為什麼要給機器人裝腿？
在平整、連續的地面上，輪子非常出色——停車場、倉庫地板、公路。但現實世界充滿了樓梯、路緣、碎石、樹根和縫隙，而輪子需要一條不間斷的表面才能滾動。一旦腳下的地面消失，輪子就卡住了。這正是腿式運動發揮價值的地方：腿不需要連續的接觸，它只需要一連串可以落腳的好位置。
想像一下踩著踏腳石過小溪。帶輪子的手推車做不到，但你可以——你選好一個個落腳點，跳過中間的水面。這就是腿的超能力：它把崎嶇、斷裂的地形變成了一個「在哪裡落腳」的選擇問題。腿式機器人可以爬樓梯、跨過倒木，把腳塞進任何輪子都跨不過去的窄縫裡。
步態：落腳的節奏
步態是每隻腳何時抬起、何時落下，以及如何抬落的重複模式——行走的編排。同樣一組腿可以用幾種不同的模式運動，就像一匹馬可以用同樣的四條腿走步、小跑、慢跑或飛奔一樣。每一種模式在速度、穩定性和能耗之間的取捨各不相同。
對於四足機器人——也就是四足運動研究的對象——經典的慢速步態是「走步」：一次只移動一隻腳，另外三隻腳保持著地。三隻腳著地構成一個寬闊、穩定的支撐面，所以走步謹慎而平穩。加快速度後，機器人切換到「小跑」，把對角線上成對的腿一起移動（左前配右後，再右前配左後）。全速時它可能「飛奔」，出現四隻腳同時離地的瞬間。
兩足機器人屬於雙足行走的範疇，它的循環看起來更簡單，實則更難。每條腿都在「支撐相」和「擺動相」之間交替：支撐相中，腳踏在地上、承擔身體重量；擺動相中，腳抬起並向前伸出，去夠下一步。只有兩隻腳，正常邁步時著地的腳永遠不超過一隻——而且常常會有一瞬間一隻都不著地——這正是雙足平衡如此苛刻的原因。
兩種平衡：可暫停的，與只在運動中成立的
腿式機器人學中最有用的一個概念，是兩種平衡的區分，由靜態與動態穩定性所概括。區別歸結為一個測試：如果你在任意瞬間把機器人定格，它會站住——還是會倒下？
靜態穩定意味著你可以在任意時刻暫停，機器人依然站立。規則是幾何性的：質心——也就是機器人全部重量的平均位置——必須始終位於支撐多邊形的正上方；支撐多邊形就是把當前著地的腳連起來所圍成的形狀。只要重量懸在這塊「腳印」之上，重力就會把機器人壓向它的腳，而不是越過邊緣把它推倒。慢速走步、保持三腳著地的四足機器人就是靜態穩定的：它可以在邁步途中停下並保持姿勢，就像一個人小心翼翼地走過冰面。
動態穩定是只在運動中存在的平衡。這裡質心在很多時候都位於支撐面之外——嚴格說來，機器人一直在往前倒。它之所以不倒，是因為它不停地接住自己：它恰好及時把一隻腳甩到前面，剎住這一跌，然後再往前倒、再接住，一步接一步。這正是人慢跑的方式，也是你靠手掌不斷微調來讓掃帚立在掌心上的方式。一停下，你就摔了。小跑或飛奔中的機器人是動態穩定的——快速而流暢，但你沒法簡單地把它在跨步途中定格。
選擇步態：讓節奏匹配速度與地面
選擇步態並非隨意——它取決於機器人此刻的需求。兩個最大的因素是：它想走多快，以及地面有多可靠。一個在鬆動碎石上擇路而行的機器人，想要靜態穩定的走步，保持寬闊的著地腳基，這樣一個糟糕的落腳點也不至於讓它摔倒。一個在平坦原野上衝刺的機器人，想要動態的小跑或飛奔，用風險換取速度和效率。
真正的機器會像動物那樣即時切換步態——在路況差的地方放慢成謹慎的走步，在路況好的地方加速成小跑。有些設計甚至徹底融合這兩個世界，把輪子裝在腿的末端，形成輪腿混合運動：在平整地面上高效滾動，路面斷裂時又像腿一樣邁步。本指南開頭那個「腿對輪」的選擇，並不總是非此即彼。
在這一切之下，有一個控制器在每一步上讓「接住」及時發生。知道重量在哪裡、正往哪裡去、下一隻腳該落在何處，是動態平衡的核心——而把這件事精確釘死的數學，包括運動中支撐多邊形的一個精確替身，正是我們下一篇指南要展開的內容。