X2-N：具有双模行走与操作的可变形轮腿人形机器人

X2-N：具有双模移动与操作的可变形轮腿人形机器人

论文：X2-N: A Transformable Wheel-legged Humanoid Robot with Dual-mode Locomotion and Manipulation
作者：Yan Ning, Xingzhou Chen, Delong Li, Hao Zhang, Hanfu Gai, Tongyuan Li, Cheng Zhang, Zhihui Peng, Ling Shi
机构：香港科技大学电子与计算机工程系、智元创新公司 X-lab
链接：arXiv:2604.21541

一句话总结

X2-N 是一种高自由度可变形机器人，通过关节复用原理在足式人形和轮腿两种模式间无缝转换——足式模式13自由度下肢实现仿人步行和爬楼梯，轮腿模式9自由度实现高效轮式移动，配合强化学习全身控制器和基于模型的操作控制器，在21自由度平台上实现了滑行、爬楼梯和包裹递送等移动操作任务。

研究背景与动机

高自由度敏捷腿式机器人近年来在研究和产业中取得了显著进展，其中人形机器人和轮腿机器人是两个突出的平台方向。人形机器人通过高自由度全身设计展现出鲁棒的动态运动和灵巧操作能力，其双足平底结构提供稳定的站立和最小的地面占用，有利于静态操作。然而，运动过程中腿式移动频繁的冲击影响操作稳定性，且在工业和民用场景常见的连续平坦地形上，腿式移动的能量效率、速度和稳定性不如轮腿系统。

轮腿机器人将轮子集成到腿式系统中以提升移动效率和地形适应能力，可在平稳的轮式移动过程中进行稳定操作。但传统轮腿设计存在两个关键缺陷：第一，轮式模式采用固定轮子作为足，腿式模式时仅有单点接触约束导致稳定性差，不如平底足的人形机器人；第二，大多数系统只设计了有限自由度的腿部和仅有下半身，缺少完整上身和臂，操作能力远不如人形机器人。

因此，现有机器人平台难以在统一形态下同时实现高效敏捷的移动和稳定灵巧的操作。X2-N 的设计目标是解决这一矛盾：在单一平台上融合人形的平底足稳定性与轮腿的高效移动，同时配备完整上身实现灵巧操作。核心挑战在于人形和轮腿构型的运动学结构不匹配（自由度和接触约束不同），且模式转换通常需要额外的专用驱动。

X2-N 通过三项创新设计解决上述挑战：关节复用原则（将腿偏航关节移至末端轮鈠电机实现转向，避免额外驱动）、拓扑级重构（足式13自由度→轮腿9自由度，通过结构锁紧机构锁定冗余自由度）、以及模块化上身（4自由度基础臂可更换7自由度灵巧臂）。整机重约28 kg，高1.1 m，足式模式21自由度，轮腿模式17自由度。

系统设计

图1：X2-N 双模移动示意。配备4/7自由度臂，在楼梯和坡道上运行。

两模式可变形腿设计。足式模式下，下肢13自由度包括1自由度腰部偏航和两条6自由度腿。每条腿采用传统人形拓扑：3自由度髋（俯仰、侧滚、偏航）、1自由度膝（俯仰）、2自由度踝（俯仰、侧滚）。与传统设计的区别在于偏航关节的重定位——传统平底足被集成直驱轮毂电机的轮子取代，该电机同时复用为腿的偏航关节。通过将腿偏航关节移至末端，X2-N 集成了轮转向电机同时保持人形兼容的运动学。

为提升动态性能和运动敏捷性，膝和踝俯仰执行器被移近质心以减少肢体惯量，并设计四连杆机构进行功率和扭矩传递。轮腿模式下，偏航运动可通过轮速差实现，无需显式腿偏航关节。每条腿重构为4自由度拓扑（含轮转向），通过结构锁紧机构利用踝侧滚执行器的位置控制将轮架与小腿刚性锁定。模式转换通过踝侧滚关节主动驱动轮电机方向从水平足接触转为垂直轮接触实现。锁紧机构采用保持夹结构和多接触界面稳定轮扭转，滑动槽结构引导踝至小腿定位。

