分析多足動物+機器人步態

六足步態

以下圖所示改編自下列論文Cynthia Ferrell - “Robust and Adaptive Locomotion of an Autonomous Hexapod “在1994年瑞士洛桑舉辦的“從認知到行動會議”場刊，第66-77頁。這些步態是為了開發了麻省理工學院的機器人Hannibal的，Hannibal有6條腿，19個自由度，60傳感器和8台電腦。和我們講的六足機器人應該是同類。所以小弟今天把我知道的和大家在這裡分享一下。算是給大家2011的新年賀禮。請大家理解後應用，不要直接拿去抄到論文裏去了，這不是小弟的本意。

“三腳步態”(Tripod Gait)是最知名的六足步態。三腳步態的三腳分別為一側前、後腳和另一側的中腳，這樣六足就可以分為兩個”三腳組”。對於每一個”三腳組”，腿部運動如抬起、降低、向前、向後移動都應該是同步的。在走路時昆蟲應用三腳步態，有別於一般雙足動物重心從一隻腳轉到一隻腳，而是重心從一個”三腳組”轉到一個”三腳組”。由於有三隻腳在任何時候都站在地面上，這兩種步態在”認知”上能達到 “靜態”和“動態”的穩定。這一移動的過程是很容易通過視覺化的驗證的-如圖所示在身體上相鄰的腳在一定時間週期後互相補位。


“波形步態”(Wave Gait)，簡單說就是每一隻腳依序移動至定位站好，當一隻腳在懸空時，站在地面的5隻腳即負責驅動身體。當6支腳都依序完成移動後，整個步行週期從頭循環一遍。這種步態讓身體始終處於一種高度穩定的態勢。


但是從另一個角度來看，這種步態是快不起來的。如果要嘗試縮短足部的懸空時間，步伐即相對變短，腿部要更有爆發力才可以加快移動效率。如果嘗試踏步的階段重疊，這樣會同時讓相鄰的腳提高而導致身體重心失衡，同時身體亦會倒向懸空的哪一邊。

最後要說是“疊波步態”(Ripple Gait)。這種步態的順序看起來有些複雜，但是，理解的關鍵就是，身體兩側各製造出一個”步浪”，兩側的步浪的提高相位互不重疊，同相位的腳一側提最高時，另一側即站最穩的互補形態。例如，如果L3和R3各視為一側步浪的開端，在時軸（3）的時侯，即R3啟動正要拔腿的時間正好在另一側L3- L2- L1的步浪的進行到中間位置，亦即是L2在提到最高位置時。

比速度


如果步伐保持不變，三腳步態應該是最快的步態，三腳步態只要兩次踏步就完成在一個步行週期，，而波形步態則需要6次踏步才完成在一個步行週期所以也最慢。至於疊波步態，波形踏步重疊排列所以週期縮短，同樣是6次踏步，不過週期是卻是波形步態的1/2。

比穩定


波形步態應是最穩定的步態，因為波形步態保持在步行各階段，最少保留5隻腳在地面上支撐身體，所以波形步態可以輕易的在不平坦的地形上行走。疊波步態是僅次於波形步態的穩定步行方法。因為疊波步態最多只有2隻腳在同一時間離開地面。在步行的每一個時刻，身體的兩側都各有一隻抬起的腳來保持身體平衡，另外當一側的腳在懸空時另一側相對位置的腳則是站得最穩的時侯-請比較L3和R3在時軸（1）跟（4）的時侯。此外，由於身體兩側之間的相位偏移，沒有兩隻腳完全懸空的時間- 例如在時軸（4）的時侯，當 R3是被提高移動時，L2已下降補位站好、L1則是開始拔腿。三腳步態，雖然速度最快但也是最不穩定的，因為這種步態總是有三隻腳在懸空。