启元 T1 双形态移动的取舍：地形适应、身体支撑与形态切换

翻开《T1 变形机器人用户手册》，同一张参数表里有一组容易让人停下来的数字。四足形态的最大移动速度是 3 m/s，轮足形态则是 2.5 m/s。

如果用“轮子负责快，四足负责越障”来理解这台机器人，这两个数字就不好解释。既然四足的速度上限更高，轮子还解决什么？反过来，已经可以靠轮子移动，T1 为什么又要俯下身体，让上肢也接触地面？

答案藏在身体的变化里。直立时，上肢留在身体两侧；俯下以后，它们参与落脚和支撑。遇到台阶，前后肢开始在不同高度上配合；重新起身，躯干、肢体与后轮又得一起调整。同一套部件，每换一种姿态，就有一些工作随之改变。

一、四足的速度上限更高，轮足还解决什么

这两个数字出自同一张官方参数表，旁边还列着两种姿态的尺寸和四足负载。

图 1　T1 普通版手册核心参数原表节选

最高速度回答的是一种形态可以达到多快。走完一段路线，还包括起步、转弯和停下。机器人绕过桌角，到人身边停住，速度达到上限之前，眼前这一小段路或许已经结束了。那两个数字并没有替它选好移动方式。

T1 的 SDK 状态图还把四足默认行走、四足越障和四足高速模式分别列出。“四足”下面仍有不同的运动状态，速度上限不能直接代表每一种动作的移动速度。机器人在楼梯前怎样迈出一步，与它在合适场地上能够达到多快，需要放在各自的场景里理解。

轮子的特点可以从滚动本身理解。轮缘的一部分接触地面，随着转动，新的部分接上来。地面连续、附着条件合适，支撑和前进便可以在滚动中延续。机器人无须为了每一次向前，都先抬起轮子，再给它挑一个新落点。

迈步多了一次接触的交替。一条肢体从承重转为摆动，越过一段空间，再落到地面上。身体前进时，还要照顾留在地上支撑的肢体。在连续平地上，滚动省去了反复选择落点的环节；后面遇到台阶，能够主动抬起肢体、重新落脚，又会成为有用的本领。

这还不足以给 T1 两种姿态排出能耗高低。轮足需要驱动轮子，也需要维持身体平衡；四足的消耗则随步态、速度和地面变化。速度表只列了上限，没有提供同一路线的能耗对照。

轮足还改变了身体的使用方式。T1 躯干立起以后，上肢离开地面，身体可以在较高的位置与人相对。移动和上肢动作不再共用前方的地面接触，机器人怎样靠近人、以什么姿态停留，也有了不同选择。

立起来仍要处理平衡。两个后轮形成的支撑布局，与前后肢展开时不同。起停带来的身体倾斜，需要轮子和关节配合调整。连续滚动带来便利，身体也需要适应这样的支撑布局。

如果把轮子想成两只永远摆在原地的脚，就容易漏掉这项配合。身体向前倾时，轮子可以向前移动，改变身体与支撑位置的关系；准备停下来，轮子减速与上身姿态又要相互照顾。保持平衡的过程允许轮子运动，身体也未必时刻笔直。

下面借 BHR-W 研究样机的论文模型看这类平衡问题。黑白圆块 CoM 标出重心，右侧连杆保留了肢体屈曲的关系。

以轮轴为参照，身体的主要质量位于上方，这类关系常被简化为双轮倒立摆。质量挂在支点下面，重力会使它趋向下垂；质量位于支撑上方，身体发生倾斜以后，就需要用轮子与机身的运动来调整。

图 2　Qiu 等，2022，图 5。研究对象为 BHR-W；CoM 表示重心，θ 表示模型倾角。CC BY 4.0。

躯干的朝向和整机重心并非同一个量。躯干可以挺直，屈起的腿和伸出的上肢仍会改变质量分布。只沿着外壳画一条竖线，无法代替整副身体的平衡关系。

轮子既带动机器人沿路线移动，又参与调整身体与地面的相对位置。向前移动的指令，最终需要和身体当时的倾斜、运动速度一起处理。若身体已经在向前转动，即使某一瞬间外观接近直立，下一瞬间仍可能继续倾斜。

