在家打扫卫生忙得“不亦乐乎”的扫地机器人；

商场里向你热情Say Hi的引导机器人；

为你把外卖送到酒店房间门口的送餐机器人；还有现在的时尚icon，“抖音网红”四足机器人……

不知不觉中，机器人已经成为了我们工作、生活中不可或缺的角色，它正在帮助或替代我们进行着某些危险或重复的工作。

在机器人的众多功能中，移动能力是最基本的能力，也是它能够“走进产线、走进生活”的重要能力！

今天让我们聊聊机器人的“大腿”，对目前地面机器人的主流移动方式进行一下简单的盘点。

一、轮式机器人

01 差速模型

差速模型(differential drive)是机器人移动底盘上最常见的一种运动原理,最基础的一种版本为两轮差速。常见的扫地机器人，引导机器人，酒店机器人等的底盘大多都是基于这个模型。使用这种模型的机器人会在底盘两侧安装两个可以被控制器单独控制的轮子。

通过改变两个轮子之间的速度关系，可以控制底盘沿直线、曲线运动，或者绕两轮之间的中心点旋转。

差速模型的优点在于其结构简单，成本较低，仅需两个合适的轮毂电机和一个控制器，就能搭建起一个简单的差速移动底盘。但是其缺点在于双轮差速模型的线速度朝向只能平行于两轮的朝向，因此它不能像其他一些全向底盘一样，进行侧向移动。因此，差速底盘的在移动能力上还是存在一些限制。

02 麦克纳姆轮

麦克纳姆轮(mecanum wheels)在轮子的结构上做了创新。每个轮子的表面，被安装了与轴心成45度角度排列的辊筒并与地面接触。这样的设计使得轮子可以在转动时，产生与轮轴成45度夹角的反推力。常见的麦克纳姆轮底盘会使用四个轮子。

运行时，这四个轮子上的斜向推力将被正交分解并作用在底盘上。通过控制这四个麦克纳姆轮进行不同方向上的旋转并进行组合，可以控制底盘完成前进，后退，侧向移动，旋转等操作。

因为该底盘可以向平面上的任意一个方向运动，运动方向不受车身方向的限制，具有更强的灵活性与可操作性，因此我们称其具有全向属性(omni-directional)。在运动性能上，麦克纳姆轮相比传统的双轮差速底盘看似有很大的优势，但是它依然存在一些缺点。首先，由于各个轮子之间产生的向量会互相抵消，导致当麦克纳姆轮底盘在进行运动时，很多能量会被浪费在了轮与轮之间的互相消耗上。

因此，这种底盘主要被应用于在室内作业，需要较强灵活性的机器人上。

03 舵轮

舵轮(steerable drive wheels)也是一种适用于全向移动底盘的轮式结构，相比麦克纳姆轮，它的原理也要简单一些。

它由上方的一个伺服电机与下方的一个轮毂电机组成。伺服电机负责控制轮子整体的航向角，而轮毂电机控制轮子前进或者后退。通常一个舵轮底盘会安装两个舵轮，再配合两个万向轮使用。获取全向移动属性也是有代价的，由于这种结构使用了两台电机，因此它的运动效率也会比单向轮要差一些。此外，由于在转向时下方轮胎会与地面产生较大的滑动摩擦，因此该底盘在抗磨损上也会存在一定的问题。

04 球轮

相较于上面这些，球轮(spherical wheels)属于机器人底盘领域相对比较小众的一种选择，第一次我见到这种移动方式应该是星球大战里的BB-8。当时感觉很震惊，这样的结构用目前现有的科技真的能做出能移动的机器人吗？事实上真的可以。

通过与两组万向轮相接，球轮可以实现朝四周360度任意方向进行移动，实现了全向性。但是由于球轮底盘静态稳定性较差，在断电情况下很难保持平衡。另外，由于其传动结构较为复杂，负载能力较低，所以这种底盘目前在实用机器人上还是较为少见。

