移动机器人由于在未知环境下的高适应性能,使其在地理测绘、太空探索、军事反恐和警用侦察等领域有广泛应用。移动机器人可以根据行进机构的拓扑结构分为四种类型:轮式,腿型,履带式和复合型。其中轮腿式机器人被认为是下一代最可靠的移动机器人,它继承了轮式和腿式机器人系统的优点。同时具备轮式机器人高速、高效的运动特性和腿式机器人优秀的越障能力。所以在面向城市的复杂环境中,如狭窄巷道、攀爬楼梯时,轮腿式机器人拥有独特的优势。轮腿机器人系统集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体。本文首先分析了国内外机器人尤其是轮腿式机器人和城市环境机器人的发展现状以及研究趋势,提出了一种面向城市环境的五星型轮腿式机器人。基于面向城市化的应用需求,参数化设计了轮腿式机器人的机械结构,达到了小型化、高机动性和可搭载设备等要求。并完成了机器人通过平地、楼梯等环境的稳定性分析。然后介绍了机器人本体、遥操作控制系统和小型机械臂的硬件电路设计和实时控制操作系统软件设计。系统的硬件设计采用模块化分层级的设计理念,保证了运行的稳定性和可拓展的要求。系统的软件设计采用实时操作系统保证了系统的可靠性。远程控制箱上位机软件和机械面板均考虑了操控者人机交互的良好性。接着基于以上设计的硬件平台,依靠绝对码盘提供的传感信息,实现对其轮腿位置进行调整和控制,优化机器人在平地、上坡时的扭矩输出,提高其运行效率。还采用了虚拟样机和联合仿真等技术,仿真并优化了轮腿式机器人攀爬楼梯时基于机器人姿态位置的运动控制算法。最后,在机器人承担城市环境巡检等功能时,需要提升机器人的局部自主能力,实现SLAM(Simultaneous Localization And Mapping,即时定位与地图构建)等功能。本文采用激光雷达和绝对码盘里程计,在机器人本体搭建了ROS(Robot Operating System)机器人操作系统,实现了对机器人控制、信息采集、实时地图构建、自主定位和导航等功能。