轮足值不值得保留，到这里已经不能只看谁的速度上限更高。接下来得看，同一套肢体如何在两种姿态之间分工。

二、身体一俯下，上肢也换了工作

把官方早期短片中的两个画面并排放好，变化就很直观。

轮足姿态	四足姿态

图 3　外形对照，左图有人接触机体。

直立时垂在身体两侧的上肢，在四足姿态里伸向地面，末端成为接触部位。躯干俯下，后肢屈曲，身体在前后方向展开。T1 没有换上一副四足底盘，后轮也仍然留在后肢末端。

这让观察变形有了一个简单的办法。盯住同一条肢体，看看它怎样从身体两侧来到地面，再怎样收回。轮子与肢体始终共存在这副身体上，变化的是它们的位置，以及它们和地面的关系。

官方手册的部件线图把这副身体拆得更清楚。图中的上肢位于躯干两侧，下肢连着轮子，手部则在上肢末端。对照前面的四足画面，原来垂在身体旁的这一端，正是后来伸向地面的部分。

图 4　T1 手册第 12 页的部件图。

这种连接关系决定了一件很实际的事。上肢落地以后，躯干和末端之间的距离受到肢体结构约束。末端不滑动时，躯干继续前移，关节角度便要相应改变。前肢无法一面固定支撑身体，一面完全照着直立时的方式摆动。

轮子也没有因为四足姿态而退出。它既可以随转动改变接触位置，也可以由后肢带着移到另一处。遇到高度差，后肢的屈伸使轮子获得了平地滚动之外的运动空间。读这台机器人的身体，得把轮子和连接它的肢体一起看。

手册记录的外廓也随之改变。四足姿态列为 67 × 35 × 45 cm，双足形态列为 42 × 35 × 100 cm。这里的“双足”沿用手册尺寸栏的写法，对应文中讨论的轮足站立形态。

从 45 cm 到 100 cm，高度的差别很醒目，前后占据的空间也变了。直立时能靠近的位置，俯下以后未必容得下整副身体；准备转向或切换时，周围留出的空间也要跟着姿态考虑。这两组尺寸描述了身体外廓，重心在什么位置，还要看各部件的质量与分布。

前肢一旦落地，它的动作就和整机连在了一起。关节转动，可能改变末端位置，也可能带动躯干，或改变接触处的受力。原来可以随身体摆放的上肢，开始与后肢共同支撑和移动。

躯干向前移，前肢的关节仍得配合，直到这次支撑结束，再把末端抬起。由摆动转为承重，随后重新摆动，同一个部件在一段移动中会反复换工作。四足姿态增加的接触位置，需要靠这番交替才能变成连续前进。

离开地面以后，上肢可以回到身体两侧，参与其他姿态和交互动作。它仍有自己的质量，伸出或收回都会改变整机的质量分布。两种姿态各自提供一些动作空间，也各自要求其他部件配合。

手册对载物的区分也落在形态上。四足状态给出的负载限制是 3 kg，人形状态不支持负重载物。同样一段路，即使两种形态都能移动，任务中是否带着物品，仍会改变可选的安排。这个参数描述了使用范围，不能单凭它反推关节内部怎样分配力矩。

额外的物品也有位置。靠近机身放置，与远离机身伸出去，会形成不同的整机质量分布。负载的重量和摆放位置一起进入身体运动，前肢落地时接住的也包含这部分质量。读到“3 kg”，还要把它和“四足状态”这几个字放在一起。

四足姿态里的四个接触，也不会在移动中一直保持原样。一条肢体向前迈，原来的接触暂时减少；它落下以后，新的接触再加入。站立照片里看起来宽展的布局，要随着每一步重新安排。