二、四足机器人

前面提到的轮式移动底盘，基本针对的是一些较为平坦的路面环境，当遇到相对崎岖、复杂的环境，比如走楼梯，户外越野时，轮式底盘的运动性能就会受到比较大的限制。

以四足机器人为主的足式机器人的出现在一定程度上解决了这一问题。由于其每条腿都具有多个自由度，且在运动时的落脚点具有离散性，因此，四足机器人可以适应更加复杂多变的环境。

常见的十二自由度的四足机器人，每条腿会带有三台电机，具有三个自由度，又根据其腿上三台电机的排布朝向，可以分为哺乳动物型关节腿和伸展型铰链腿。采用哺乳动物型关节腿的四足机器人的重量，由于可以相对比较平均地被分布在每条腿的各个关节上，因此相对伸展型铰链腿，这类构型具有行走速度更快，所需驱动扭矩更小的优点。目前常见的产品，比如波士顿动力的Spot，ETH的ANYmal，MIT的Cheetah，采用的基本都是这种构型。

而伸展型铰链腿，其每条腿更接近身体躯干的那台电机，无论在什么位置，基本都可以使四足机器人处于稳定状态，因此这种构型有相对安全性更高，稳定性更好的特点。不过采用这种构型的四足机器人，其自身重量更多被施加在每条腿更靠近外部的两台电机上，因此对外侧的两台电机要求的负载更高。该类型腿目前在商用四足机器人采用的还是比较少。

四足机器人的案例场景

由于足式机器人能够穿越崎岖地形和非结构化环境，目前其最广泛的应用是在巡检工作中。

另外，除了“灵活的腿足”，由于机器人可以配备各种传感器和智能控制系统，有更加强大的“双眼”和“大脑”，从而成为人类的“得力助手”。

此外，足式机器人相比轮式机器人有更多的自由度，它的姿态变换具有更强的多样性，使得其也具有了更强的情感表达能力。比如四足机器人可以凑上来向你鞠躬，或绕着你转圈，行为宛如一只真的小狗。这些效果都是普通的轮式机器人比较难向用户传达出来的。

综上所述，四足机器人其应用的核心目的包含：

1- 降低人员、环境和作业风险

2- 降低成本、提高效率和生产力

3- 突破人与普通机器的界限，与用户建立情感连接；

降低风险

足式机器人能够代替人类从事一些危险和难以触及的环境方面的作业。如难以到达的深海、外太空；或具有巨大危险性的作业环境（辐射区域、极端环境等）。

疫情背景下，新加坡将四足机器人作为防疫“志愿者”，搭载摄像头的机器人游走于公园中，可以检测人们是否佩戴口罩，提醒人们保持安全社交距离，并估算公园中游客数量。

再如变电站巡检的场景中，四足机器人可以替代人在极端天气（大雨、高温、极寒等）进行常规作业，甚至在面对带电设备时，也可以由“机器代人”进行操作，避免了安全隐患。

降本增效

在日常生产生活中，四足机器人在工业环境中的应用最为常见。它可以灵活地穿越狭窄空间，担负起巡检任务，及时发现安全隐患，保障平安生产。

除了巡检，四足机器人在建筑领域同样有所应用，通常围绕监督和调查展开。它可以穿越建筑工地和勘测地形，使用高清相机拍摄图像，并构建 3D 地图，为操作员提供一种轻松准确地评估进度的方法。

它也可以被用于远程沟通，比如波士顿Brigham and Women's Hospital将机器人用于远程医疗，在现场工作者的配合下，医疗专家即使在远程也能与患者们互动，更加直观地了解病情。

四足机器人“送快递”也是一种应用方向。基于规划好的路径配送货物，传统的轮式移动机器人（包括无人小车）在电子商务交付系统已经有越来越多的商业应用。然而，当涉及到复杂、不可预测的环境时，足式机器人更有优势。虽然目前应用不多，但也许几年之后，“快递小狗”就会成为人们生活的一部分了。

