Cost of Transport

• 又称: CoT, COT, specific resistance
• 类别: Actuation & drivetrain › Ratings
• 标签: legged-locomotion, energy-efficiency, metrics, reinforcement-learning, actuation

一种衡量运动效率的无量纲指标：使物体移动给定距离所消耗的能量，除以其重量与该距离的乘积。

定义

运输成本（Cost of transport，CoT）衡量机器人、动物或车辆移动自身所消耗的能量。它定义为能量除以重量与距离的乘积，即 E / (m g d)，或者等价地，功率除以重量与速度的乘积，即 P / (m g v)。除以重量和距离使这个量成为无量纲量，因此小型四足机器人、人形机器人、汽车和奔跑的动物都可以在同一尺度上进行比较。这一思想可以追溯到 Gabrielli 和 von Kármán 在 1950 年对各类载具的比较，在那里同样的比值被称为比阻力。

其数值在很大程度上取决于计入了哪些能量。总 CoT 或电气 CoT 使用从电池汲取的全部功率，包括电机损耗、电子设备和计算机。机械 CoT 只使用在关节处输出的机械功率，通常是各执行器的关节力矩乘以关节速度之和。一种常见的约定只计入正的机械功，因为制动所吸收的能量通常以热的形式损失掉，而不是回馈给电池；对带符号的功率求和会让负功抵消正功，从而低估真实成本。因此，论文需要说明它们使用的是哪种定义，而且不同定义得出的数值不应直接比较。

运输成本随速度、步态和地形而变化。对于动物和许多机器人而言，每种步态都有一个使 CoT 最低的速度范围，而在更高的速度下切换步态可以再次降低它。在基于学习的运动控制中，CoT 既被用作评估指标，也被用作奖励项或惩罚项，以鼓励高效、看起来自然的运动；它也常被用来表明，使用运动先验训练的策略比使用人工调节奖励训练的策略消耗更少的能量。

为何重要

电池容量限制了移动机器人能够运行多久、走多远，而执行器发热限制了它们能够承受多大的工作强度。运输成本把效率变成一个可以在不同设计、控制器和速度之间比较的单一数值，有助于在步态、执行器和控制策略之间做出选择。

主要应用

• 比较足式机器人设计和控制器的能量效率
• 学习型运动策略的奖励项和惩罚项
• 为远距离任务选择步态和速度
• 评估执行器、传动装置和能量回馈驱动器
• 在同一尺度上比较机器人与动物和车辆

实际应用

一个团队比较同一台四足机器人的两种运动策略。在机器人于跑步机上以几个固定速度行走时，他们以控制器频率记录关节力矩和速度，把机械功率计算为正的力矩-速度乘积之和，再除以机器人的重量和速度，得到每个速度下的机械 CoT。他们还记录电池电流和电压来计算总 CoT。其中一种策略的机械 CoT 更低，但消耗的电池功率相近，他们追查发现原因是高频力矩振荡使电机发热。他们在奖励中加入力矩变化率惩罚项，并重新进行比较。

常见误解

• 单个 CoT 数值就能描述一台机器人 — CoT 随速度、步态、负载和地形而变化，因此比较时必须说明条件
• 机械运输成本和总运输成本可以互换 — 机械 CoT 忽略电机损耗和电子设备，两者可能相差很大的倍数
• 对带符号的关节功率求和就得到所消耗的能量 — 负功通常无法回收，因此许多定义只计入正功率
• 运输成本有单位 — 当用重量（m g）而不是质量来计算时，它是无量纲的

谁需要了解

• 足式运动工程师
• 设计运动奖励的强化学习从业者
• 执行器和电源系统设计人员
• 比较机器人与动物运动的研究人员

相关技术

• 比阻力（Specific Resistance）
• Adversarial Motion Priors
• 能量回馈电机驱动器（Regenerative Motor Drives）
• 准直驱执行器（Quasi-Direct-Drive Actuators）
• 被动动态行走（Passive Dynamic Walking）

相关术语

• Locomotion
• Gait
• Quadruped
• Humanoid Robot
• Reinforcement Learning
• Quasi Direct Drive

相关项目

• LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
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• PyBullet: Python physics simulator for robotics and RL research with fast CPU-based simulation
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