上身设计。臂的关键权衡是操作灵巧性与动态敏捷性。X2-N 采用模块化可互换上肢设计：基础配置每臂4自由度（肩2+上臂偏航1+肘1），前臂为刚性连杆用于高效运动和承重；可更换3自由度模块化腕（偏航、侧滚、俯仰）安装在肘部，连杆机构对齐腕关节轴使它们在空间相交，提升末端执行器机动性。末端可配备夹爪或灵巧手。躯干采用金属-聚合物混合结构平衡刚度和重量，前置摄像头用于感知和遥操作，线路穿过执行器空心轴防止大关节运动时电缆扭转。

四种定制执行器采用准直驱设计和行星齿轮减速，提供高扭矩密度、低转子惯量和低旋转摩擦，确保高反向驱动力和电流-扭矩近似线性映射，无需专用扭矩传感器。高负载关节（肘和踝俯仰）的电机和齿轮箱通过皮带传动解耦以增加扭矩输出。交叉滚子轴承集成在执行器输出轴上实现直接结构安装。机载计算基于 NanoPi（RK3588处理器），10000 mAh电池提供约1小时运行，CAN-fd网络约1 kHz通信。

控制框架

图2：X2-N 控制架构。RL运动控制器（三独立代理）+ 基于模型的全身操作控制器，通过共享机器人状态实现移动操作。

运动控制器。基于PPO的RL控制器采用actor-critic架构，设计了三个独立代理：轮腿代理、足腿代理和混合代理，可根据工作场景切换。策略在Isaac Gym中训练，在MuJoCo中验证后部署。低级执行采用力矩-位置-速度混合控制器（MIT控制策略），策略推理50 Hz，状态估计和执行器控制1 kHz。

轮腿代理与离心补偿。X2-N 的高自由度腿、重上身和高质心使轮腿运动具有挑战性。为解决转向时的离心效应，设计离心补偿奖励。期望侧倾角根据前进速度 $v_x$ 和偏航角速度 $\omega_{\text{yaw}}$ 计算：

$$\theta^{\text{des}}=\arctan\left(\frac{v_{x}\omega_{\text{yaw}}}{g}\right)$$

离心补偿奖励惩罚观测侧向加速度与期望值的偏差：

$$R_{\text{cen}}=-(a_{y}^{\text{obs}}-\min(0.3,\sin\theta^{\text{des}}))^{2}$$

足腿代理与仿人步态模仿。足腿模式依靠平底足步进和转向进行运动。采用AMP（Adversarial Motion Priors）方法从AMASS人体动捕数据中学习仿人步态先验。模仿奖励基于当前关节构型与参考构型的距离：

$$R_{\text{mimic}}=\exp(-2\|\mathbf{q}-\mathbf{q}_{\text{ref}}\|)-0.2*\min(\|\mathbf{q}-\mathbf{q}_{\text{ref}}\|,0.5)$$

混合轮腿代理。结合轮腿和足腿行为实现动态"滑行"（步进前进+轮助推）和"太空步"（步进前进同时轮后退）运动，充分利用X2-N的运动能力。

转换控制器。足式→轮式转换通过预计算离线关节轨迹实现，踝关节在空中旋转使轮从足接触转为轮接触。平衡奖励在转换过程中稳定质心和姿态：

$$R_{\text{balance}}=k_{1}\exp\left(-\frac{\theta^{2}_{\text{roll}}}{\sigma_{\theta}^{2}}\right)+k_{2}\exp\left(-\frac{\theta^{2}_{\text{pitch}}}{\sigma_{\theta}^{2}}\right)+k_{3}\exp\left(-\frac{\omega^{2}_{\text{roll}}}{\sigma_{\omega}^{2}}\right)+k_{4}\exp\left(-\frac{\omega^{2}_{\text{pitch}}}{\sigma_{\omega}^{2}}\right)$$

flowchart TD
  A[Isaac Gym 训练] --> B[PPO Actor-Critic]
  B --> C[轮腿代理]
  B --> D[足腿代理 + AMP]
  B --> E[混合代理]
  C --> F[离心补偿奖励]
  D --> G[仿人步态模仿奖励]
  E --> H[滑行/太空步]
  C --> I[场景切换]
  D --> I
  E --> I
  I --> J[低级混合控制器 1kHz]
  J --> K[X2-N 硬件]
  L[任务指令] --> M[全身操作控制器]
  M --> N[逆运动学 + 雅可比]
  N --> O[牛顿-欧拉动力学]
  O --> J
  K --> P[共享状态]
  P --> M

