楼轮椅等军民场合均可采用。目前国内外有不少学者针对轮/履耦合这一新型移动方式展开了研究,但目前的研究资料还较少,大多数停留在了工程经验上,目前并没有一套完整的理论体系。鉴于轮/履耦合机构的实际意义以及目前缺乏相关的理论体系参考,本文结合所设计的多代小型轮/履耦合式机器人,对其整体结构设计、可伸缩履带方案及与地面的交互模型、台阶等障碍的越障模式选择及越障规划、典型负载机械臂对轮/履机器人的越障影响及考虑滑动参数的轨迹跟踪控制等方面展开了深入研究。本文首选重点介绍了小型轮/履耦合式移动机器人的整体结构形式,主要包括行走轮装置、变结构装置、尾杆、箱体四部分。变结构装置安装在行走轮装置内部,行走轮装置不同于普通的车轮,而是需要采用单独定位和同步驱动的内外圈形式,否则其转动时与展开的变结构装置产生干涉,本文针对行走轮装置提出内齿圈的轴承式单元定位方法、一体化集成行走轮、套轴驱动等几种机构方案并比较了其优劣性及适用场合;对变结构装置,提出了一套完整的对称式双四连杆设计方法和一套丝杠驱动设计方法;通过对尾杆在机器人越障中的深入分析,为了提高机器人的越障性能和越障稳定性,提出了配有单向轮的尾杆,并将360°周转尾杆应用在了轮/履机器人上。行走轮装置和变结构装置的形式最终决定了箱体的结构形式,主要考虑驱动电机是否布置于箱体内。可伸缩履带是实现轮/履变结构的最关键部件,按功能可划分为传动层、弹性层和附着层。本文在深入分析了履带齿-轮齿变位系数法有齿履带和无齿摩擦传动带的优缺点,并提出了使用简单同步带和基于主动检测的少齿履带实现方案,分析了各种履带方案的优缺点及合适应用场合。由于机器人在实际工作中可能工作在沙地、黏土等软地面下,在完成内齿传动分析的基础上,基于半经验法建立了不考虑轮刺效应的轮-地交互模型和考虑履齿效应的履带-地面交互模型,研究机器人在不同路面下的沉陷量、牵引特性等。越障性能是机器人的关键指标,其台阶越障性能除了受到轮子和变形机构参数的影响外,箱体的长度和尾杆长度也有影响,所以首先分析了机器人箱体和尾杆参数的确定判据。轮/履机器人具有多种越障模式,当面对不同高度的台阶障碍应选择合理的越障模式通过。于质心法分析了机器人的轮式、履带式、轮式+尾杆式、履带式+尾杆式等几种越障模式的极限越障能力和稳定性分析,制定了机器人的越障模式选择策略及越障规划。多自由机械臂是地面移动机器人最典型的负载,其它多数负载的静态和动态特性都可以通过等效为简化的多自由度机械臂的来分析对机器人越障性能的影响,所以本文从理论上分析了典型负载机械臂对机器人越障性能的影响。轮/履变结构机器人的轮式和履带式都是差速机构形式,这样简化了其控制器的设计。传统的轮/履机器人建模很少同时考虑纵向和横向滑动参数的影响,但是这些滑动参数在机器人的自主轨迹跟踪中具有较大影响。本文建立了轮/履机器人的考虑滑动效应的运动动力学模型,介绍了SR-UKF方法对于滑动参数的估计,由于动力学模型需要考虑的影响因素较多,所以本文基于运动学模型建立了具有自整定参数的Backstepping自适应控制器,仿真结果表明,机器人在自适应控制器能够抑制克服滑动效应带来的影响而实现轨迹跟踪。最后通过样机实验验证了轮/履变结构机器人的速度、爬坡、爬楼等性能达到了课题要求的指标,验证了轮/履变结构方案和可伸缩履带方案的可行性。对机器人在不同模式下平地上的直线性能和零半径转弯等进行了测试,突出了轮/履机器人选择合理模式的重要性;通过几种复杂平面地形以及小崎岖地形测试了机器人的通过性;通过不同高度的台阶选择不同越障模式实验证明了越障规划方法的可行性。