地面出现高差时，这种变化就更容易看清了。

三、遇到台阶，先落下的前肢怎样接住身体

官网楼梯片段里，T1 正沿台阶向下走。前肢伸向较低一级，后轮仍在较高位置，躯干斜着连接两端。

前肢向较低踏面伸出	身体前移，后肢继续调整

图 5　同一楼梯片段的先后画面。

先看伸向下一级的前肢。轮子在连续地面上可以接着滚，台阶边缘却使脚下的表面突然下降。肢体能够先离开原来的接触，再越过边缘，向新的踏面落下。身体向下移动，前方得先有地方接住它。

这个落点不能只按“够不够远”来选。末端需要落在踏面上，摆动途中要绕开台阶边缘；太靠边，留给接触的余地就小。踏面有多深、下一级在哪里，也会影响它能伸到什么位置。楼梯的难度因此同时藏在高度和深度里。

T1 手册把四足可用的楼梯范围列为单级高度不超过 17 cm。这个数值给出了高度边界，身体在每一级踏面上怎样摆放，仍要放回具体楼梯来看。踏面深一些，肢体可以选择的位置不同；连续的几级台阶，则让前一次落脚紧接着影响后一次移动。

两帧之间，近侧前肢从向前下方伸出，变成更接近竖直地连接躯干与踏面。落点与身体之间的相对位置已经改变。迈下去的动作继续进行，先落下的前肢就要把后面跟来的身体接过去。

与此同时，另一侧前肢处于不同的姿态。左右两端未必同步落在同一级台阶上，身体也要允许它们分处不同位置。单看躯干高度，容易把这个过程读成整台机器一起下降；沿着肢体去看，才能分清哪些部分在移动，哪些接触暂时留在原处。

前肢落下，接着就要从移动中的部件转为支撑身体的一部分。贴到踏面只是开始，地面还得给出所需的作用力。机器人向前下方移动时，接触既要承重，也要配合身体减速和调整，摩擦便在这里进入了动作。

如果接触处打滑，前肢末端的位置就会偏离原来的安排。关节可以继续转动，身体却未必得到预期的支撑。同一个落点，换成湿滑表面，动作的条件已经不同。手册对附着力的要求，落到这一步就有了很具体的含义。

接住身体还要靠关节。落脚点与关节之间有一段距离，地面的作用经过肢体传到关节，关节需要提供相应力矩来配合承重。肢体伸展多少、屈曲多少，都会改变这段力学关系。能把末端伸到一个位置，与能在那里接住继续移动的身体，中间还隔着这一项要求。

力矩可以先理解成让关节转动的作用。同样大小的力，作用线离关节越远，产生的转动作用通常越大；关节与落点的相对位置改变，承重时需要应对的情况也跟着变。机器人把肢体收在身下，和把末端伸到远处，不能只按“都够得到”视为相同。

再把目光移到后轮。前肢已经到了下一级，整台机器人却还没有下来。躯干要向前下方移动，后肢需要改变姿态，让后轮逐步跟进。前面的新落点得为这段运动留出余地，后面的接触也要配合，直到身体转移到下一组位置。

图中较高处的后轮，会随着后肢运动通过台阶边缘。这里，轮子的位置不能仅用轮子转了多少来解释，连接它的后肢也在改变形状。同一个末端在平地上连续滚动，到楼梯上又随整条肢体调整接触位置，轮和腿的分工在一段动作里合到了一起。

前后肢之间还有躯干需要通过。图里的机身悬在相邻踏面之间，前肢往下落，后轮仍在高处，这段高度差就由肢体姿态承接。躯干底部到台阶边缘有没有余地，也随身体向前而改变。把前肢放到下一级，只解决了末端的去处，连接前后肢的机身还要从边缘上方经过。

机身不能任意上下移动，它始终通过关节连着前后肢。为了让躯干通过，后肢可能需要继续屈伸，已经落下的前肢也得配合。如果只把几个末端的落点画在楼梯上，省略中间这副身体，就会漏掉通行所需的一部分空间。楼梯既改变支撑，也把可活动的范围分成了不同高度。

