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2019年02月22日 | 机器人课程系列：如何编写Arduino程序让四足机器人移动
2019-02-22 来源：易心STEAM编程
有脚的机器人很棒吧？它们可以跨越崎岖的地形，用像生物的方式移动，这一点是藉由轮子移动的机器人没法比的。但足机器人的构造也比较复杂，让许多 Maker望之兴叹。
这篇文章为你介绍让四足机器人「走路」的方法，也就是行走的步态（gaits），并教你如何为Arduino编写程序。
关于四足机器人
自然界里有许多用四只脚走路的动物，这是因为四只脚是一种很稳定的组合，不需要特别调整姿势就能保持站姿稳定，又比六足构造单纯一些。对机器人来说也一样：和更多只脚的机器人相比，四足机器人既便宜又简单，却可以保持稳定。
积极和消极稳定
椅子是属于消极稳定（passively stable）的对象，也就是说，椅子不需要控制或调整就可以稳定地立着；人类站立时则属于积极稳定（activily stable），需要不断控制与微调身体的各部位才能保持站姿。
四足机器人在四脚着地时是消极稳定的状态，走路时则不一定。如果每次只动一只脚，让其他三只脚仍稳稳地踩在地上，即是消极稳定状态，然而四足机器人也可以放弃此状态，进入积极稳定状态，这样可以动得比较快（即使比较不顺）。这两种步态分别被称作爬行（Creep）与快步（Trot）。在这里要介绍的是爬行。
爬行
爬行是最简单使用的步态。你必须确保机器人在每次移动的时候都有三只脚踩在地面上，而重心放在这三只脚形成的三角形内即可，如果重心离开这个三角形太久，机器人就会跌倒。
听起来很简单，但问题是，你要如何让机器人在行进中维持稳定呢？我们接下来介绍的方法，可以为你省去好几小时测试和出错的时间，这是一种很简单的消极稳定爬行步态。
这是它的分解动作：
1.这是起始位置，其中一侧两只脚向外，另一侧两只脚向内。
2.右上方的脚离地，向机器人前方踏出。
3.所有脚都往回收，让身体向前移动。
4.左后方的脚沿着身体侧边往前踏步，现在这个状态与起始位置互为镜像。
5.左上方的脚离地，向机器人前方踏出。
6.重复动作，将所有脚都往回收，身体向前移动。
7.右后方的脚离地，沿着身体侧边往前踏部，这样就回到起始位置了。
请注意，不管到哪一个步骤，重心都必须维持在不动的三只脚形成的三角形内，这是爬行步态最重要的关键。
仔细分析这个步态，你会发现其实这是两组互为镜像的移动方式，踏步、踏步、移位，接着是另一侧的踏步、踏步、移位……以下有一段影片，让我们来看看 EngiMake QuadBot走路的样子。
如何编写程序
爬行步态并不复杂，但我们要如何将它写成程序代码呢？首先，我们要订出每一只脚在各个位置的x、y坐标。
这是一个四足机器人的坐标示意图，每一只脚都有自己在x、y轴上的位置。因此，我们现在可以给每一只脚一个坐标值，代表与x轴和y轴的距离（单位为毫米）。举例来说，左上方的脚位置是 (-50,50) (x,y)。现在，我们可以将这一套表示方法应用至每一个步骤中。然而，请记得其确切的位置会与机器人脚的长度有关，不管你的机器人长什么模样，请先测量脚长来再计算数值。
以下是QuadBot用的位置坐标：
在每步之间，我们只需要处理粉红色箭头表示的数值变化即可。那么，这样怎么用程序代码呈现呢？我们来看看其Arduino程序代码长什么样子。
是不是意外地很简单？让我们再次分解动作。
起始位置
第一步
第一次移位
第二步
第三步
第二次移位
第四步（起始位置）
大功告成！透过这样的方式，我们可以直接让机器人走路了！大部分的四足机器人都是由伺服马达驱动，如果你也是用伺服马达的话，可能要先研究一下反向动力学（Inverse Kinematics），才能将伺服马达的角度转换成这里提到的坐标位置。
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