1 背景

? ? ? ? 傳統(tǒng)機(jī)器人有足式、輪式、履帶式三種移動(dòng)方式，每種移動(dòng)方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。輪式機(jī)器人依靠車輪在地面上移動(dòng)，能源利用率高、移動(dòng)速度快，但是僅以輪子與地面接觸，缺乏越障能力和對復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，尤其面對高度超過車輪半徑的障礙物時(shí)尤顯不足。

????????腿式機(jī)器人通過模仿動(dòng)物來規(guī)劃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和移動(dòng)步態(tài)，使其擁有優(yōu)秀的越障能力和對地形的適應(yīng)能力，但腿式機(jī)器人的能耗大、速度慢、自由度多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度及續(xù)航能力差。

????????履帶式機(jī)器人依靠其較大的接觸面積一定程度上能夠在松軟地面或者凹凸不平的地面上移動(dòng)，但是仍然難以面對臺階、凸臺等復(fù)雜地形。

????????因此國內(nèi)外專家學(xué)者開始結(jié)合輪式和腿式機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合兩者的優(yōu)勢，輪腿機(jī)器人逐漸出現(xiàn)在公眾視野中。

2 輪腿機(jī)器人

? ? ? ? 2024年12月23日，宇樹科技在發(fā)布量產(chǎn)一年后，Unitree B2-W工業(yè)輪足（輪腿四足機(jī)器人）展示了更多極限技能。同時(shí)，宇樹科技發(fā)布了B2-W工業(yè)輪足機(jī)器狗通過全地形路段的實(shí)拍視頻。

????????視頻中，B2-W工業(yè)輪足機(jī)器狗可四輪高速原地旋轉(zhuǎn)，還能實(shí)現(xiàn)兩輪站立和側(cè)邊輪翻轉(zhuǎn)等高難度動(dòng)作。從視頻中可以看到，新版本的輪足機(jī)器人做出來的動(dòng)作還是非常酷炫的。

? ? ? ? 那么比較早研究輪腿機(jī)器人的代表機(jī)構(gòu)是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，下圖中的輪腿機(jī)器人和特斯拉在一起的畫面，還是比較有想象力的。

? ? ? ? 本篇博客以瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的輪腿機(jī)器人作為對象進(jìn)行闡述，該機(jī)器人問世時(shí)具有諸多獨(dú)特之處，以下為讀者朋友們詳細(xì)介紹。

2.1 研發(fā)背景與團(tuán)隊(duì)

????????該輪足機(jī)器人是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室多年研究的成果，是研究人員在腿式機(jī)器人、自主導(dǎo)航和機(jī)器人感知等方面長期探索的結(jié)晶，旨在融合輪式與腿式機(jī)器人的優(yōu)勢，開發(fā)出一種能夠適應(yīng)復(fù)雜多樣環(huán)境、具備高效自主導(dǎo)航能力的新型機(jī)器人，以滿足物流、監(jiān)控、建筑和安全等領(lǐng)域的實(shí)際需求。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

• 輪腿結(jié)合：機(jī)器人的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將輪子和腿的運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合，在平坦地面上，輪子能夠提供快速、高效的移動(dòng)能力，使其像普通輪式機(jī)器人一樣快速行駛，速度可達(dá) 20 公里 / 小時(shí)，大大提高了移動(dòng)效率 。而在遇到臺階、斜坡等復(fù)雜地形時(shí)，機(jī)器人可以切換到四足行走模式，利用腿部的靈活性和適應(yīng)性跨越障礙，克服了傳統(tǒng)輪式機(jī)器人無法應(yīng)對復(fù)雜地形的局限。
• 機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料：其機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，具備高度的穩(wěn)定性和可靠性。例如，輪腿機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)通常具有多個(gè)自由度，能夠靈活地調(diào)整姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的動(dòng)作。同時(shí)，為了確保機(jī)器人在不同地形下的穩(wěn)定性和耐用性，其身體框架和關(guān)鍵部件采用了高強(qiáng)度、輕質(zhì)的材料制造，如碳纖維等，既保證了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又減輕了整體重量，有助于提高能源利用效率和運(yùn)動(dòng)性能。

2.3 自主導(dǎo)航

? ? ? ? 自主導(dǎo)航方面都是比較老生常談的話題，基本上沿用了傳統(tǒng)機(jī)器人的一些算法（可參考之前的博客《自動(dòng)駕駛---會(huì)打架的“球形機(jī)器人”》），主要區(qū)別還是在控制上的復(fù)雜性，隨著大模型的發(fā)展，相信也會(huì)助力機(jī)器人的自主導(dǎo)航技術(shù)。

