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。