Week 04 — PyBullet 四足机器人仿真

实验目标

使用 PyBullet 物理引擎加载并观察四足机器人模型，理解仿真环境的基本构成要素（世界、模型、物理参数），为后续步态控制和强化学习打下仿真基础。

实验环境

组件	说明
仿真引擎	PyBullet
编程语言	Python 3
机器人模型	Laikago URDF（四足机器人）
物理参数	重力、地面摩擦、关节力矩

目录结构

Week04/
├── README.md           # 本报告
├── kinematics_demo.py       # 四足机器人仿真程序
├── dog.png             # 仿真截图
├── kinematics_run.png  # 运动学运行截图
└── pose_echo.png       # 位姿话题监听截图

实验步骤

1. 安装 PyBullet

pip install pybullet

2. 创建仿真世界

初始化 PyBullet 物理引擎，设置重力参数和地面平面：

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

3. 加载四足机器人

加载 Laikago 四足机器人 URDF 模型，观察其在重力作用下的初始姿态：

robot_id = p.loadURDF("laikago/laikago.urdf", [0, 0, 0.5])

4. 仿真循环

在循环中步进仿真，观察机器人状态变化：

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

5. 位姿监控

通过 ROS2 话题监听机器人位姿（里程计）数据：

ros2 topic echo /robot/odom

关键命令

# 安装依赖
pip install pybullet numpy

# 运行仿真
python3 kinematics_demo.py

实验证据

四足机器人仿真

Laikago 四足机器人模型在 PyBullet 仿真环境中成功加载

Laikago 四足机器人模型在 PyBullet 仿真环境中成功加载

Laikago 四足机器人模型在 PyBullet 仿真环境中成功加载

Laikago 四足机器人模型在 PyBullet 仿真环境中成功加载

遇到的问题与解决

问题	原因	解决方案
import pybullet 失败	PyBullet 未安装或 Python 版本不兼容	使用 pip install pybullet，确认 Python ≥ 3.8
机器人穿透地面坠落	URDF 初始高度设置为 0	将 spawn 位置 z 坐标设为机器人大约高度（如 0.5m）
GUI 窗口无响应	仿真循环中未调用 stepSimulation	确保循环中包含 p.stepSimulation() 和适当的 time.sleep
URDF 文件找不到	路径配置错误	确认 URDF 文件路径，使用绝对路径或相对于脚本目录的路径

总结与反思

核心收获

1. 仿真世界三要素：物理引擎（PyBullet）+ 机器人模型（URDF）+ 控制逻辑（Python），三者组合即可搭建任意机器人仿真场景
2. URDF 的重要性：URDF 是机器人模型的通用描述格式，包含关节、连杆、质量、惯性等物理属性——模型精度直接决定仿真可信度
3. 仿真步进：stepSimulation() 是仿真的心脏，每次调用推进一个物理时间步。步长太大导致不稳定，太小浪费计算——240Hz 是常用选择

延伸思考

本实验只是让机器人”站在地上”。从 Week13 的步态控制到 Week14 的强化学习爬楼梯，都是在同一个仿真框架上叠加控制算法。理解这个基础框架后，添加任何控制逻辑（PID、步态生成器、PPO 策略）都只是替换控制循环中的”决策”部分。

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