移动机器人在很多场合能替代人类完成高强度、高危险性工作,保护人身安全,有着巨大的研究价值及社会效益。野外工作由于地形环境的复杂性与不确定性,这要求在野外工作的机器人具有较高的运动性能,而轮腿式移动机器人属于混合式移动机器人,它具备轮式机器人的高速低能耗和腿式机器人的高地形适应性,常被运用于野外作业、矿山开采、行星探测等非结构化地形环境。对国内外的轮腿式移动机器人进行分类研究,发现以下特点:腿被动、轮主动式控制简单,但地形适应能力有限;腿主动、轮被动式地形适应能力得到提升,但控制复杂;腿主动、轮主动式控制简单,地形适应能力强,但多数采用高性能电机加减速器直接驱动关节来控制腿部运动,机器人在承载能力、能量损耗等方面有待改善。结合 GDA(Gravitationally Decoupled Actuation)方法,设计一种承载能力强、运动性能好且运行冲击载荷平稳的轮腿式结构,运用于整个移动机器人,基于该移动机器人做了系列研究工作。按照降低能耗的原理,确定其轮腿的构型,将关节的驱动电机安装在机器人本体上,通过驱动水平和竖直安装滚珠丝杠带动腿部的运动,轮部与腿部的结合采用铰接加避震的方式。通过结构的受力分析和运动学分析,初步建立运动性能和力学性能评估标准。对单轮腿进行位姿模型的建立,确定轮心点在车身坐标系里的位姿表达式;结合虚功原理和哈密顿原理,建立了机器人的拉格朗日运动学方程式,为轮腿式机器人的优化设计提供了依据。根据位姿模型分析轮腿的包络域,建立以越障性能最大化和攀爬能力最大化为优化目标的优化模型,借助MATLAB工具进行求解,求解结果使优化后的极限攀爬性能提高了 56%,越障性能提高了 18.2%,并确定了轮腿机构的各参数大小。在满足稳定裕度的情况下,对四轮腿机器人进行了步态规划分析;基于优化设计后的参数,借助SolidWorks对轮腿结构进行精确的建模,对三种不同的布局方式进行整车包络域分析,确定了一种整车越障性能最强的布局方式,并在此基础上进行了步态仿真和避震系统的仿真,仿真结果验证了步态规划的合理性,并直观的展示了整个周期的运动过程,还说明了避震系统存在的必要性,特别是在起伏地形下,提高了整车运行过程中的平稳性,改善了受到的冲击载荷情况,为样机制作和控制算法奠定基础。