清华团队研究成果：10 自由度柔性双足轮式机器人Whleaper
轮腿式机器人（wheel-legged robot）兼具轮式的高效与腿式的越障能力，是近年机器人研究的热门方向。但现有方案大多只有 1~2 个髋关节自由度，难以完成横向行走、避障滑行等复杂动作。来自清华大学和香港科技大学的研究团队推出了 Whleaper——一款拥有 10 个自由度 的双足轮式机器人。每条腿的髋关节都具备 3 个自由度（偏航/滚转/俯仰），让它在真实环境中实现行走、滑行、跳跃、避障、快速转向等多样化动作。Whleaper 样机一、机械设计：类人关节 + 串并联混合结构Whleaper 的每条腿包含 5 个自由度，其中髋关节就有 3 个，与人类髋关节类似。研发团队认为，只有让轮子相对地面拥有足够多样的朝向，机器人才能选择更丰富的落足点，从而兼顾稳定性与灵活性。髋关节偏航（Hip-Yaw）与滚转（Hip-Roll）：决定轮子的接地朝向，实现横向行走与姿态调整。髋关节俯仰（Hip-Pitch）与膝关节俯仰（Knee-Pitch）：负责抬腿与保持轮-地接触。轮桨（Wheel-Pitch）：轮子直接驱动，提供高速滑行能力。 腿部还采用了串并联混合结构：四连杆机构能减轻膝关节重量、降低惯量，并精确传递扭矩；整体在运动学上等效于串联机械臂，便于运动学与动力学求解。Whleaper 关节空间示意图。髋关节采用球腕结构提供偏航与滚转，大腿与髋关节末端通过电机连接实现俯仰。二、控制算法：LQR 平衡滑行 + RL 行走跳跃Whleaper 的运行依赖分层软件架构：指令层负责用户交互；控制层融合 IMU 和电机数据做状态估计，输出 LQR 或强化学习（PPO）的扭矩指令；硬件层通过 PID 控制电机，并反馈关节状态。Whleaper 控制系统架构。指令层 → 控制层 → 硬件层，形成完整的反馈控制闭环。滑行模式下，机器人被抽象为 轮式倒立摆系统（WIPS），利用 LQR 状态反馈 u = -Kx 保持动态平衡，实时抑制外部扰动。行走、跳跃等模式则采用基于 近端策略优化（PPO） 的强化学习。通过精心设计的奖励函数，机器人在仿真中学会维持平衡、遵守关节约束，并完成双脚离地的跳跃动作。三、实验结果：更稳、更敏捷、更灵活研究团队在仿真（IsaacGym）和真实环境中测试了 Whleaper。结果显示，增加髋关节自由度能显著改善机器人的稳定性、敏捷性与灵活性。稳定性：对比不同自由度配置发现，髋关节俯仰自由度对减小基座滚转/俯仰波动贡献最大；完整 10 自由度配置下，机器人行走姿态最自然。敏捷性：在“原地扭转”实验中，10 自由度 Whleaper 通过调整腿部姿态即可完成快速偏航，而 6 自由度机器人只能依赖轮子差速，动作更慢。灵活性：Whleaper 展示了 10 余种动作：正向行走、横向行走、避障滑行、滑冰式转向、膝关节摆动、蹲伏、跨越障碍、斜坡上站立、沿 S 路径滑行等。其中横向行走和避障滑行需要 3 个髋关节协调，是传统低自由度轮腿机器人难以实现的。Whleaper 在仿真与现实中完成的一系列动作。四、总结与展望Whleaper 通过增加髋关节自由度，拓展了轮腿式机器人的姿态空间与运动模式。团队已用 LQR 在真实场景中实现滑行，并在仿真中完成强化学习行走/跳跃。下一步计划将强化学习策略迁移到真实机器人，并引入模型预测控制（MPC）和全身控制（WBC），进一步弥合仿真到现实的 gap。📚 来源说明论文标题：Whleaper: A 10-DOF Flexible Bipedal Wheeled Robot（《Whleaper：一款 10 自由度柔性双足轮式机器人》）作者：Yinglei Zhu†, Sixiao He†, Yan Ning, Zhenghao Qi, Zhuoyuan Yong, Yihua Qin, Jianyu Chen*（清华大学 / 香港科技大学 / 清华大学交叉信息研究院，† 共同一作，* 通讯作者）机构：Tsinghua University · Hong Kong University of Science and Technology · IIIS, Tsinghua University出处：arXiv:2504.21767v2 [cs.RO]，2026-03-12（预印本）译注：中文翻译由 AI 辅助完成，仅供学习交流，学术引用请以英文原文为准。来源：机械图纸狗
