如何评价6月3号腾讯发布的轮腿式机器人Ollie？ 第1页

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看到这个轮腿式机器人，我眼前一亮，有一种惊艳的感觉。下面，我从机器人设计研发的角度，拆分一下腾讯Robotics X发布的这款机器人的技术亮点。

作为一个机器人项目的研发核心人员，结合自身的研发经历，我试着画了一下这款机器人的技术路线图。这样可以从整体上给大家一个直观印象。

具体的研发路线图，见下图。如果你参与过类似轮腿式机器人的研发，对这个技术路线图一定不陌生。

一般来说，要对一个机器人进行控制，首先要建立起机器人的运动学和动力学模型。但是，轮腿式机器人是一个极其复杂的非完整约束多刚体动力学系统，模型复杂、非线性、强耦合，动态稳定性控制算法复杂、运动轨迹规划和协调作业等都有很高的技术难度，需要建立运动学和动力学支持的3D虚拟样机仿真系统，并在此基础上进行机构分析优化、运动轨迹规划、运动控制算法已经各种路面上的运动学和动力学仿真实验和验证。

因此，轮腿式机器人Ollie第一技术亮点是：非完整约束下的动力学系统建模、求解和仿真。

本质上讲，这个非线性、强耦合的动力学模型是一个非常复杂的数学问题。

第二个技术亮点是：非线性系统的快速动态稳定平衡控制以及运动控制

动态运动规划一般是在假设机器人模型和确定性环境的情况下生成的。实际上，轮腿式机器人本体就处在一个动态不平衡的非状态，需要实时进行平衡控制。因此，必须根据当前的环境信息和机器人当前的自身状态，对机器人状态进行动态修正，进行实时控制，是这款轮腿式机器人的关键技术难点之一。

在实际研发过程中，在制作样机之前，进行虚拟仿真也是一个不可缺少的过程，进而验证设计方案，并根据结果优化方案。在这个阶段，我一般使用动力学仿真软件Adams和Optistruct联合仿真，分析机器人在不同路面下运动及结构受力情况，研究机器人结构应力分布，验证结构设计以及控制系统设计的合理性并优化。

通过仿真分析，从中找到动态稳定平衡控制、传感与控制的规律，并应用到轮腿式机器人的系统设计与集成，进而实现对多自由度、强耦合、非线性、非完整约束、与地面相互作用的复杂动力学系统的分析，探索其中的规律，进行基于环境感知的实时稳定快速运动控制。

第三个技术亮点：轮腿式机器人协调作业规划。机器人根据外界环境的情况，结合自身当前的状态，跟变形金刚一样选择不同的作业形态，同时，还有兼顾自身的动平衡。

不同的作业形态策略要求全身协同完成的动作也不一样，这就需要协调作业规划，保证机器人作业时稳定和动作间的平滑与连贯。机器人是移动的，而且为了保持自身稳定，在实时反射控制中也会对轮腿进行微调，导致机器人重心位置的变化。

机器人运动作业时，既要考虑形态重心的变化，又要考虑手臂作业的可达性，还要兼顾到机器人自身的平衡。因此，进行全身协调规划作业也是本项目的难点之一。

此外，轮腿式机器人Ollie不仅各个感知与控制单元提出了轻量化、小型化和高实时响应能力的要求，而且对综合这些单元的整体机电系统集成提出了极高的要求。

高实时响应的轻量化机电集成并不是简单的关键技术和核心单元的叠加，而是必须进行详细的总体需求分析，设计并优化机械、电气和软件等接口和协议，建立快速处理的控制体系，并按照总体设计对各项关键技术和各个核心单元进行有机协调与整合，研究开发集机构、控制、电源、传感器、驱动等于一体的快速灵巧机器人。

