對于大多數機器人粉來說，提到四足機器人，相信許多人首先想到的首先是波士頓動力的機器人狗。

波士頓動力創立于 1992 年，是全世界腿足機器人的先驅者。在四足機器人領域，瑞士公司 ANYbotics 是波士頓動力的有力競爭對手，ANYbotics 的 ANYmal 一直是完全不輸波士頓動力 SpotMini 機器狗的存在。

ANYbotics 由一群蘇黎世聯邦理工學院的工程師于 2016 年成立。它是蘇黎世聯邦理工學院機器人系統實驗室（RSL）的衍生公司，因推出機器人 ANYmal 而聞名。

ANYmal 此前已經推出能行走的無輪版本四足機器人，它靠四條機械腿行走，能穿越不平坦的地形，也能爬樓梯。最近研究團隊就為機器人添加了一組實用的輪子。

據悉，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊自 2018 年以來一直在與 ANYbotics 公司實驗輪式機器人，在新的原型中，研究人員為機器人的每只腳裝上四個裝有輪轂電機的輪子。

這種輪足復合式移動機器人結合了輪式機器人在平坦路面上的高效率，和足式機器人在崎嶇路面上的越野能力。

穿著輪滑鞋的人和輪子驅動的機器人之間有一個關鍵的區別，如果設計得當，機器人可以對輪子施加控制，其細微的差別是人類永遠無法比擬的。我們已經在波士頓動力公司的兩輪人形機器人 Handle 上看到了這一點，盡管到目前為止，Handle 似乎還沒有充分利用它的這雙有腿的潛力。

“輪子機器人”可像溜冰一樣滑動

此前波士頓動力為開發市場，給 Handle 輪式機器人已經定下方向。而對于輪式機器狗的探索任務，則落在 ANYmal 等創業團隊身上。

蘇黎世聯邦理工學院 ANYmal 的研發團隊很早就給他們的機器狗裝了四個輪子。當時只公布了這四只腳底的輪子能夠像溜冰一樣滑動，還會在震動環境下匍匐前進。

此外，ANYmal 能在保持身體重心的情況下，過 “單邊橋”。

最近，該團隊就這款機器人發布了更多視頻，證明輪足版 ANYmal 的已經更加成熟和穩定。不過，裝有固定輪子的 ANYmal 并沒有喪失作為腿足機器人的步行能力，它依然能在 “穿著輪滑鞋” 的前提下步行完成一些移動、調整方向等任務。

據相關研究人員介紹，帶輪子的 ANYmal 與其他輪足式機器人相比，能實現更強大的動態運動，運輸成本上還可降低 83％，與其腿式機器人相比有明顯的優越性。

在 2019 年的 DARPA 機器人地下挑戰賽中，ANYmal 腳踩 “風火輪”，跨越障礙的能力非常強。這意味著，它跨越障礙的能力比輪式機器人強，同時又比腿式機器人走得快，當時，研究人員表示它是全球首個應用在實際任務中的輪式 - 腿式混合驅動機器人。

在最近公布的視頻中，ANYmal 輪足機器人四個腿部和四個輪子與它進行的每個動作已經無縫地融合在一起，研究人員還設計了能在車輪模式和行走模式之間切換的算法，ANYmal 的速度和穩定性也得以提高。

輪子和腿加在一起會產生什么作用？

要了解為什么輪子和腿加在一起會對機器人的移動性產生如此大的改變，我們可以看看是如何運作的。

圖 | ANYmal 輪足機器人展示最佳混合步態

這種輪足機器人不僅能夠成功克服斜坡、樓梯等輪式機器人的障礙，而且在速度上也超過了四足機器人。

ANYbotics 公司的四足機器人 ANYmal C 能夠在動態人類環境中高度自主地執行任務。還具有同步定位和地圖繪制（SLAM）功能，并且可以部分避免意外的障礙，這是因為其立體光學攝像頭可提供 360 度視野的深度信息，激光雷達系統可提供額外的環境數據，并給機器人在 100 米范圍內導航。

而這次的輪足版 ANYmal 是一個 “盲眼” 機器人，不需要任何攝像頭或激光雷達，就可以動態選擇最佳的混合步態，將輪子滾動和腿的踏步的融合，只是根據對車輪下的地形的感覺，它可以根據每條腿的輪子運動的效用，在滾動和步態之間無縫轉換。

