Whleaper: A 10-DOF Flexible Bipedal Wheeled Robot
作者: Yinglei Zhu, Sixiao He, Zhenghao Qi, Zhuoyuan Yong, Yihua Qin, Jianyu Chen
分类: cs.RO
发布日期: 2025-04-30
期刊: 2024 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2024, pp. 11272-11277
DOI: 10.1109/IROS58592.2024.10801355
💡 一句话要点
Whleaper：一种具有10自由度的高柔性双足轮式机器人，提升复杂地形适应性。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 轮腿机器人 双足机器人 高自由度 髋关节设计 多模态运动
📋 核心要点
- 现有轮腿机器人髋关节活动范围有限，影响了其在复杂地形下的运动能力和稳定性。
- Whleaper通过在髋部增加自由度，扩展了机器人姿势范围，增强了足地接触，从而提升稳定性和灵活性。
- 通过控制特定自由度，Whleaper实现了行走和滑动的多模态运动，并在实验中验证了其避障和快速转弯能力。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种新型的10自由度(DOF)双足轮式机器人Whleaper，其每条腿的髋部具有3个自由度。与现有轮腿机器人相比，Whleaper的人形关节设计使其能够在复杂场景中实现自适应运动，从而确保稳定性和灵活性。论文详细介绍了Whleaper的创新机械设计、控制算法和系统实现。髋部增加的自由度扩展了机器人可能的姿势范围，改善了其足部与地面的接触，从而提高了稳定性。额外的自由度也增强了其移动性，在行走或滑动过程中，可以采用更复杂的运动来执行避障任务。论文利用两种控制算法实现了行走和滑动的多模态运动，并通过仿真和实际实验证明，高自由度的髋关节设计可以有效地提高轮腿机器人的稳定性和灵活性。Whleaper展示了在现实场景中执行蹲伏、避障滑动和快速转弯等动作的能力。
🔬 方法详解
问题定义：现有轮腿机器人在髋关节的自由度不足，限制了其在复杂地形下的运动能力和稳定性。尤其是在需要精细姿态调整和避障操作时，髋关节的局限性会显著降低机器人的性能。因此，需要设计一种具有更高髋关节自由度的轮腿机器人，以提升其在复杂环境中的适应性和灵活性。
核心思路：Whleaper的核心思路是在每条腿的髋部增加自由度，使其达到3个自由度。这种设计模仿了人类髋关节的结构，允许机器人进行更灵活的姿态调整和运动规划。通过增加髋关节的自由度，可以扩展机器人的可达工作空间，并提高其在不平坦地形上的平衡能力。
技术框架：Whleaper的整体架构包括机械结构设计、控制算法和系统实现三个主要部分。机械结构方面，重点在于髋关节的设计，采用了具有3个自由度的串联关节结构。控制算法方面，论文提出了两种控制算法，分别用于行走和滑动模式。系统实现方面，包括硬件平台的搭建和软件系统的开发，以支持机器人的运动控制和感知。
关键创新：Whleaper最重要的技术创新点在于其高自由度的髋关节设计。与传统的轮腿机器人相比，Whleaper的髋关节具有更大的活动范围和更强的运动能力。这种设计使得机器人能够进行更复杂的姿态调整，从而提高了其在复杂环境中的适应性和灵活性。
关键设计：髋关节的具体设计包括三个旋转关节的串联，每个关节都配备了电机和传感器，用于精确控制关节的角度和力矩。控制算法方面，采用了基于模型的控制方法，利用机器人的动力学模型进行运动规划和控制。此外，还设计了用于切换行走和滑动模式的控制策略，以实现多模态运动。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过仿真和实际实验验证了Whleaper的性能。实验结果表明，与传统的轮腿机器人相比，Whleaper能够更稳定地行走在不平坦地形上，并能更灵活地执行避障操作。例如，Whleaper能够成功地完成蹲伏、避障滑动和快速转弯等动作，展示了其高自由度髋关节设计的优势。
🎯 应用场景
Whleaper具有广泛的应用前景，包括但不限于：复杂地形下的搜索与救援、工业巡检、物流运输以及家庭服务。其高自由度的髋关节设计使其能够在崎岖不平的地形上稳定行走，并能灵活地避开障碍物。未来，通过进一步优化控制算法和感知系统，Whleaper有望在更多实际场景中发挥重要作用。
📄 摘要（原文）
Wheel-legged robots combine the advantages of both wheeled robots and legged robots, offering versatile locomotion capabilities with excellent stability on challenging terrains and high efficiency on flat surfaces. However, existing wheel-legged robots typically have limited hip joint mobility compared to humans, while hip joint plays a crucial role in locomotion. In this paper, we introduce Whleaper, a novel 10-degree-of-freedom (DOF) bipedal wheeled robot, with 3 DOFs at the hip of each leg. Its humanoid joint design enables adaptable motion in complex scenarios, ensuring stability and flexibility. This paper introduces the details of Whleaper, with a focus on innovative mechanical design, control algorithms and system implementation. Firstly, stability stems from the increased DOFs at the hip, which expand the range of possible postures and improve the robot's foot-ground contact. Secondly, the extra DOFs also augment its mobility. During walking or sliding, more complex movements can be adopted to execute obstacle avoidance tasks. Thirdly, we utilize two control algorithms to implement multimodal motion for walking and sliding. By controlling specific DOFs of the robot, we conducted a series of simulations and practical experiments, demonstrating that a high-DOF hip joint design can effectively enhance the stability and flexibility of wheel-legged robots. Whleaper shows its capability to perform actions such as squatting, obstacle avoidance sliding, and rapid turning in real-world scenarios.