Robot---奇思妙想轮足机器人

1 背景

        传统机器人有足式、轮式、履带式三种移动方式，每种移动方式都有各自的优缺点。轮式机器人依靠车轮在地面上移动，能源利用率高、移动速度快，但是仅以轮子与地面接触，缺乏越障能力和对复杂地形的适应能力，尤其面对高度超过车轮半径的障碍物时尤显不足。

        腿式机器人通过模仿动物来规划机器人的结构和移动步态，使其拥有优秀的越障能力和对地形的适应能力，但腿式机器人的能耗大、速度慢、自由度多、结构复杂，控制难度及续航能力差。

        履带式机器人依靠其较大的接触面积一定程度上能够在松软地面或者凹凸不平的地面上移动，但是仍然难以面对台阶、凸台等复杂地形。

        因此国内外专家学者开始结合轮式和腿式机器人的特点进行设计，综合两者的优势，轮腿机器人逐渐出现在公众视野中。

2 轮腿机器人

        2024年12月23日，宇树科技在发布量产一年后，Unitree B2-W工业轮足（轮腿四足机器人）展示了更多极限技能。同时，宇树科技发布了B2-W工业轮足机器狗通过全地形路段的实拍视频。

        视频中，B2-W工业轮足机器狗可四轮高速原地旋转，还能实现两轮站立和侧边轮翻转等高难度动作。从视频中可以看到，新版本的轮足机器人做出来的动作还是非常酷炫的。

        那么比较早研究轮腿机器人的代表机构是瑞士苏黎世联邦理工学院，下图中的轮腿机器人和特斯拉在一起的画面，还是比较有想象力的。

        本篇博客以瑞士苏黎世联邦理工学院研发的轮腿机器人作为对象进行阐述，该机器人问世时具有诸多独特之处，以下为读者朋友们详细介绍。

2.1 研发背景与团队

        该轮足机器人是苏黎世联邦理工学院机器人系统实验室多年研究的成果，是研究人员在腿式机器人、自主导航和机器人感知等方面长期探索的结晶，旨在融合轮式与腿式机器人的优势，开发出一种能够适应复杂多样环境、具备高效自主导航能力的新型机器人，以满足物流、监控、建筑和安全等领域的实际需求。

2.2 结构设计与特点

• 轮腿结合：机器人的设计创新性地将轮子和腿的运动方式相结合，在平坦地面上，轮子能够提供快速、高效的移动能力，使其像普通轮式机器人一样快速行驶，速度可达 20 公里 / 小时，大大提高了移动效率 。而在遇到台阶、斜坡等复杂地形时，机器人可以切换到四足行走模式，利用腿部的灵活性和适应性跨越障碍，克服了传统轮式机器人无法应对复杂地形的局限。
• 机械结构与材料：其机械结构经过精心设计，具备高度的稳定性和可靠性。例如，轮腿机器人的腿部关节通常具有多个自由度，能够灵活地调整姿态，实现各种复杂的动作。同时，为了确保机器人在不同地形下的稳定性和耐用性，其身体框架和关键部件采用了高强度、轻质的材料制造，如碳纤维等，既保证了机器人的结构强度，又减轻了整体重量，有助于提高能源利用效率和运动性能。

2.3 自主导航

        自主导航方面都是比较老生常谈的话题，基本上沿用了传统机器人的一些算法（可参考之前的博客《自动驾驶---会打架的“球形机器人”》），主要区别还是在控制上的复杂性，随着大模型的发展，相信也会助力机器人的自主导航技术。