如果一個輪子效率不高，車載傳感器和運動計劃微控制器可以選擇性地控制每個車輪的扭矩，將這條腿切換到踏步運動，同時保持與其他腿的協調。總的來說，這使得 ANYmal 的這種輪足機器人移動速度更快，而不會降低其應對復雜地形的能力，并且降低了運輸成本，因為滾動比步行的效率高得多。該機器人可以在達到 4 米 / 秒的速度下實現高度動態的運動，作為對比，已經開始對外銷售的四足無輪機器人 ANYmal C ，移動速度為 1 米 / 秒。

圖 | ANYmal C

ANYmal 機器人還能夠根據特定的情況切換腿部 / 輪子的運動方式：它可以根據輪子上的電力 “安培” 或是否有障礙物來切換到腿部運動。這款機器人也是非常小巧，保持了與其他四足機器人相似的外觀。

圖 | 早期原型，會滑冰的 ANYma

蘇黎世聯邦理工學院的 Marko Bjelonic 是負責這次研究的科研人員之一，他表示他們可以做到通過程序自動找到周期性步態序列，而不需要預先定義步態時序。根據機器人當前的情況，每條腿都能自行推理出何時是抬離地面的好時機，這種方法在崎嶇不平的地形中效果相當好。

關于未來是否會為這種輪足機器人裝飾傳感器來識別地形，Marko 表示這次提交的論文只是基于機器人本體感覺信號，即沒有使用地形感知來根據環境進行步態轉換。他們很驚訝這個框架在平坦和不平坦的地形上都已經有了很好的效果。但他們目前正在研究一種擴展，即在前期根據地形，讓機器人規劃步態序列。這種地形響應的擴展能夠處理更復雜的障礙物，比如樓梯。

圖 | 輪足也能行走自如

他表示，目前的輪子不能轉向，這是一個好的挑戰，因為這樣機器人就不得不探索混合滾輪和行走的運動。從應用的角度來看，輪子可以轉向，可能是有益的。他們已經分析了腿部配置和每條腿的致動量，可以旋轉機器人的髖關節內收 / 外展，在不增加機器人復雜度的情況下，增加了機器人的機動性。

Marko 還認為，有腿部機器人都應該有輪子， 輪足機器人在未來會更加普遍。在自然界中沒有這種運動方式，使得設計輪足機器人更具挑戰性，這可能也是沒有出現類似生物的原因之一。目前只有少數腿輪機器人平臺，例如，滾輪行走的 ANYmal、CENTAURO 機器人和波士頓動力公司的 Handle，但隨著目前這一領域的進步，會有更多類似的概念機器人出現。

關于未來，該團隊正在研究一個框架，使機器人能夠在地面和具有挑戰性的障礙物上進行更復雜的運動。這里的挑戰是如何為這樣的高維問題找到最佳的機動性，以及如何在真實機器人應用中穩定地執行這些運動。

而關于這項研究的相關論文 “Whole-Body MPC and Online Gait Sequence Generation for Wheeled-Legged Robots”，已經發表在 arXiv 預印本平臺上，論文由蘇黎世聯邦理工學院的幾位作者撰寫。

圖 | 最近出現的腿輪機器人平臺，如 Wheeled-ANYmal、ASCENTO 和 Handle

當前，人們對機器人的運動要求也越來越復雜。工作環境的復雜性和多樣化對移動機器人的機械結構設計提出了越來越高的要求，對于對于有腿的機器人，疫情蔓延歐美的 2020 年，似乎是是具有突破性的一年，這從資本方面的動作可以看出，美國機器人研發公司 Agility Robotics 最近為其 Digit 類人機器人籌集了 2000 萬美元的 A 輪融資，ANYmal 公司也在前幾天完成了 2230 萬美元的 A 輪融資。隨著類似機器人剛剛開始進入主流，市場似乎已經準備好持續增長。

在過去，機器人要么傾向于使腿，要么使用輪子移動。而大部分輪腿結合的輪足式機器人仍然只在研究領域。ANYmal 這次展示的四足輪式機器人的潛力，是否指明了未來機器人領域的發展方向？這或許需要交給時間。

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