在2015年的DRC DARPA机器人挑战赛上，来自韩国的机器人DRC-HUBO靠着一身“绝活”击败了其他来自5个国家的22台顶尖机器人获得总冠军，其中不乏当时波士顿动力研发的 Atlas、日本HRP 这些明星机器人。在机器人技术领域，行走的平衡性一直是难以逾越的鸿沟。这也是最终HUBO获胜的关键——其膝盖和脚踝处装置的轮子可以允许机器人由行走模式切换到轮式移动。研发它的“KAIST”团队当时还赢得了200万美元的大奖。

近日，哈尔滨工业大学机电工程学院机器人与系统国家重点实验室的团队研发了一种高机动性、高适应性的液压动力自主轮腿机器人系统——WLR-3P机器人，这款机器人可以在平坦路面快速高效移动，在崎岖的地形环境中适应性也是杠杠的。该项研究以论文（Design and Control for WLR-3P: A Hydraulic Wheel-Legged Robot）为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems中。

轮足机器人并不稀奇

今年7月，宇树科技科技作为全球知名的机器人制造商和解决方案提供商，受邀携带最新的机器人产品和技术成果参加第四届中国机器人学术年会。在现场，宇树科技带来的工业级四足机器人B1及Aliengo、灵巧机械臂Z1和消费级四足机器人Go1以及最新推出的B-W轮足机器人吸引了众多参会者的目光。

比如B1工业四足机器人搭载了气体传感、温度传感、工业相机、3D雷达等外设，除了可以实现多维感知和强劲算力，帮助用户快速识别环境风险、检测放射性物质等，提升作业精确率和效率，还能搭载自研灵巧机械臂Z1，完成开关门、抓取重物等任务，应用于复杂多变的工作环境中。

最受到大家期待的是宇树科技今年5月最新推出的一款叫做Unitree B-W的智能移动机器人，此前已经在国内外多个重要活动中亮相。最受到大家期待的是宇树科技今年5月最新推出的一款叫做Unitree B-W的智能移动机器人，此前已经在国内外多个重要活动中亮相。

这些特点使得B-W轮足机器人具有多种应用场景，如工业制造、物流配送、安防巡视等领域，为用户提供灵活、高效的解决方案。

双足轮腿机器人的系统设计

当前双足机器人的运动方式主要采用双脚步行或者双轮滚动，两者结合会是什么样？在平坦路面上，机器人可通过双轮运动实现巡航；遇到障碍时，机器人可通过轮足切换装置切换到足式站立状态进行跨越。作为一种新型无软管液压轮腿机器人，WLR-3P能够通过自主动力进行跳跃和快速移动。

对于机器人轮式运动，首先推导考虑联合质心约束的运动学模型，然后建立基于变质心轮式倒立摆的动力学模型，并采用变参数线性二次型调节器 (LQR) 实现机器人轮式运动控制。对于机器人轮足切换，首先建立轮足切换平衡约束关系，然后提出一种从双轮运动状态切换到原地双足站立状态的切换策略，可保证机器人平稳实现轮和脚均触地的切换过渡。

研究人员们是如何提高机器人的机动性和环境适应性呢？主要靠这三点：（a）高功率密度和快速响应驱动；（b）重量轻、惯性大、强度高；（c）可靠的液压系统。

WLR-3P 有 7 个自由度 (DOF)：每条腿 3 个自由度，腰部 1 个自由度。腿部的3个自由度分别在髋关节、膝关节和驱动轮上，其中髋关节和膝关节由HDU驱动，驱动轮由直流电机驱动。HDU包括定制的高频响应（20Hz）伺服缸、高性能伺服阀、位移传感器和力传感器。配备机载 HPU 和电池的 WLR-3P 重 80 公斤。其最大高度为1.55 m，2个轮子之间的距离约为0.54 m。此外，为了安全起见，机器人还“背负”着1.8公斤碳纤维混合铝合金框架。

至于为什么选择液压？简单粗暴地来说，采用集成液压驱动装置的机器人，功率密度高，驱动响应快。

WLR-3P的先进设计和控制策略

研究人员考虑到以下因素：（a）高功率重量比，（b）出色的抗冲击性，（c）力/位置控制的高频响应，以及（d) 与人类可比的生物学特性。最终WLR-3P中膝关节液压驱动单元（HDU）的最大功率密度可达7kW/kg左右，远高于传统电机。

液压动力单元（HPU）的小型化和集成化是液压机器人研究领域的主要难点，主要是由于泵和发动机以及系统加热的小型化。由于WLR-3P没有很大的HPU安装空间。研发人员们提出了一种创新的设计思路来实现HPU的小型化和集成化。首先，齿轮泵由定制的外转子电机通过微联轴器驱动。来自泵的高压油经过微型蓄能器和过滤器，提供系统所需的液压动力。其次，针对系统的发热问题，设计了集散热、过滤、稳压于一体的多功能油箱。最终HPU可输出最大压力为21 MPa、流量为20 l/min的液压动力。

研究人员们围绕平衡性能和爆发力两方面展开了测试。快速移动和下蹲是验证轮腿机器人平衡性能的最基本动作。当快速移动时，机器人的质心（COM）在水平方向上快速变化，而蹲下时COM在垂直方向上快速变化。测试显示，WLR-3P水平和垂直平衡能力OK，也验证了该机器人硬件系统的可靠性。

实验结果显示，机器人WLR-3P可以达到13.6 km/h的速度和0.2 m的跳跃高度。液压驱动和机器人的结构设定得到了充分的认证。研究人员们总结实验经验发现，机器人重量越轻、驱动系统爆发能力越强，机器人能跳得越高。特别是腿部重量占全身重量的比例越小，膝关节的瞬时输出力和速度就越高，这对机器人的跳跃性能会有更显着的影响。

文章来源： 机器人大讲堂，山东大学，钱江晚报