移动机器人与运动方式

步态

步态,是决定“哪条腿在什么时候动”的那个重复的模式——也就是迈步的编排。正如一匹马可以走、可以小跑、可以慢跑、也可以奔驰,腿式机器人也有好几种步态可选,而每一种不过是一套固定的抬脚、落脚的顺序和时机,一个周期接一个周期地重复。挑一种步态,就像挑一个舞步:一旦选定,各条腿就按同样的节奏轮流迈动,循环往复,直到机器人决定换一种为止。

不同的步态在稳定和速度之间做权衡。在“走”里,腿一次只动一条,于是地上始终留着不少脚,机器人因此稳当却缓慢。在“小跑”里,四足机器人把对角线上的两条腿成对地一起迈——左前配右后,再右前配左后——跑出轻快而平衡的步子。在“奔驰”里,各条腿以飞快、扫掠般的次序依次发力,落脚来得如此之快,以至于会出现一只脚都不在地上的短暂一瞬——这是最快、却也最不稳的步态,因为机器人此刻短暂地腾空在空中,必须算准着地的时机。

工程师把一种步态浓缩成一个很能说明问题的数字:占空比,也就是某只脚在每个周期里待在地上的时间占比。占空比大于二分之一,意味着每只脚着地的时间超过一半,于是地上总有好几只脚重叠着,机器人被牢牢撑住——这是一种缓慢而安全的“走”。占空比小于二分之一,意味着每只脚抬起的时间多过落下,便会出现着地的脚太少(甚至一只都没有)的瞬间,这只有在高速中借助动量才行得通——这是“跑”或“奔驰”。于是,占空比利落地把谨慎的行走步态和飞快的奔跑步态区分了开来。

一只机器狗在穿过一片结冰的地面时,可能会从快速的小跑切换到缓慢的行走,提高占空比,让总有三只脚扎在地上,这样即便打滑也不太容易摔倒。

切换步态,正是腿式机器人用速度换稳健落脚的方式。

经验法则:占空比大于二分之一就是“走”(始终有充分支撑);小于二分之一就是“跑”,其间有靠动量撑住的腾空瞬间。

又称
locomotion pattern步态模式walking pattern