Week 13 — 四足机器人仿真与步态控制
实验目标
在 PyBullet 中加载 Laikago 四足机器人模型，实现 Trot 步态控制器，理解四足机器人的步态相位差与协调运动原理。
目录结构
Week13/
├── README.md # 本报告
├── trot.py # Trot 步态控制器
├── quadruped_walk.py # Walk 步态控制
├── quadruped_project_demo.py # 项目演示入口
├── img/ # 实验截图
│ ├── simulation_run.png # 仿真过程
│ ├── quadruped_concept.png # 四足机器人概念图
│ └── project_checklist.png # 项目检查清单
├── demos/ # 分步演示代码
│ ├── 01_pybullet_box.py # PyBullet 入门
│ ├── 02_load_laikago.py # 加载 Laikago 模型
│ ├── 03_sine_gait.py # 正弦步态控制
│ └── 04_trot_gait.py # Trot 步态演示
└── scripts/ # 可视化生成脚本
├── generate_gait_gifs.py
└── generate_gait_diagrams.py
实验环境
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| 仿真引擎 | PyBullet |
| 编程语言 | Python 3 |
| 数值计算 | NumPy |
| 机器人模型 | Laikago URDF（PyBullet 内置） |
实验步骤
1. 安装依赖
pip install pybullet numpy
2. PyBullet 入门
从方块自由落体开始，熟悉 PyBullet 仿真循环：
python3 demos/01_pybullet_box.py
3. 加载四足机器人模型
python3 demos/02_load_laikago.py
4. 正弦步态实验
用正弦函数控制关节角度，观察对角腿相位差：
python3 demos/03_sine_gait.py
5. Trot 步态实现
Trot 步态的核心是对角腿配对（左前+右后 为一组，右前+左后 为另一组），相位差 180°：
python3 demos/04_trot_gait.py
python3 trot.py
关键命令
# 安装依赖
pip install pybullet numpy
# 运行 Trot 步态
python3 trot.py
# 运行 Walk 步态
python3 quadruped_walk.py
步态原理
四足机器人常见步态及其相位关系：
| 步态 | 占空比 | 相位差 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Walk | > 0.5 | 各腿依次 90° | 至少三足着地，最稳定 |
| Trot | ~0.5 | 对角腿同相、异相对角 180° | 两足交替支撑，中速高效 |
| Bound | < 0.5 | 前双腿同相、后双腿同相 | 跳跃式前进，高速 |
本实验的 Trot 控制器通过正弦函数生成关节角度，关键参数：
- 步幅 (stride_length)：控制前进速度
- 抬腿高度 (step_height)：影响越障能力
- 相位偏移 (phase_offset)：对角腿差 π，实现交替支撑
- 频率 (frequency)：控制步态周期
实验证据
仿真运行
仿真过程及参数监控
四足机器人概念
四足机器人步态概念示意图
项目检查清单
项目进度与检查清单
项目进度与检查清单
遇到的问题与解决
| 问题 | 原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| Laikago 模型初始状态导致摔倒 | 默认关节角度不适合站立 | 调整初始关节角度使四足均匀着地 |
| 步态频率过高导致不稳定 | 仿真步长与关节控制频率不匹配 | 降低步态频率或提高仿真步进速率 |
| DIRECT 模式下无法观察 | 无 GUI 渲染，调试困难 | 先用 GUI 模式验证，确认无误后切换 DIRECT |
| 不同步态切换不流畅 | 相位突变导致关节速度跳变 | 在步态切换时对相位进行平滑过渡 |
总结与反思
核心收获
- 步态生成原理：通过正弦函数的相位偏移，仅需少量参数即可生成协调的四足步态。Trot 步态的关键在于对角腿 180° 相位差
- PyBullet 仿真流程：加载模型 → 设置关节控制 → 步进仿真 → 获取状态，这是所有机器人仿真的标准范式
- 步态选择：不同步态有不同适用场景 — Walk 稳定低速、Trot 中速高效、Bound 高速冲刺
遇到的挑战
- Laikago 模型初始状态可能导致机器人摔倒，需要调整初始关节角度
- 步态参数（频率、幅值）需要在稳定性与速度之间权衡
- 无图形界面（DIRECT 模式）下调试困难，建议先用 GUI 模式验证再切换