• 核心技術(shù)：自主導(dǎo)航是該機(jī)器人的一大亮點(diǎn)，其采用了分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。通過大量的計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練，使機(jī)器人能夠?qū)W習(xí)和理解不同環(huán)境下的最佳行動(dòng)策略，并在實(shí)際運(yùn)行中快速做出決策。這種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器能夠處理多種類型的傳感器輸入，如激光雷達(dá)、攝像頭等所獲取的數(shù)據(jù)，從而精確感知周圍環(huán)境，在毫秒級內(nèi)為機(jī)器人創(chuàng)建新的導(dǎo)航計(jì)劃，有效應(yīng)對復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)場景。
• 環(huán)境感知與適應(yīng)：機(jī)器人配備了先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)，包括但不限于激光雷達(dá)、立體相機(jī)、GPS 天線等，這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境的信息，如地形地貌、障礙物位置、行人動(dòng)態(tài)等。在自主導(dǎo)航過程中，機(jī)器人可以根據(jù)這些感知信息，自動(dòng)調(diào)整行駛路徑和運(yùn)動(dòng)模式，靈活地避開靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，即使在充滿不確定性和隨機(jī)干擾的復(fù)雜環(huán)境中，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的導(dǎo)航。
• 定位與路徑規(guī)劃：利用高精度的定位技術(shù)，如 GPS 與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合，以及基于激光掃描的地圖構(gòu)建與匹配方法，機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地確定自身在環(huán)境中的位置，并根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)點(diǎn)生成最優(yōu)的導(dǎo)航路徑。同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)還采用了分層路徑規(guī)劃策略，先從全局層面規(guī)劃出大致的路徑，再在局部層面進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和優(yōu)化，確保機(jī)器人能夠沿著安全、高效的路徑行駛。

2.4 性能優(yōu)勢

• 高效性：在平坦地面上，輪腿機(jī)器人的輪式行駛模式使其能夠快速到達(dá)目的地，相比傳統(tǒng)的腿式機(jī)器人，大大縮短了運(yùn)輸時(shí)間，提高了工作效率。而在復(fù)雜地形下，其腿式行走模式又能夠保證機(jī)器人順利通過障礙，無需人工干預(yù)，進(jìn)一步提升了整體的工作效率和自主性。
• 靈活性：輪腿機(jī)器人的輪腿切換功能使其具備了很強(qiáng)的靈活性，能夠適應(yīng)各種不同類型的地形和任務(wù)需求。無論是在城市街道、建筑工地、物流倉庫等平坦或稍有起伏的地面，還是在需要攀爬樓梯、跨越溝渠等復(fù)雜地形的場景中，機(jī)器人都能夠自如地切換運(yùn)動(dòng)模式，完成相應(yīng)的任務(wù)。
• 可靠性：經(jīng)過嚴(yán)格的測試和優(yōu)化，輪腿機(jī)器人的硬件系統(tǒng)和軟件算法都具備了較高的可靠性。其機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性能夠保證機(jī)器人在長時(shí)間的運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)故障，而自主導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性則能夠確保機(jī)器人在各種復(fù)雜環(huán)境下都能安全、穩(wěn)定地行駛，降低了因環(huán)境變化或意外情況導(dǎo)致任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 應(yīng)用領(lǐng)域

• 軍事領(lǐng)域：隨著廉價(jià)的無人機(jī)在俄烏戰(zhàn)場大放異彩，無人化裝備也逐漸獲得了各國的重視，輪足機(jī)器人在軍事上，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。
• 物流配送：在物流領(lǐng)域，輪腿機(jī)器人可用于城市復(fù)雜環(huán)境下的貨物配送。它能夠自主導(dǎo)航至目的地，輕松應(yīng)對道路上的各種障礙，如臺階、坑洼等，同時(shí)還可以根據(jù)貨物的重量和體積調(diào)整行駛速度和姿態(tài)，確保貨物的安全運(yùn)輸。相比傳統(tǒng)的物流配送方式，輪腿機(jī)器人不僅提高了配送效率，還降低了人力成本和運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，為物流行業(yè)的智能化發(fā)展提供了新的解決方案。
• 工業(yè)巡檢：在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，輪腿機(jī)器人可以承擔(dān)設(shè)備巡檢、安全監(jiān)控等任務(wù)。它能夠在工廠車間、倉庫等場所自主巡邏，利用其搭載的傳感器對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患和設(shè)備故障，并將相關(guān)信息反饋給管理人員，從而提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性和可靠性。
• 搜索救援：在災(zāi)難現(xiàn)場等復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境中，輪腿機(jī)器人的優(yōu)勢更加明顯。它可以進(jìn)入人員難以到達(dá)的區(qū)域，如倒塌的建筑物、山區(qū)等，進(jìn)行搜索救援工作。憑借其強(qiáng)大的地形適應(yīng)能力和自主導(dǎo)航能力，機(jī)器人能夠快速定位被困人員的位置，并為救援人員提供準(zhǔn)確的信息和物資支持，提高救援效率，減少人員傷亡。
• 建筑施工：在建筑工地上，輪腿機(jī)器人可以協(xié)助施工人員完成一些危險(xiǎn)或繁重的任務(wù)，如搬運(yùn)建筑材料、監(jiān)測施工進(jìn)度等。它能夠在不平整的地面上穩(wěn)定行駛，適應(yīng)施工現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)還可以與其他施工設(shè)備進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，提高施工的自動(dòng)化水平和工作效率。

3 總結(jié)

? ? ? ? 目前機(jī)器人的技術(shù)隨著驅(qū)動(dòng)方式的變化，控制越來越成熟，在自主無人化方面隨著大模型的發(fā)展也會(huì)逐漸進(jìn)化，但對于未來的應(yīng)用場景和市場化方面仍然需要進(jìn)一步挖掘。