人形機器人腳步規劃將導航目標轉化為有序的左右足位姿序列。每一步都必須從目前站姿可達，鞋底有足夠的部分放在可支撐的地形上，並留下一個全身體都能完成且不會碰撞或失去平衡的過渡。
規劃器在找到幾何足跡時並未完成。擺臂間隙、接觸時機、質心運動、感知不確定性和控制器跟蹤決定序列是否適用於硬體。線上重新規劃還必須尊重已在飛行中的步驟。
將本指南與 人形平衡指南 及 全身控制指南一起使用。在同一時間線上驗證計劃和執行的足跡。
用腳步作為姿勢、支撐和節奏來表現
有用的腳步包含腳的身份、位置、偏航角或完整姿態、接觸面、擺動時機以及預期的支撐過渡。在狹窄、傾斜或不連續的地形上，一個點的位置是不夠的，因為單一幾何形狀決定了實際支撐。
明確定義世界、地圖、站姿和腳底框架。記錄姿勢是否描述腳踝、腳底中心或其他參考點，並將地形測量轉換為相同的約定。
可達的界限步進生成
在測量的前進長度、橫向寬度、偏航、高度和交叉限度內生成候選步數。界限取決於站姿、骨盆運動、關節極限、碰撞和動態速度；矩形伸展框只是粗略的第一濾波器。
如果控制器支援，應包含後退和恢復步驟。即使存在端點逆運動學解決方案，也應拒絕需要交叉腿部、極端髖偏向或近單一姿勢的候選項。
| 候選項測試 | 問題 | 有效邊際 | 失敗症狀 |
|---|---|---|---|
| 河間 | 擺動腳能到來嗎？ | 關節與體位邊緣 | IK 失效 |
| 支援 | 鞋底能適應地形嗎？ | 邊緣與坡度邊緣 | 搖晃接觸 |
| 擺動 | 腳能越過障礙物嗎？ | 掃掠體積淨空 | 腳尖碰撞 |
| 平衡 | 勢頭能傳遞嗎？ | ZMP 或捕獲邊際 | 不可恢復步 |
| 序列 | 下一個姿勢有用嗎？ | 繼承人數量 | 死衚衕 |
在全底下記錄可支撐的地形
在整個腳部多邊形中使用高度、坡度、粗糙度、法線、語意類和不確定性。樓梯踏板的中心點可以隱藏鞋跟突出或鞋底下方的凸起邊緣。部分腳點需要有控制器和符合條件的接觸模型。
根據感知和定位誤差，膨脹障礙物並縮小支撐區域。保持未知空間與已知自由空間的分離，避免規劃器將缺失的測量轉換為可靠的支撐。
搜尋序列而非孤立的良好步驟
低成本的第一步可能導致死衚衕、尷尬的立場或無法觸及的下一站點。圖搜尋、格點方法或抽樣應在成本中包含未來可行性、步數、方向變化和恢復選項。
CMU 雙足導航工作將腳步作為複雜地形中的導航決策。搜尋設計應與目前機器人、地圖解析度和執行視野保持一致。
使用啟發式指導，但不隱藏替代方案
導航路徑或同倫類可以引導腳印搜尋繞過大型障礙物，減少探索。過於強烈的引導可能會錯過可行的序列，從而暫時偏離名義路徑或使用其他通道。
同 倫引導的步數規劃論文 展示了這一策略。保留備份搜尋，並在診斷失敗時記錄哪種啟發式剪枝了候選項。
驗證擺腳後掠體積
碰撞檢查必須包括腳趾、腳跟、鞋底和小腿在整個擺動軌跡上。兩個有效腳步姿之間的線性插值可能會撞擊台階邊緣或障礙物，尤其是在地形高度變化時。
生成符合障礙幾何形狀及控制器速度和加速度限制的淨空輪廓。測試早期接觸和未觸地行為，而不是假設標稱的擺動時間總是完成。
檢查全車體和自碰撞的可行性
腳步不獨立於骨盆、膝蓋、軀幹和手臂移動。足跡序列可以滿足區域性伸展極限，同時迫使膝蓋碰撞、軀幹接觸或角動量需求超出控制器範圍。
在執行前使用運動學或軌跡可行性層，並保留狀態估計和地形誤差的餘裕。 運動規劃比較 有助於區分離散路線搜尋與連續整體細化。
將腳步規劃與平衡動力學銜接起來
行走控制器必須移動質心和角動量，以確保接觸力在每個支撐階段保持可行。步的位置、持續時間和方向會影響捕獲區域；幾何上可達的姿勢可能來得太晚，無法恢復平衡。
儘可能向規劃器開放時間容忍度和捕獲餘地。對於名義行走，保持可停止的姿勢。對於干擾恢復，優先考慮及時穩定的立足點而非路徑的優雅。
尊重已承諾與未承諾的步驟
