为什么要给机器人装腿？
在平整、连续的地面上，轮子非常出色——停车场、仓库地板、公路。但现实世界充满了楼梯、路缘、碎石、树根和缝隙，而轮子需要一条不间断的表面才能滚动。一旦脚下的地面消失，轮子就卡住了。这正是腿式运动发挥价值的地方：腿不需要连续的接触，它只需要一连串可以落脚的好位置。
想象一下踩着踏脚石过小溪。带轮子的手推车做不到，但你可以——你选好一个个落脚点，跳过中间的水面。这就是腿的超能力：它把崎岖、断裂的地形变成了一个“在哪里落脚”的选择问题。腿式机器人可以爬楼梯、跨过倒木，把脚塞进任何轮子都跨不过去的窄缝里。
步态：落脚的节奏
步态是每只脚何时抬起、何时落下，以及如何抬落的重复模式——行走的编排。同样一组腿可以用几种不同的模式运动，就像一匹马可以用同样的四条腿走步、小跑、慢跑或飞奔一样。每一种模式在速度、稳定性和能耗之间的取舍各不相同。
对于四足机器人——也就是四足运动研究的对象——经典的慢速步态是“走步”：一次只移动一只脚，另外三只脚保持着地。三只脚着地构成一个宽阔、稳定的支撑面，所以走步谨慎而平稳。加快速度后，机器人切换到“小跑”，把对角线上成对的腿一起移动（左前配右后，再右前配左后）。全速时它可能“飞奔”，出现四只脚同时离地的瞬间。
两足机器人属于双足行走的范畴，它的循环看起来更简单，实则更难。每条腿都在“支撑相”和“摆动相”之间交替：支撑相中，脚踏在地上、承担身体重量；摆动相中，脚抬起并向前伸出，去够下一步。只有两只脚，正常迈步时着地的脚永远不超过一只——而且常常会有一瞬间一只都不着地——这正是双足平衡如此苛刻的原因。
两种平衡：可暂停的，与只在运动中成立的
腿式机器人学中最有用的一个概念，是两种平衡的区分，由静态与动态稳定性所概括。区别归结为一个测试：如果你在任意瞬间把机器人定格，它会站住——还是会倒下？
静态稳定意味着你可以在任意时刻暂停，机器人依然站立。规则是几何性的：质心——也就是机器人全部重量的平均位置——必须始终位于支撑多边形的正上方；支撑多边形就是把当前着地的脚连起来所围成的形状。只要重量悬在这块“脚印”之上，重力就会把机器人压向它的脚，而不是越过边缘把它推倒。慢速走步、保持三脚着地的四足机器人就是静态稳定的：它可以在迈步途中停下并保持姿势，就像一个人小心翼翼地走过冰面。
动态稳定是只在运动中存在的平衡。这里质心在很多时候都位于支撑面之外——严格说来，机器人一直在往前倒。它之所以不倒，是因为它不停地接住自己：它恰好及时把一只脚甩到前面，刹住这一跌，然后再往前倒、再接住，一步接一步。这正是人慢跑的方式，也是你靠手掌不断微调来让扫帚立在掌心上的方式。一停下，你就摔了。小跑或飞奔中的机器人是动态稳定的——快速而流畅，但你没法简单地把它在跨步途中定格。
选择步态：让节奏匹配速度与地面
选择步态并非随意——它取决于机器人此刻的需求。两个最大的因素是：它想走多快，以及地面有多可靠。一个在松动碎石上择路而行的机器人，想要静态稳定的走步，保持宽阔的着地脚基，这样一个糟糕的落脚点也不至于让它摔倒。一个在平坦原野上冲刺的机器人，想要动态的小跑或飞奔，用风险换取速度和效率。
真正的机器会像动物那样实时切换步态——在路况差的地方放慢成谨慎的走步，在路况好的地方加速成小跑。有些设计甚至彻底融合这两个世界，把轮子装在腿的末端，形成轮腿混合运动：在平整地面上高效滚动，路面断裂时又像腿一样迈步。本指南开头那个“腿对轮”的选择，并不总是非此即彼。
在这一切之下，有一个控制器在每一步上让“接住”及时发生。知道重量在哪里、正往哪里去、下一只脚该落在何处，是动态平衡的核心——而把这件事精确钉死的数学，包括运动中支撑多边形的一个精确替身，正是我们下一篇指南要展开的内容。