頂刊發表！山東大學李貽斌教授團隊研發出簡捷高機動輪腿複合式機器人

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由一个主体和六个同构的扇形半轮驱动系统组成。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。

圖7 Q-Whex上32度斜坡

可以攀爬連續台階，如圖8所示。

圖8 Q-Whex攀爬連續階梯

各種崎嶇地形也不在話下，如圖9所示。

圖9 Q-Whex在崎嶇地形中運行

▍對稱構型，無懼翻覆

#由於Q-Whex機器人的結構設計在前後、左右和上下三個方向上均採用了對稱的構型，因此其在運動過程中沒有正反和前後的區別。當機器人在行駛過程中發生意外翻覆後，可以採用「反面向上」的構型繼續前行，從而對於在複雜環境運動中的風險和意外情況具有優良的保險性和容錯能力。在圖10中展示了機器人在攀爬過程中翻倒後採取「背朝上」的姿態完成攀爬。

圖10 Q-Whex翻覆後可繼續行駛

▍機載攝像，遠端探測

小型攝影機設備已安裝在Q-Whex機器人上，並可透過WiFi或4G網路將擷取到的影像即時傳輸到遠端操作端。因此，Q-Whex可以執行無人探測任務，如圖11所示。

圖11 Q-Whex可採用機載攝影機進行遠端偵測

還可以遠端逗貓，如圖12所示。

圖12 Q-Whex與貓

Q-Whex本質上是一種新型的輪腿複合移動概念，其高機動性與強通過性源自六個獨立驅動的扇形半輪的連續轉動與相互間的相位協同。 此概念可應用於工業巡檢、物流運輸、野外探測等所需的移動平台，依實際應用需求選用適當的構型與尺寸。 機器人無需採用複雜的感知或控制策略，其結構與控制上的簡捷性進而提升了系統的穩健性和可靠性。

論文第一作者為山東大學張國騰副研究員，信箱：

guoteng@email.sdu.edu.cn。

論文連結：

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

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