全身操作控制器。基于模型的全身控制器适应两种臂构型，与运动控制器通过共享机器人状态协同实现移动操作。任务驱动的目标位姿在笛卡尔空间定义位姿、速度和力向量，通过逆运动学和末端雅可比 $\mathbf{J_{\text{ee}}}$ 计算期望关节位置和速度，外力 $\mathbf{F}_{\text{ext}}$ 通过牛顿-欧拉方程推导关节力矩：

$$\mathbf{M(q)}\mathbf{\ddot{q}}+\mathbf{C(q,\dot{q})}+\mathbf{g(q)}=\mathbf{\tau}+\mathbf{J_{\text{ee}}}^{\top}\mathbf{F}_{\text{ext}}$$

其中 $\mathbf{M(q)}$ 为质量惯量矩阵，$\mathbf{C(q,\dot{q})}$ 为科氏和离心项，$\mathbf{g(q)}$ 为重力项。推导出的关节位置、速度和力矩通过低级PD控制器执行。

工作空间分析

为评估足式模式下关节重构的影响，将X2-N的腿与传统人形腿的运动学工作空间和可操作性进行对比，两者具有相同的大腿和小腿长度。使用蒙特卡洛方法采样可达工作空间，通过凸包覆盖和体素网格占用评估体积，并计算Yoshikawa可操作性指数：

$$\bar{w}=\frac{1}{N}\sum_{k=1}^{N}\sqrt{\det\left(\mathbf{J_{\text{ee}}}(\mathbf{q}_{k})\mathbf{J_{\text{ee}}}^{\top}(\mathbf{q}_{k})\right)}$$

结果表明，重构拓扑的工作空间体积和可操作性与传统人形腿相当（81-91%），轻微的工作空间减少对典型运动场景中的足部放置影响最小。这验证了关节重构在保持高运动能力的同时实现了转换和轮集成的额外功能。

运动性能与能耗评估

在轮腿模式下，X2-N 测试了通过小坡道、坡上原地旋转、下楼梯台阶和外部推力恢复，腿作为主动悬挂系统允许通过高度不平整地形。利用腰部关节，X2-N 可在保持上身朝向的同时进行敏捷全向移动。足腿模式下表现如中型人形机器人，执行仿人行走、爬楼梯和爬坡、推力恢复。混合模式实现了"滑行"和"太空步"行为。

能耗通过积分各关节功率计算：

$$E_{\text{total}}=\sum_{k=0}^{N-1}\sum_{i=1}^{n}\eta^{-1}\tau_{i}(k)\dot{q}_{i}(k)\Delta t_{k}$$

其中 $\tau_{i}(k)$ 和 $\dot{q}_{i}(k)$ 为关节 $i$ 在时间步 $k$ 的力矩和角速度，$\eta$ 为传动效率。轮腿模式在平坦地形上的能耗显著低于足腿模式，验证了双模设计的能效优势。

图3：X2-N 模式转换过程。上：足腿→轮腿；下：轮腿→足腿。通过踝关节主动驱动轮电机方向变化实现。

从实际部署角度看，X2-N 的28 kg重量和1.1 m身高使其适合在人类设计的室内外环境中工作——门框、走廊、楼梯等基础设施的尺寸是为人类设计的，中型人形尺寸可以自然适配。1小时电池续航和快速更换机制支持持续作业。模块化上身设计允许根据任务需求快速切换4自由度基础臂（轻量高效）或7自由度灵巧臂（精细操作），这种灵活性在物流递送、巡检维护等场景中具有实用价值。CAN-fd总线的1 kHz通信带宽确保了高动态运动控制的实时性，50 Hz 策略推理频率平衡了计算延迟和控制响应，整体系统在动态性能与实时性之间取得了良好平衡，为后续在更多真实场景中的大规模验证和长期部署奠定了坚实的基础，展示了良好的工程实用前景和十分广阔的应用潜力。