因此，整个机电系统的轻量化、一体化集成也是该轮腿式机器人的技术亮点和难点。

以上都算是轮腿式机器人Ollie的技术亮点。下面分析一下它的不足之处。

第一，运动时机器人的负载大小，在试验过程中，没有给出。这一点关系到今后这个产品的应用场景。

第二，在作业臂工作的时候，需要尾部的一个支撑轮落地支撑，并配合作业。可以看出，轮足式机器人Ollie的动平衡状态的冗余度和鲁棒性还有待提高。

总体上讲，瑕不掩瑜，轮腿式机器人Ollie是一款非常不错的机器人平台级产品样机，有很多的应用场景，希望尽快能大批量生产。

一、ICRA 2021—Ollie亮相

2021年6月1日， 一个普通的儿童节。

不过，对于许多机器人研究工作者来说，或许是个不太普通的日子。

因为就在当天，腾讯AI Lab及Robotics X主任张正友博士，在机器人行业顶会 ICRA 2021做了一场大会报告，分享了实验室在机器人移动研究领域的布局与进展。

报告的相关内容，是基于本届ICRA 2021收录的一篇研究论文：Balance Control of a Novel Wheel-Legged Robot: Design and Experiments，就是下面这篇文章：

ICRA，全称 IEEE International Conference on Robotics and Automation（国际机器人与自动化会议），是机器人领域中最有影响力的国际学术会议之一。

腾讯今年的这篇文章，主要是介绍其研制的轮腿式机器人Ollie平衡控制的设计思路与实验结果，介绍了轮腿式机器人平衡控制的设计思路与实验结果，详细阐述了非线性控制技术的实验原理和技术突破。

因为原文还没有公布的缘故，暂时还没发看到详细的研究过程。因此只能通过报告内容来简单理解一下这篇文章的工作。

首先，其推导了轮腿式机器人（wheel-legged robot）的动力学模型，然后应用线性输出调节和基于模型的线性二次调节器(LQR)来保持机器人在地面上的站立状态，而会前后移动。为了考虑模型的非线性和获得大范围的稳定性，提出了一种基于互连和阻尼分配的非线性控制器-无源控制(IDA-PBC)方法来控制机器人。其次，用各种控制任务进行了实验测试，结果表明，线性输出调节可以保持机器人的站立状态，非线性控制器可以使机器人在远离平衡点的初始起点角度下或在机器人高度变化下保持平衡，因此Ollie得以在大部分情况下完美地保持平衡状态。

二、轮腿式机器人—背景信息

2.1 机器人发展历程

21 世纪以来，国内外对机器人技术的发展越来越重视，机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。因此，对于轮腿式机器人来说，当前不仅仅是国内在做相关的研究工作，而是全世界都在往这个方向发展。

因为结构简单，移动效率高等原因，轮式机器人是最先被制造出来的，也是最先得到了广泛应用的机器人种类之一。但是，随着机器人应用场景的不断拓展，尤其是面向一些复杂的非结构化环境，如楼梯、废墟等，传统的轮式移动机器人已经难以满足实际应用的需求。

举个简单的例子，2011年的福岛核事故发生后，就先后有许多团队试图使用轮式机器人展开救援工作，但实际效果却不是很理想。

原因有两个：一是核事故现场强辐射条件对机器人的电子通讯系统造成了干扰；二是传统轮式机器人很难应对非结构化的复杂环境，例如楼梯、台阶、废物瓦砾等复杂环境。

上述第二点原因，便是轮式机器人本身设计上的缺陷所致的。也正因如此，许多实验室开始研制腿式机器人。

与轮式移动机器人相比，腿式机器人（legged robot）具备在复杂非结构化环境中更好的机动性和适应性的潜力。从理论上来讲，原因有两点：一是腿式机器人的运动只需离散的立足点，可以通过非接触方式规避障碍；二是腿式运动可以提供一种主动悬挂的效果，让机器人本体在复杂地形中平稳地运动。