一条肢体迈出去的这段时间，其余接触仍在支撑身体。把接触位置画成俯视图，变化就更明显了。

图 6　平地静态原理示意，重心投影位置仅用于解释。

左图四个接触点围成一片范围。右图抬起一肢，剩余三点围成三角形，即使身体暂时不动，可用的支撑范围也已经缩小。在只考虑重力与地面接触的简化模型里，重心投影需要留在这个范围内；接触处能否给出所需的力，还取决于摩擦等条件。

正在迈步的肢体已经退出了地面接触。回到楼梯，前肢伸向下一级时，身体要先依靠其余接触配合运动；新落点建立以后，它才加入支撑。接触位置在变化，身体也在跟进。

楼梯上的接触高低不同，行进中还有加减速，不能照搬图里的平地静态判断。但沿着画面中的动作看，问题已经串在了一起。先为前肢找到踏面，落下后接住身体，再让躯干与后肢通过边缘。每一步都同时牵动落脚和支撑。

落脚的次序也会影响接下来还剩哪些选择。一条肢体抬起时，另外几个接触暂时留在地上；它如果落在过近的位置，躯干前移后，肢体很快就可能接近伸展或屈曲的边界。当前这一步能接住身体，还要和下一条肢体怎样跟进连着考虑。

四足给 T1 带来的这项选择很具体。它可以主动安排新的接触位置，让前后肢分处不同高度。代价也落在同一个动作里，摆动的肢体要去找下一个位置，留在地上的部件则要帮助身体继续运动。

台阶走完，机器人可能还要重新立起来。那时，身体需要再换一套配合方式。

四、躯干仍在抬升，后肢与轮子也在调整

官方早期短片约 6 秒处，有一段局部起身画面，躯干仍在抬升。沿着同一部件连续看，肢体之间的配合才会显出来。

图 7　同一连续片段中的局部抬升过程，标记用于辨认部位与躯干朝向。

先看橙色圆圈指向的近侧前肢末端。它逐帧向画面上方移动，肢体屈曲的样子也在改变。再看躯干的方向线，身体从较平缓的倾斜转向更陡的姿态。上肢的变化和躯干抬升发生在同一段动作里。

这组近景记录的是起身的中间部分。前肢最初离地的时刻不在这里，画面留下的是躯干与肢体接着怎样变化。

蓝色标记定位后轮的可见部位。轮子上方，后肢与躯干的夹角连续变化；躯干在抬升，上肢也在收拢。若只对照俯身和直立两种外形，很容易漏掉后肢在中间这段动作里所做的调整。

后轮接地，并不会把轮轴钉在原地。轮子可以滚动，轮轴上方的关节也可以转动，身体得把这两种运动安排在一起。抬升时，躯干相对轮子的位置在变化，后肢也随之改变形状。用“把身体竖起来”概括动作很简短，真正运动的却是多个彼此相连的部件。

上肢同样参与这段变化。它们有质量，随着躯干抬升和肢体收回，整机的质量分布也在改变。后肢既要带动躯干，又要配合上肢动作带来的变化。轮足姿态下的起停与倾斜，同样要靠后轮和关节共同调整。

把几张外形相似的画面连起来，还会多出一个照片不容易表达的量。身体在某一帧倾斜多少，是位置关系；它正以多快的速度继续转动，则会影响下一瞬间到哪里。同样一个倾角，可能出现在刚开始抬升时，也可能出现在准备结束时，对后续动作的要求并不相同。

轮腿机器人研究会专门处理这段过渡。下面的 BHR-W 论文模型展示了跪姿、后仰和蹲姿，上身位置与下肢支撑关系在一起改变。

图 8　Qiu 等，2022，图 9。BHR-W 过渡姿态模型

回到 T1 的连续帧，躯干与后轮的相对位置也在变化。若把轮子当成固定支点，只看上身绕它转了多少，就会遗漏关节带来的调整空间。若只看上肢收到了哪里，又会遗漏躯干和后肢的变化。动作从俯身接到直立，要照顾这些运动共同形成的整机状态。