情感表达

除了工作上的帮手，足式机器人更强大的姿态控制能力，为它们的运动、行为提供了更多可能。足式机器人能够表现更丰富的动作和姿态，也能带来更强的生命力和情感表达能力。比如冬奥会期间，展示了一款六足机器人，能够自主完成双板滑雪。也许未来人们能够体验和机器狗同场竞技的全新娱乐模式。

足式机器小牛“犇犇”在春晚给大家拜年！

三、移动方式技术增长点

01 轮式移动底盘技术增长点

各个类型的轮式底盘都能在各自适应的使用场景下也都能发挥作用。如果更多从成本和易用性的角度考虑，差速底盘会是首选。如果轮式机器人需要有更强的灵活性，全向性，那么一些全向移动方案，如麦克纳姆轮和舵轮也会有用武之地。

当然，即使发展成熟，轮式移动底盘还是能做出一些一加一大于二的创新点。比如让一辆车上同时装上普通轮胎和麦克纳姆轮，结合了普通轮胎的推进效率高和麦克纳姆轮灵活性强的特点。又或者是在舵轮底盘上，将舵轮替换为带有减震悬挂的差速轮的ASOC底盘，在一定程度提高了轮式底盘的灵活性与越障能力。未来，对于轮式底盘，灵活性，全向性，稳定性，越障能力会是未来技术发展的主要增长点。

上图出自SUSTECH ROMA Lab

02 四足机器人技术增长点

在前面的内容中已经提到，四足机器人相比轮式机器人，可以适应更加崎岖的地形，具备更强的越障能力。然而想让你的狗子具备翻山越岭的能力，也不是一件容易的事。在应对崎岖地形时，不同的控制策略应运而生。

第一种较为传统，是通过使用外部的传感器，如激光雷达，深度相机，对周围的环境进行扫描建模，生成点云高度图，然后对四足机器人的每条腿针对实时更新的点云高度图进行落脚点规划，从而实现四足机器人在复杂环境下的稳定自主行走。

这种策略需要四足机器人主机可以以较高的频率获取外部传感器数据，并将其转化为点云，它对通信带宽，以及传感器精度，都有非常高的要求。同时，在算法上，也对落脚点规划的速度，也有比较高的要求。

第二种，则是完全不依赖外部传感器，仅仅靠自身的内部传感器，比如IMU和编码器，或者再加上足端力传感器，通过强化学习基于奖惩机制的训练迭代，最终得到一个可以实现对崎岖环境自适应，且可进行自主稳定行走的控制策略模型。

但是这种自适应崎岖地形的盲走控制方法，由于其算法比较复杂，复现难度较高，目前仅仅还只停留在学术界中，还没有看到目前在面向市场的四足机器人产品上有所使用。

目前现有的四足产品，对于像走楼梯之类的任务，更多还只是处于控制狗子闭着眼睛硬爬的阶段。对周围的环境缺乏感知，对自身的状态缺少判断，爬楼梯时，一步走错，就会有跌落楼梯，对机器人自身以及周围的人类造成伤害的风险。在算法层面，四足机器人的环境感知，落脚点规划，自适应控制等方面，依然有许多需要进行改进，成长的地方。

在硬件方面，作为具有较强越障能力和复杂地形环境适应能力的代价，四足机器人由于其具有多自由度的特性，因而在能量使用效率上相比同规格的轮式移动机器人要低许多。

同时，多自由度也带来了在负载能力和续航等性能上的牺牲。同时，如果想用一些更先进的控制算法，四足机器人本体上还需要搭载性能更强劲的主机才能把算法跑起来，这也对四足机器人的续航带来了挑战。

在硬件层面上，更轻，扭矩更大的电机关节模组，能量密度更大的电池，更强的算力，都会在潜移默化中为未来四足机器人春天的到来做出贡献。

期待有一天，四足机器人能够出现在我们生产生活的方方面面，成为我们生活的好伙伴，工作的好助手。

特别鸣谢：

在本文创作过程中，获得来自联想机器人APEK实习生团队的大力协助，特此感谢！

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