🤖 Week 11

四足机器人步态控制（Trot Gait）实验报告

📅 实验日期

2026-05-20

🧪 一、实验目的

• 学习 PyBullet 机器人仿真环境搭建方法
• 实现四足机器人（A1 / Laikago）的基础 trot 步态控制
• 理解机器人步态生成（gait generation）基本原理
• 掌握逆运动学（IK）在腿部控制中的应用
• 学习机器人姿态稳定控制（roll / pitch correction）方法
• 调试并优化机器人在仿真中的稳定行走能力

🖥️ 二、实验环境

• 操作系统：Ubuntu 20.04 / WSL2
• Python版本：3.10
• 仿真平台：PyBullet
• 机器人模型：A1 / Laikago URDF
• 数值计算库：NumPy
• 图形界面：PyBullet GUI (OpenGL / Mesa llvmpipe)

🚀 三、实验步骤

1️⃣ 启动 PyBullet 仿真环境

p.connect(p.GUI)
p.setGravity(0, 0, -9.8)
p.loadURDF("plane.urdf")

2️⃣ 加载四足机器人模型

robot = p.loadURDF(
    "a1/a1.urdf",
    [0, 0, 0.35],
    p.getQuaternionFromEuler([0, 0, 0])
)

3️⃣ 关节结构解析

for i in range(p.getNumJoints(robot)):
    info = p.getJointInfo(robot, i)
    print(i, info[1].decode(), info[2])

4️⃣ trot 步态生成

phase = 2 * np.pi * freq * t

• FR + RL：同相
• FL + RR：反相

5️⃣ 腿部运动轨迹（IK）

x = step_length * sin(phase)
z = step_height * sin(phase)

thigh = arctan2(x, height)
calf = -2 * thigh

6️⃣ 姿态稳定控制（关键改进）

roll, pitch = getBaseOrientation()

roll_correction = -0.8 * roll
pitch_correction = -0.8 * pitch

7️⃣ 统一关节控制

p.setJointMotorControlArray(
    robot,
    jointIndices,
    p.POSITION_CONTROL,
    targetPositions=angles,
    forces=[200]*len(joints),
    positionGains=[0.25]*len(joints),
    velocityGains=[1.0]*len(joints)
)

8️⃣ 仿真循环运行

while True:
    controller.step(t)
    p.stepSimulation()
    time.sleep(1./240.)

📊 四、实验结果

• ✔ 四足机器人成功进入 trot 步态
• ✔ 对角腿协调运动正常
• ✔ 机器人可以短时间维持行走
• ✔ 加入姿态控制后显著减少翻倒
• ✔ 系统在 5~15 秒内保持动态稳定

📉 五、实验中出现的问题及解决方法

❌ 问题1：机器人侧翻

原因：

• 初始姿态错误
• 没有平衡控制系统

解决方法：

• 设置正确四元数
• 加入 roll / pitch 修正

❌ 问题2：步态不稳定

原因：

• step_height 过大
• IK 控制过于激进

解决方法：

• 减小步长
• 降低摆腿高度

🔄 六、新旧代码对比分析（核心改进）

🧱 1️⃣ 控制结构变化

❌ 老代码

t → gait → IK → 单关节控制

• 没有身体状态反馈
• 属于开环控制
• 容易越走越歪

✅ 新代码

t
 ↓
trot gait
 ↓
IK计算
 ↓
balance()
 ↓
统一关节控制

• 加入身体姿态反馈
• 拥有平衡修正能力
• 稳定性明显提升

⚖️ 2️⃣ 为什么现在能稳定走路？

📌 核心原因总结

🧠 七、核心控制代码

roll, pitch = getBaseOrientation()

roll_correction = -0.8 * roll
pitch_correction = -0.8 * pitch

angles[0] += roll_c
angles[1] += pitch_c

🎯 八、实验总结

通过本次实验，成功实现了四足机器人在 PyBullet 中的基础 trot 步态控制，并在原始开环控制基础上加入了姿态稳定控制机制。

• 单纯 IK 步态无法保证稳定性
• 必须加入身体姿态反馈控制
• 关节控制增益对稳定性影响显著
• trot 步态本质是“相位协调 + 平衡控制”