腿式机器人的不足之处在于，其在平坦路面上其移动速度和功耗表现都弱于轮式移动机器人，因此机动能力不能够满足复杂环境下的要求。

正因如此，轮腿式机器人的研究工作被提上了日程。

轮腿机器人设计的初衷，是旨在结合轮式机器人的高速高效性和腿式机器人对复杂地形的适应性强的特点，使机器人能够采用轮式运动方式在平整路面快速移动，同时可采用足式运动的方式实现在非结构化环境下的越障通过，进而增大机器人作业范围和环境适应性，

轮腿结合的最早工作，可以追溯到1998年Osamu Matsumoto等人研制的五自由度腿轮融接型双足轮腿机器人；2005年，早稻田大学研制成功了两足混合轮腿式机器人WS-2；2015年，韩国科学技术院研制的DRC-Hubo轮腿机器人获得了 2015 年美国 DARPA 机器人挑战赛的冠军，体现了这种复杂结构机器人的优越之处；2017年，波士顿动力公司推出了第一代轮腿融接型的双足轮腿机器人 Handle；2018年末，苏黎世联邦理工（ETH Zurich）于 2018 年12月发布了一款双轮跳跃机器人 Ascento；2021年，腾讯团队推出了最新研制的轮腿机器人——Ollie。

Ollie的出现，是轮腿式机器人发展的一大进步，其兼具轮式优势和腿部能力，并且迭代了之前长期的实验室技术积累，实现了新的进展。

2.2 相关原理介绍

轮腿机器人，其面向什么样的任务，决定了该机器人需要具备什么样的运动功能，运动功能需求又指导着机器人的结构方案设计。

经过多年的发展，虽然轮腿机器人的研究取得了一系列的进展，但离实际应用还有一定距离，其中，制约轮腿机器人发展的主要原因是其系统设计和运动控制的性能达不到实际应用的需求，尤其是机器人的平衡稳定控制。

轮腿机器人是一个天然的非稳定系统，工作中需要持续施加控制以保持自身平衡稳定，机器人如何保持自身平衡稳定的同时，执行工作任务，抵抗外部干扰等都是关键技术问题。

本次腾讯的研究论文，对轮腿式机器人Ollie平衡控制的设计思路与实验结果做了详细的解释，也为轮腿机器人进入实际场景工作提供了重要的科技支持。

2.3 目前驱动方式

目前的机器人驱动方式主要分为两种：液压驱动和电机驱动

其中，波士顿、HIT-WLR等主要使用液压驱动，而本次ICRA 2021中所设计的腾讯轮腿式机器人Ollie以及其它更多机器人则采取了电机驱动的方式。

2.4 优劣分析

前面提到的Handle 等机器人的动力系统，采用了液压驱动方案，虽然使其具有较强的动力输出能力，但是液压的固有特性使得机器人整体的能量效率偏低，这是因为液压驱动的会比较重（液压泵、油、管道，整套装置都比较重）；同时，较大的质量和体积使其更加适合于工厂和室外等工作环境。

因为主要将应用场景设置为室内办公和居家场景的民用环境，因此Ollie则采取电机驱动的方式，具有较高的可靠性和稳定性，且噪音很小（液压噪音很大），非常适合大部分社会环境下的使用，就目前来看适用性更强。

三、Ollie实景展示

6月3日，腾讯轮腿式机器人Ollie（奥利）正式亮相

实验室研发中的轮腿式机器人Ollie首次对外展示，在视频中表现了双轮平衡、多模态移动、跳跃、360度空翻等运动能力。

Ollie兼具轮式优势和腿部能力，平地移动快、效率高、噪音低，借助腿部能力则能完成适应不平地面、跳跃通过台阶等动作，越障能力强。视频中也可以看到，Ollie就像技巧高超的花滑高手，不仅能在多种地形上平稳滑动，还能灵活越障，秀出花式动作。