局限性

工作空间损失。关节重构虽然保留了大部分运动能力，但工作空间体积降至传统腿的81-91%，在极端运动范围场景下可能受限。最大可操作性降至84%，表明在构型边界附近灵巧性有所降低。

转换稳定性。轮腿→足腿转换中单点接触固有不稳定，转换时长需逐步精调以实现平稳转换和平衡。模式转换过程中机器人处于过渡构型，抗干扰能力弱于稳定模式。上身负载对转换稳定性的影响未充分评估。

总结

X2-N 通过关节复用、拓扑重构和结构锁紧三大设计原则，在单一平台上实现了人形足式和轮腿双模移动与操作，无需额外专用驱动器。RL运动控制器（三代理+离心补偿+步态模仿）和基于模型的全身操作控制器通过共享状态协同，实现了滑行、爬楼梯、包裹递送等移动操作任务。工作空间分析验证了重构拓扑与传统人形腿的可比性（81-91%），能耗评估验证了双模设计的能效优势。整机28 kg、1.1 m、21自由度的紧凑设计为实际部署提供了有潜力的平台。

与现有平台的对比

X2-N 与现有人形和轮腿平台的差异值得关注。传统人形机器人如 Unitree G1、Boston Dynamics Atlas 采用平底双足设计，在腿式运动和操作方面能力强大，但在平坦地形上的能效有限——腿式移动的每次落脚都伴随冲击和能量损耗，而轮式移动可以连续高效滚动。轮腿平台如 LimX TRON-1、DIABLO 将轮子集成到腿端，提升了平坦地形能效，但传统设计将轮子固定为足端，腿式模式时单点接触导致稳定性差，且大多只有下半身无操作能力。

X2-N 的独特之处在于通过关节复用实现了真正的双模切换——不是简单地在足端装轮子，而是通过踝侧滚关节主动驱动轮电机方向从水平（足接触）到垂直（轮接触）的完整翻转，配合结构锁紧机构在轮腿模式下刚性锁定冗余自由度。这意味着两种模式各自具有优化的拓扑结构：足式模式保留完整的6自由度人形腿拓扑实现平底足稳定步态，轮腿模式精简为4自由度实现高效轮式运动。两种模式之间无需额外驱动器，仅通过现有关节的重新配置即可完成转换。

从控制角度看，三独立代理的设计比单一统一策略更实用——轮腿和足腿的运动动力学特性差异极大，统一策略需要在两种截然不同的模式间妥协，而独立代理可以各自针对模式特性优化。混合代理的"滑行"和"太空步"行为是X2-N 独有的能力，利用了轮和足的同时作用，是传统单模平台无法实现的。离心补偿奖励 $R_{ ext{cen}}$ 针对高质心轮腿机器人的转向稳定性问题，通过期望侧倾角 $ heta^{ ext{des}}=rctan(v_x\omega_{ ext{yaw}}/g)$ 补偿离心力，这是摩托车转弯的物理原理在机器人控制中的应用。

在执行器设计方面，四种定制执行器（R90/R57/R52/R52-U）采用准直驱（QDD）设计，兼顾高扭矩密度和低转子惯量。R90 减速比仅16但峰值力矩达120 Nm，适用于髋等高负载关节；R52-U 减速比72适用于需要大力矩但低速度的关节。高负载关节采用电机-齿轮箱皮带传动解耦设计，在保持紧凑性的同时增加扭矩输出。交叉滚子轴承的集成确保了冲击下的高刚度，这对于轮腿模式中轮子承受地面冲击尤为重要。

工作空间分析的结果——X2-N 腿达到传统腿81-91%的工作空间和可操作性——说明偏航关节从髋移至末端的拓扑重构虽然改变了雅可比结构，但并未显著损失足部可达范围。轻微的工作空间减少主要源于轮毂电机占用空间对关节极限的轻微限制，但在典型步态运动范围内影响可忽略。这一结果验证了关节复用原则的可行性：不需要在运动能力上做出重大牺牲即可实现双模功能。