Gait
- 又稱: Locomotion Gait, Walking Pattern, Gait Pattern
- 類別: Control › Locomotion control
- 標籤: locomotion, legged-robot, walking, control, cpg
足式機器人進行行走運動時所使用的腿部動作模式與時序。
定義
步態指的是足式機器人用來進行行走運動的腿部動作模式與時序。就像動物在不同速度與地形下使用不同的步態（慢步、小跑、疾馳），足式機器人也實作各種針對穩定性、速度、能源效率與地形條件最佳化的步態模式。
常見的四足步態： - 慢步：一次只有一條腿移動，其他三條腿留在地面上。最慢但最穩定，機器人始終保持三腳架或更寬的支撐多邊形。 - 小跑：對角的兩條腿同時移動（左前與右後，接著右前與左後）。在速度與穩定性之間取得良好平衡。是大多數四足機器人的預設步態。 - 對側步：同側的腿一起移動（左前與左後）。由於橫向不穩定，在機器人中較少見。 - 跳躍/疾馳：前腿與後腿成對交替一起移動。最快的步態，但需要動態平衡與高性能的致動器。
常見的六足步態： - 三腳步態：三條腿同時移動，另外三條腿著地。快速又有效率，始終維持靜態穩定。 - 波浪步態：一次移動一條腿，以波浪模式依序推進。非常穩定但緩慢。 - 漣漪步態：一次移動兩條腿，在三腳步態的速度與波浪步態的穩定性之間折衷。
步態生成方法： - 中樞模式產生器（CPG）：受生物啟發的振盪器，產生有節奏的腿部協調模式。簡單又強健。 - 軌跡最佳化：針對給定的地形與速度，計算最佳的落腳位置與時序。 - 強化學習：在模擬中學習能遷移到真實機器人的步態策略。越來越成為主流，產生的步態在複雜地形上勝過人工設計的模式。
為何重要
步態是足式機器人放下與抬起腳的模式：哪些腿在何時移動，以及它們之間的相位關係。它是足式行走運動的組織性抽象概念，因為它把原本難以應付的協調問題轉換成一個重複的循環。步態的選擇決定了速度、穩定性、能源消耗，以及機器能應付的地形；而能否適時切換步態，在很大程度上區分了只能在實驗室裡走的機器人與能在戶外工作的機器人。
主要應用
- 足式機器人的速度與效率選擇
- 崎嶇地形穿越，此時會刻意選擇較慢、靜態穩定的步態
- 在各種行進速度下最佳化能源
- 強化學習研究，步態從獎勵設計中浮現
- 復健與外骨骼控制，配合人類的步態週期
- 容錯，在一條腿受損時調整模式
實際應用
四足機器人通常以爬行步態（它們最慢、具靜態穩定性的步行方式）求穩定、以小跑步態有效率地行進、以跳躍或疾馳步態追求速度，這與動物身上看到的進程相同，原因也是同樣的物理道理。現代控制器不再明確地編寫這些步態：以強化學習得到的策略會自行發現步態與轉換，而且常常收斂到接近生物的模式。仍然重要的區別是靜態與動態：爬行步態始終讓質心保持在支撐多邊形內，而小跑步態則是一種受控的跌倒，由下一次落腳接住。
常見誤解
- 步態是固定的設定：有能力的機器人會隨速度與地形持續切換步態
- 動態步態就是比較好：它們較快，但需要主動平衡，受到干擾時失敗得也更嚴重
- 步態必須人工設計：學習式策略會自行發現步態，常常重新發現動物的模式
- 穩定的步態保證機器人穩定：地面、坡度與負載都會影響它能否維持
誰需要了解
- 任何從事足式行走運動控制的人
- 評估足式機器人在地形與速度方面之宣稱的工程師
- 為行走運動學習設計獎勵的研究人員
- 學習靜態與動態穩定性的學生
- 任何在效率上比較四足機器人平台的人
相關技術
- 中樞模式產生器（CPG）
- 零力矩點（ZMP）
- 動態平衡
- 四足機器人
- 六足機器人
- 用於行走運動的強化學習
- 地形估計
- 全身控制
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