下面，来具体看看Ollie的各项本领。

3.1 平地移动

首先是平地上的曲线行驶，轮腿式机器人（wheel-legged robot）兼具轮式优势和腿部能力，从而使得其平地移动快、效率高且噪音低。

对于Ollie来说，完成这一动作毫无难度，无论是对于前进、转弯、还是倒退动作，效率高的同时速度也很快。

除了快速滑动和转圈外、通过障碍物也是很轻松的事情

3.2 跳跃空翻

借助强大的腿部能力，Ollie还能完成适应不平地面、跳跃通过台阶等动作，越障能力强。最低身高只有35厘米的Ollie，可以跳上40厘米的台阶，竖直起跳高度最高可达60厘米。

Ollie以全身动力学模型为基础，将整个跳跃或空翻过程分解为起跳、飞行、落地三个阶段，通过优化手段得到完成整个运动的关节电机位置、速度和关节力矩的参考值序列，再结合全身动力学控制来完成这一系列高动态动作。

另外，其也能够结合自身的配重，轻松完成360度的空翻动作。

3.3 不平整地面及其它干扰

双轮模式下，机器人与地面只有两个接触点，对平衡能力提出更大挑战。相关展示结果则表明，在变换身高过不平整地面和面对外界干扰时，Ollie都能完美保持平衡。

3.4 自我规划

Ollie采用的全身动力学控制，像是给Ollie装上了“小脑”，能让它实现更有挑战的运动，如在空翻落地和抗打击时，面对突如其来的巨大冲击，Ollie能采用最优方法求得全身各关节力矩，调整全身姿态，顺利抵抗外界干扰。

此外，其还拥有轨迹规划能力。在完成这些动作时，Ollie要动用自己的“大脑”提前规划好运动轨迹，即如何应用自身的形态和结构特点，最大程度地发挥关节电机性能来实现目标运动。

四、移动技术框架

本次Ollie的横空出世，实际上是有迹可循的。

在自平衡自行车、机器狗Jamoca和Max等技术研究之后，Ollie积累了实验室的移动控制技术，并在运动规划、平衡与稳定性上重点突破，因此使得Ollie机器人能够成为实验室2021年的又一大创新突破。

Ollie在机械本体、整机系统与控制软件上集成迭代了实验室技术积累，并重点在运动规划与控制上突破创新，新增的全身动力学控制与整机参数辨识提升了机器人运动的精准度、灵活度以及柔顺性，拓展了实验室的移动技术布局。

全身动力学控制，使得Ollie实现更具挑战的运动，如在空翻落地和抗打击时，面对突如其来的巨大冲击，Ollie能够“以柔克刚”。

这套控制技术基于机器人全身动力学，采用最优化方法求得全身各关节力矩，通过电机的力矩控制，实现机器人的全身姿态控制通过电机的力矩控制，实现机器人的全身姿态控制，提升抗外界干扰的能力。

Ollie能够完成跳跃和空翻，得益于其出色的轨迹规划能力。在完成这些动作时，Ollie提前“想好”运动轨迹，即如何应用自身的形态和结构特点，最大程度地发挥关节电机性能来实现目标运动。Ollie以全身动力学模型为基础，将整个跳跃或空翻过程分解为起跳、飞行、落地三个阶段，通过优化手段得到完成整个运动的关节电机位置、速度和关节力矩的参考值序列，再结合全身动力学控制完成了一系列高动态动作。

五、评价总结

在自平衡自行车、机器狗Jamoca和Max之后，Ollie又成为了实验室一大重要的产出成功，由此可以看出，技术的长期积累和发展，对于一个突破性成果的出现起着多么重要的影响与作用。

按照官方的介绍，目前的Ollie实际上还处于研发阶段。在随后的研究过程中，实验室将基于当前轮腿式机器人平台的机动性特点，拓展平台上感知、负载等各功能模块搭建，让机器人具备更成熟、更丰富的能力，走进更多生活场景。

随着技术的不断进步，经验的不断累积，相信未来的轮腿机器人，未来的Ollie会发展的更加高效，功能更加强大，前途光明！