1 背景

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

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

????????履帶式機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，但是仍然難以面對臺階、凸臺等復雜地形。

????????因此國內(nèi)外專家學者開始結(jié)合輪式和腿式機器人的特點進行設計，綜合兩者的優(yōu)勢，輪腿機器人逐漸出現(xiàn)在公眾視野中。

2 輪腿機器人

? ? ? ? 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（輪腿四足機器人）展示了更多極限技能。同時，宇樹科技發(fā)布了B2-W工業(yè)輪足機器狗通過全地形路段的實拍視頻。

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

? ? ? ? 那么比較早研究輪腿機器人的代表機構(gòu)是瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院，下圖中的輪腿機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)邦理工學院研發(fā)的輪腿機器人作為對象進行闡述，該機器人問世時具有諸多獨特之處，以下為讀者朋友們詳細介紹。

2.1 研發(fā)背景與團隊

????????該輪足機器人是蘇黎世聯(lián)邦理工學院機器人系統(tǒng)實驗室多年研究的成果，是研究人員在腿式機器人、自主導航和機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器人的優(yōu)勢，開發(fā)出一種能夠適應復雜多樣環(huán)境、具備高效自主導航能力的新型機器人，以滿足物流、監(jiān)控、建筑和安全等領域的實際需求。

2.2 結(jié)構(gòu)設計與特點

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

2.3 自主導航

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

• 核心技術：自主導航是該機器人的一大亮點，其采用了分層強化學習技術訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡控制器。通過大量的計算機模擬訓練，使機器人能夠?qū)W習和理解不同環(huán)境下的最佳行動策略，并在實際運行中快速做出決策。這種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制器能夠處理多種類型的傳感器輸入，如激光雷達、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)為機器人創(chuàng)建新的導航計劃，有效應對復雜多變的現(xiàn)實場景。
• 環(huán)境感知與適應：機器人配備了先進的傳感器系統(tǒng)，包括但不限于激光雷達、立體相機、GPS 天線等，這些傳感器能夠?qū)崟r感知周圍環(huán)境的信息，如地形地貌、障礙物位置、行人動態(tài)等。在自主導航過程中，機器人可以根據(jù)這些感知信息，自動調(diào)整行駛路徑和運動模式，靈活地避開靜態(tài)和動態(tài)障礙物，即使在充滿不確定性和隨機干擾的復雜環(huán)境中，也能實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的導航。
• 定位與路徑規(guī)劃：利用高精度的定位技術，如 GPS 與慣性導航系統(tǒng)的結(jié)合，以及基于激光掃描的地圖構(gòu)建與匹配方法，機器人能夠準確地確定自身在環(huán)境中的位置，并根據(jù)預設的目標點生成最優(yōu)的導航路徑。同時，導航系統(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，再在局部層面進行精細調(diào)整和優(yōu)化，確保機器人能夠沿著安全、高效的路徑行駛。

2.4 性能優(yōu)勢

• 高效性：在平坦地面上，輪腿機器人的輪式行駛模式使其能夠快速到達目的地，相比傳統(tǒng)的腿式機器人，大大縮短了運輸時間，提高了工作效率。而在復雜地形下，其腿式行走模式又能夠保證機器人順利通過障礙，無需人工干預，進一步提升了整體的工作效率和自主性。
• 靈活性：輪腿機器人的輪腿切換功能使其具備了很強的靈活性，能夠適應各種不同類型的地形和任務需求。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、跨越溝渠等復雜地形的場景中，機器人都能夠自如地切換運動模式，完成相應的任務。
• 可靠性：經(jīng)過嚴格的測試和優(yōu)化，輪腿機器人的硬件系統(tǒng)和軟件算法都具備了較高的可靠性。其機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性能夠保證機器人在長時間的運行中不會出現(xiàn)故障，而自主導航系統(tǒng)的準確性和魯棒性則能夠確保機器人在各種復雜環(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致任務失敗的風險。

2.5 應用領域

• 軍事領域：隨著廉價的無人機在俄烏戰(zhàn)場大放異彩，無人化裝備也逐漸獲得了各國的重視，輪足機器人在軍事上，是一個非常不錯的選擇。
• 物流配送：在物流領域，輪腿機器人可用于城市復雜環(huán)境下的貨物配送。它能夠自主導航至目的地，輕松應對道路上的各種障礙，如臺階、坑洼等，同時還可以根據(jù)貨物的重量和體積調(diào)整行駛速度和姿態(tài)，確保貨物的安全運輸。相比傳統(tǒng)的物流配送方式，輪腿機器人不僅提高了配送效率，還降低了人力成本和運輸風險，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，輪腿機器人可以承擔設備巡檢、安全監(jiān)控等任務。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備運行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患和設備故障，并將相關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：在災難現(xiàn)場等復雜危險環(huán)境中，輪腿機器人的優(yōu)勢更加明顯。它可以進入人員難以到達的區(qū)域，如倒塌的建筑物、山區(qū)等，進行搜索救援工作。憑借其強大的地形適應能力和自主導航能力，機器人能夠快速定位被困人員的位置，并為救援人員提供準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，輪腿機器人可以協(xié)助施工人員完成一些危險或繁重的任務，如搬運建筑材料、監(jiān)測施工進度等。它能夠在不平整的地面上穩(wěn)定行駛，適應施工現(xiàn)場的復雜環(huán)境，同時還可以與其他施工設備進行協(xié)同作業(yè)，提高施工的自動化水平和工作效率。

3 總結(jié)

? ? ? ? 目前機器人的技術隨著驅(qū)動方式的變化，控制越來越成熟，在自主無人化方面隨著大模型的發(fā)展也會逐漸進化，但對于未來的應用場景和市場化方面仍然需要進一步挖掘。