1. 为什么需要足式机器人

研究足式机器人的主要目的在于足可以在更多更复杂的地面种类上移动，这拓宽了移动机器人的应用领域，使其更加普适。但更多的自由度也是足式机器人的机构更加复杂和难以控制。

2. 结构与步态设计

我们常见的足式机器人大多来自于仿生学，他们的种类包括：双足人型，四足哺乳动物型，四足爬行动物型，六足昆虫型。

对于一个足式来说，其运动约束为足底不可滑动，每次行走都需要至少一支足抬起再放下。因此机器人需要至少两只足（单腿机器人只可以跳动，不能行走），一只腿上至少需要 2DOF 来分别提供抬腿和想起挪动的运动。但通常设计时会选择 3DOF 以上，以提供更好的灵活性，下图展示了两种机器腿的设计，他们分别是爬行动物和昆虫的腿部设计。

而四足哺乳动物机器人的结构常常如下图所示，每条腿有三个自由度，他们分别是跨关节的两个自由度和膝关节的一个自由度。

机器人足的数量决定了其能采用的步态数量。步态是由于不同的抬腿顺序而产生的不同的运动形态，比如一个双足机器人就有 6 种步态，他们分别是：

• 双腿站立 - 右腿放下/左腿抬起 - 双腿站立；
• 双腿站立 – 右腿抬起/左腿放下 – 双腿站立；
• 双腿站立 – 双脚跃起 – 双腿站立；
• 右腿放下/左腿抬起 - 右腿抬起/左腿放下 - 右腿放下/左腿抬起；
• 右腿放下/左腿抬起 - 双脚跃起 - 右腿放下/左腿抬起；
• 右腿抬起/左腿放下 - 双脚跃起 - 右腿抬起/左腿放下。

步态的数量于腿的数量之间符合下列计算关系：

$$\begin{gathered} N=(2k-1)! \\ \text{When there are two legs, there are 6 gait, i.e. k=2,, N=6} \end{gathered}$$

对于四足动物来说，常见的步态有以下几种：

• 慢走：

• 小跑

• 疾跑

更多关于四足动物步态的信息请查看：

• Animator Notebook | A GUIDE TO QUADRUPEDS’ GAITS
• Youtube | quadruped locomotion

以上这些步态可以大致的分为静态步态与动态步态，对于慢走这种每次只有一只脚抬起，三只脚落地的步态就是静态步态，行走过程中支撑足少于三个的则为动态步态。对于静态步态来说，只要机器人的重心投影位于三只支撑脚的三角形之内，则为静态稳定。

静态步态虽然稳定，但是效率太低了，为了获得更快的移速，我们需要研究动态步态。在动态模式下，机器人每次会有不超过三只脚落地的情况，比如下图所示的只有两只脚落地情况，此时重心的投影需要落在在这两只脚的连线上，以保持稳定。此外还需要高效的驱动器，以减少机器人动态稳定需要维持的时间。

但动态步态有时不是以固定模式运动的，而是要结合当前环境来适当修改步态，以及规划每个足的运动轨迹。而这是一个非常困难的课题。

想要更深入的了解足式机器人欢迎阅读以下资料：

• ETH 的视频教程
• PhD Dissertation: Optimization-based motion planning for legged robots

最后我们来看一下 ETH 四足机器人的设计过程：

ETH: 如何设计一个机器狗2.6 万播放 · 50 赞同视频​

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