一旦擺動腳加速或支撐轉移開始，突然更換目標可能違反運動學和動力學限制。將計劃分為承諾執行和可重新規劃的字尾，並宣告更新截止日期。
當感知發生變化時，驗證目前步驟是否可調整、是否必須提前著陸或是否需要保護性停止。不要釋出新的全域路徑，好像每個足跡都一樣可編輯。
只有在州和地圖檢查後才能重複使用圖紙
當附近的姿態和地形狀態共享有效字尾時，計劃重用可以減少計算。它還能在定位漂移、地形運動或不同支撐腳後重現過時的立足點。在重用前重新驗證變換、支撐和碰撞。
線上步數規劃研究為線上規劃和重用提供了歷史證據。現代部署仍需有限制延遲和目前感測器檢測。
一起評估地形、時機和執行情況
衡量規劃成功率和時間、擴充狀態、路徑成本、最小支撐和碰撞間距、執行腳步姿誤差、接觸時機、滑倒、重新規劃和墜落情況。按樓梯、間隙、坡度、雜亂和感知質量進行分段結果。
記錄請求和測量的足跡以及狀態-估計量的協方差。當控制員部署但恰好保持直立時，計劃不應獲得全部積分。
| 測試因子 | 變體 | 規劃度量 | 執行度量 |
|---|---|---|---|
| 地形 | 階梯、間隙、坡度、碎屑 | 搜尋成功 | 腳部支撐 |
| 認知 | 雜訊、漏洞、延遲 | 穩健路徑率 | 意外接觸 |
| 動力學 | 速度與擾動 | 捕獲邊際 | 恢復成功 |
| 重新規劃 | 障礙或狀態變化 | 更新延遲 | 承諾步安全 |
| 模型 | 聯合不確定性與單不確定性 | 可行邊際 | 姿態與力誤差 |
以足跡規劃合約釋放
記錄足參考系、覆蓋範圍極限、支撐標準、碰撞幾何、動態介面、已承諾地平線、地圖不確定性和恢復行為。儲存地形、機器人模型、規劃參數及控制器版本及基準測試。
透過以下清單進行驗證。
評估“人形機器人腳步規劃”時，還應儲存模型版本、機器人設定、校正檔案、測試日期和全部試驗記錄。
只有把這些持續投入與單位成功任務的價值比較，才能判斷方案是否適合擴大。
上線後仍要持續檢查分佈變化、感測器漂移、機械磨損和人工接管原因。
實際專案還應指定資料、模型、控制器和安全流程的負責人，並預先定義回復條件。責任邊界、審批記錄與變更紀錄越清楚，故障發生後越容易停止擴散、定位原因並安全恢復。
把任務拆成感知、決策、動作執行和結果確認，可以更準確地定位瓶頸。每一階段都應有獨立指標與失敗示例，避免用端對端成功率掩蓋偶發但嚴重的風險。
引用的產品規格、論文結果和監管要求需要記錄釋出日期與適用版本。資料更新後應重新核對關鍵結論；無法從一手來源確認的內容，應明確標註為待驗證資訊。
小規模試點的價值在於提前暴露介面、人員協作和異常處理問題。試點結束後應依據預設門檻決定擴大、修改或停止，而不是因為已經投入資源就預設繼續。
所有結論都應能夠追溯到原始記錄，並可複核。
介面定義變化時，舊資料和舊控制參數不能在未經驗證的情況下直接複用。
- 檢查整個鞋底和擺動體積。
- 搜尋序列與繼任者並停止可行性。
- 驗證全體和平衡約束。
- 在網路重新規劃過程中，保護已完成的步驟。
- 在不確定性下比較計劃中的與測量的足跡。
常見問題
可觸及的腳步姿勢會自動是安全的步驟嗎？
不行。支撐面積、擺動淨空、全身可行性、平衡時機和下一個站姿也必須有效。
為什麼要檢查全底而不是中心？
中心點可以放在支撐上，而腳跟、腳尖或側面則懸出邊緣或接觸高起的障礙物。
每一步都能立即重新規劃嗎？
不行。已經處於擺動或支援轉移的步驟有一個確定的執行視野，只有有界調整是安全的。
規劃師是否應該總是最小化步數？
不。更少的步驟可能降低利潤率、造成長距離或取消回收選項；成本必須反映執行風險。
什麼能證明腳步規劃的績效？
在地形、感知誤差、干擾、重新規劃和恢復等方面，共同報告搜尋和執行指標。
承諾步與可恢復站立邊界
只有當支撐、擺動、全體、平衡和承諾步約束在相同狀態和時間上達成一致時，足跡序列才是可執行的契約。