服务机器人是主要应用于生活领域的集机械、电子、通信等多学科交叉技术的智能系统。相比于轮式、足式、履带式等单一式行走机构,轮腿、轮履、足履等复合式行走机构的优势在于可以把多个单一式行走机构的优点进行融合,并有效提高行走机构对环境的适应性,但存在结构复杂、难以控制、实用价值低和难以普及等方面的不足。本文提出一种“刚柔耦合”可变形的机器人行走机构,并对机器人进行系统设计。该行走机构能够根据不同环境变换相应行走模式,实现不同复杂环境下平稳运行的目的,并将该行走机构应用于局域派送机器人,拟解决“最后一公里”的物品传递难题,以改善当前短距离物品传递仍然靠人力完成的现状。论文主要内容如下:(1)提出“刚柔耦合”可变形行走机构的构思并对其进行运动学分析。在分析不同环境结构特点的基础上,提出刚柔耦合轮的设计思路,并进行运动过程模拟;对刚柔耦合轮进行具体化设计和轮辐数量研究;通过运动学分析,建立两轮角速度和位姿的数学模型,得到行走机构零半径转向与直行的运动学条件,为机器人行走机构的控制提供理论依据。(2)对刚柔耦合可变形行走机构的越障性能、爬坡性能和攀爬楼梯稳定性能进行研究。在越障性能分析中,研究摩擦系数、质心偏移距离、轮半径等结构参数与越障高度的影响关系;在爬坡性能分析中,获得摩擦系数、质量比、尺寸比等结构参数对爬坡角度的影响规律;以机器人在攀爬楼梯过程中质心波动程度作为评判机器人稳定性的依据,运用Adams对三种模型进行仿真分析,得到在楼梯攀爬过程中质心波动对比图。结果表明,在“跨越型越障”和“滚动伸出型爬坡”模式下,刚柔耦合轮极限越障高度和极限爬坡角度分别为504mm和45.8°,且楼梯攀爬过程中质心波动曲线方差为0.993。上述研究为提高机器人综合性能以及在不同环境下机器人运动策略和系统设计奠定理论基础。(3)基于刚柔耦合轮理论分析,进行机器人结构设计及仿真分析。以越障性能和爬坡性能分析为理论基础,完成机器人整体结构设计;基于模态分析进行随机振动研究,并进行减震脚与齿轮强度校验。结果表明,以国标随机振动实验谱为激励得到固有频率为33.709Hz远高于共振频率2.7Hz,机器人不会因所述激励发生共振,并且满足强度要求。(4)对局域派送移动机器人系统设计及样机搭建,并进行越障、转向、直行、斜坡和草坪实验。以质心偏移楼梯倾角基线距离为衡量机器人楼梯稳定性的依据,并进行攀爬楼梯实验。结果表明,机器人以0.2m/s速度上楼时质心偏移倾角小于10.9mm,落脚点距台阶中点距离小于7mm;机器人以0.03m/s速度进行转向和直行实验,得出转向和直行误差分别小于8.023mm和13.4mm的结论。以上研究验证结构设计的合理性和越障理论分析的有效性。