顶刊发表！山东大学李贻斌教授团队研发出简捷高机动轮腿复合式机器人

人类自古以来就梦想着能够研发出可适应多种野外地形的移动机构。轮式移动平台具有较好的运动平稳性和移动效率，但难以在崎岖地形中行进；腿足式机器人具有较好的地形适应能力和移动灵活性，但其运动稳定性和能效有待提高。

为融合轮式移动和腿足移动的优势，轮腿复合式移动机构应用而生。常见的轮腿复合机构主要包括异形轮（如RHex）、辐条轮（如Whegs）、变形轮（如OmniWheg）、轮腿串联（如Wheeled-ANYmal）等，如图X所示。

图1  常见轮腿复合式机器人

近日，山东大学李贻斌教授团队联合日本立命馆大学马书根教授、中科院沈阳自动化所刘金国教授和之江实验室孔令雨副研究员，研发出一种新型轮腿复合式机器人，命名为Q-Whex，如图2所示。

图2  Q-Whex机器人

Q-Whex既能够像轮式移动平台一样在平坦地面上平稳地移动，也可以像足式机器人一样翻越高于其底盘高度的障碍物。与其他轮腿复合式移动机器人相比，Q-Whex在运动平稳性、机构复杂度和控制难度等方面均具有优势，如表1所示。

表1 Q-Whex与其他类型轮腿复合式移动机器人对比

该工作以“Q-Whex: A simple and highly mobile quasi-wheeled hexapod robot”为题发表在Journal of Field Robotics期刊上。

▍机构简单，控制便捷

论文中展示的Q-Whex机器人长277.5 mm，宽204.8 mm，高39.5 mm，自重2.4kg，在负重2.65 kg的情况下能够达到0.44 m/s的前进速度。Q-Whex由躯干和六个独立驱动的同构扇形半轮（quasi-wheel）组成。躯干内部集成了控制电路、IMU、电池、摄像头，轮腿结构的驱动电机也安置于躯干内部；每个半轮呈210°的扇形结构，扇心处连接电机的输出轴实现转动，当扇形的弧边触地时即为轮式移动，当扇形的棱边触地时可实现腿式越障的效果。

Q-Whex的制作和装配非常简单，如图3所示，电机和躯干内部的元件均安装于两块碳纤维板中间，每个扇形半轮也由碳纤维板制成。

图3  Q-Whex分解图

Q-Whex的运动控制也非常容易，各个扇形半轮连续旋转，通过控制机器人左侧扇形半轮与右侧扇形半轮的转速差即可实现转向，通过控制各扇形半轮转角之间的相位差即可生成不同的步态。图4展示了Q-Whex的4种典型步态。

图4  Q-Whex典型步态展示

▍轮腿复合，爬坡越障

Q-Whex采用三角步态可以在平坦地面上像轮式移动平台一样平稳的移动，如图5所示。

图5  Q-Whex在平坦地面上平稳移动

雪地、冰面、砾石等地面，Q-Whex也可以轻松应对，如图6所示。

图6  Q-Whex在多种地面上运行

利用对称步态可以上下32度斜坡，如图7所示。

图7  Q-Whex上32度斜坡

可以攀爬连续台阶，如图8所示。

图8  Q-Whex攀爬连续台阶

各种崎岖地形也不在话下，如图9所示。

图9  Q-Whex在崎岖地形中运行

▍对称构型，无惧翻覆

由于Q-Whex机器人的结构设计在前后、左右和上下三个方向上均采用了对称的构型，因此其在运动过程中没有正反和前后的区别。当机器人在行驶过程中发生意外翻覆后，可以采用“反面向上”的构型继续前行，从而对于在复杂环境运动中的风险和意外情况具有优良的保险性和容错能力。图10展示了机器人在爬台阶过程中翻覆后，采用“背面向上”的姿态完成攀爬。

图10  Q-Whex翻覆后可继续行驶        

▍机载摄像，远程探测

Q-Whex机器人上装备有小型摄像头，可通过WiFi或4G网络实时将采集到的图像传输到远程操作端。因此，Q-Whex可以执行无人探测任务，如图11所示。

图11  Q-Whex可采用机载摄像头进行远程探测         

还可以远程逗猫，如图12所示。

图12  Q-Whex与猫

Q-Whex本质上是一种新型的轮腿复合移动概念，其高机动性与强通过性源自六个独立驱动的扇形半轮的连续转动与相互间的相位协同。该概念可应用于工业巡检、物流运输、野外探测等所需的移动平台，根据实际应用需求选用合适的构型与尺寸。机器人无需采用复杂的感知或控制策略，其结构与控制上的简捷性进而提升了系统的鲁棒性和可靠性。       

论文第一作者为山东大学张国腾副研究员，邮箱：

[e-mail]。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/rob.22186

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