论文的转换实验图还把重心相对轮轴的 x 方向位置和同方向速度放在一起。转换末尾，两条曲线都逐渐回到零附近。

图 9　BHR-W 从跪姿恢复到平衡站立的实验数据，上为重心相对轮轴的位置，下为速度。Qiu 等，2022，图 18，CC BY 4.0。

身体经过目标位置时，如果还带着明显速度，就会继续运动。到达一个位置，与在那里保持住，需要分别处理。两条曲线因此分别记录位置和速度，不能只选其中一条描述转换的末尾。

回到图 7 的局部画面，T1 的躯干仍在抬升，肢体姿态也在变化。身体在过渡中留下的运动趋势，会成为后续动作开始时的条件。给切换安排一块地面，也得给这些相连的运动留出衔接过程。

手册给出的直立、四足尺寸，分别描述两种外廓。变形时，肢体还要经过一段路径。旁边的桌沿、墙面，可能没有挡住最终站姿，却正好占据了某条肢体收回时经过的位置。安排切换地点时，得把这段运动也留出来。

轮子下面的地面同样参与其中。台阶边缘会使可用接触突然改变，湿滑表面则难以提供预期的附着。手册把变形地点限定在较为平整、连续且附着力良好的地面。楼梯上可以有四足移动的落脚位置，却未必有一块适合完成形态切换的地方。

软件也为这段身体运动保留了过程。T1 SDK 的运动状态图把四足变双足、双足变四足列为动作，并用实线区分主动请求的路径、虚线区分系统自动进入后续状态的路径。形态变换类动作完成后，会进入对应的基础控制状态。文档还将运动状态中的切换阶段与运行阶段分别命名，程序安排下一步移动时，就有了需要观察的阶段。屏幕上发出一次切换请求，身体还得把这段过渡走完。

五、路线能够通过，切换地点还要另选

不妨设想一段符合手册使用范围的路线。前半段是平整走廊，中间有一段短楼梯，另一侧又接一块平台。

轮足沿走廊接近楼梯，决定换成四足以后，切换地点就成了一个独立选择。等身体已经探到台阶边缘，再临时找地方展开，会把移动与变形挤在同一个狭窄位置。更合适的安排，是在前方还有平整、连续地面，而且周围容得下肢体运动的地方，先完成切换，再接近楼梯。

到达另一侧的平台，也未必需要马上站起。如果平台短，后面紧接另一处高差，保持四足继续走可能更符合这段任务；若后面是适合轮足移动的连续地面，才有理由在合适的位置重新起身。选择跟着路线走，不能只看眼前这一刻能否站直。

任务本身也会影响这次选择。如果 T1 仍按四足载物条件携带物品，到了平地，也不能仅因为地面变平，就把负载条件忽略掉直接改用人形姿态。形态改变的是身体的工作方式，手册为该姿态规定的使用条件也得一并接上。

同一条走廊，空载经过与带着物品经过，可以形成不同的安排。能够变形，增加的是选择；是否要在这一小段路上使用它，还要看下一处地形和正在做的任务。反复切换会增加过渡动作，保持一种姿态又可能牺牲另一种姿态带来的便利，这份取舍要在路线中作出。

这给双形态增加了一项容易被外观演示略过的工作。除了选择用哪种姿态通过某段地面，还得为两种姿态之间的过渡安排位置和时机。能在某处移动，不等于适合在那里切换形态。

速度表里的 3 m/s 和 2.5 m/s 仍然有用，只是走到楼梯前，还需要作出另一个决定。先在哪里换好姿态，再把下一步迈出去。

相关手册、SDK 与更多开发资料，可在启元机器人开发者社区继续查阅。

参考资料

• 启元 T1 用户手册，普通版。参数与尺寸见第 14 页（PDF 第 16 页）。
• 启元 T1 官方 SDK，运动模式与状态定义。
• T1 官网演示与官方实验室短片。
• 足式机器人的建模与控制，接触与平衡原理。
• Qiu 等，轮腿机器人的直立、爬行及形态转换，2022。文中论文配图依 CC BY 4.0 许可使用。