• 核心技术：自主导航是该机器人的一大亮点，其采用了分层强化学习技术训练的神经网络控制器。通过大量的计算机模拟训练，使机器人能够学习和理解不同环境下的最佳行动策略，并在实际运行中快速做出决策。这种基于神经网络的控制器能够处理多种类型的传感器输入，如激光雷达、摄像头等所获取的数据，从而精确感知周围环境，在毫秒级内为机器人创建新的导航计划，有效应对复杂多变的现实场景。
• 环境感知与适应：机器人配备了先进的传感器系统，包括但不限于激光雷达、立体相机、GPS 天线等，这些传感器能够实时感知周围环境的信息，如地形地貌、障碍物位置、行人动态等。在自主导航过程中，机器人可以根据这些感知信息，自动调整行驶路径和运动模式，灵活地避开静态和动态障碍物，即使在充满不确定性和随机干扰的复杂环境中，也能实现稳定、高效的导航。
• 定位与路径规划：利用高精度的定位技术，如 GPS 与惯性导航系统的结合，以及基于激光扫描的地图构建与匹配方法，机器人能够准确地确定自身在环境中的位置，并根据预设的目标点生成最优的导航路径。同时，导航系统还采用了分层路径规划策略，先从全局层面规划出大致的路径，再在局部层面进行精细调整和优化，确保机器人能够沿着安全、高效的路径行驶。

2.4 性能优势

• 高效性：在平坦地面上，轮腿机器人的轮式行驶模式使其能够快速到达目的地，相比传统的腿式机器人，大大缩短了运输时间，提高了工作效率。而在复杂地形下，其腿式行走模式又能够保证机器人顺利通过障碍，无需人工干预，进一步提升了整体的工作效率和自主性。
• 灵活性：轮腿机器人的轮腿切换功能使其具备了很强的灵活性，能够适应各种不同类型的地形和任务需求。无论是在城市街道、建筑工地、物流仓库等平坦或稍有起伏的地面，还是在需要攀爬楼梯、跨越沟渠等复杂地形的场景中，机器人都能够自如地切换运动模式，完成相应的任务。
• 可靠性：经过严格的测试和优化，轮腿机器人的硬件系统和软件算法都具备了较高的可靠性。其机械结构的稳定性和耐用性能够保证机器人在长时间的运行中不会出现故障，而自主导航系统的准确性和鲁棒性则能够确保机器人在各种复杂环境下都能安全、稳定地行驶，降低了因环境变化或意外情况导致任务失败的风险。

2.5 应用领域

• 军事领域：随着廉价的无人机在俄乌战场大放异彩，无人化装备也逐渐获得了各国的重视，轮足机器人在军事上，是一个非常不错的选择。
• 物流配送：在物流领域，轮腿机器人可用于城市复杂环境下的货物配送。它能够自主导航至目的地，轻松应对道路上的各种障碍，如台阶、坑洼等，同时还可以根据货物的重量和体积调整行驶速度和姿态，确保货物的安全运输。相比传统的物流配送方式，轮腿机器人不仅提高了配送效率，还降低了人力成本和运输风险，为物流行业的智能化发展提供了新的解决方案。
• 工业巡检：在工业生产环境中，轮腿机器人可以承担设备巡检、安全监控等任务。它能够在工厂车间、仓库等场所自主巡逻，利用其搭载的传感器对设备运行状态、环境参数等进行实时监测，及时发现潜在的安全隐患和设备故障，并将相关信息反馈给管理人员，从而提高工业生产的安全性和可靠性。
• 搜索救援：在灾难现场等复杂危险环境中，轮腿机器人的优势更加明显。它可以进入人员难以到达的区域，如倒塌的建筑物、山区等，进行搜索救援工作。凭借其强大的地形适应能力和自主导航能力，机器人能够快速定位被困人员的位置，并为救援人员提供准确的信息和物资支持，提高救援效率，减少人员伤亡。
• 建筑施工：在建筑工地上，轮腿机器人可以协助施工人员完成一些危险或繁重的任务，如搬运建筑材料、监测施工进度等。它能够在不平整的地面上稳定行驶，适应施工现场的复杂环境，同时还可以与其他施工设备进行协同作业，提高施工的自动化水平和工作效率。

3 总结

        目前机器人的技术随着驱动方式的变化，控制越来越成熟，在自主无人化方面随着大模型的发展也会逐渐进化，但对于未来的应用场景和市场化方面仍然需要进一步挖掘。