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一、步态实现的核心基础

1.步态选型：Trot 对角步态

步态是四足机器人最重要的控制算法之一。四足机器人的腿部结构采用前肘后膝式构型，该构型腿足位形空间对称，具有稳定性好，干涉的可能性小的优点。Trot 步态是指在四足机器人行进过程中，其中一对对角腿同时移动，与另一对腿交替。一对对角腿的站立阶段结束后，接着是空中阶段，然后是另一对对角腿的站立阶段。

机器人的步态核心为Trot 对角步态，通过 “轨迹规划 + 运动学逆解 + 舵机闭环控制” 的三层架构实现，兼顾稳定性与越障能力，以下从实现基础、详细流程、测试验证到最终结论展开说明。

硬件支撑。

执行机构：8 路 MG996r 舵机（扭矩 15kg・cm），分别控制四条腿的大腿和小腿关节（每条腿 2 个自由度，共 8 自由度）。

控制核心：主控STM32F103RCT6 MCU，专门负责步态计算和舵机角度下发；MPU6050 六轴陀螺仪，实时采集机身姿态数据（pitch/roll 角）用于稳定补偿。

驱动模块：通过 PWM 信号（频率 50Hz）驱动舵机，接收MCU 的角度指令并执行。

二、步态实现的详细流程

第一步：足端运动轨迹规划（摆线方程建模）

为避免迈步时足端与地面碰撞、减少腿部冲击，采用摆线轨迹规划足端运动路径（仅保留 x 轴 “前后迈步” 和 z 轴 “上下抬腿”，适配 8 自由度构型）。

1. 摆线核心方程

摆线是 “圆沿直线滚动时边界点的运动轨迹”，其周期性和平滑性可保证足端抬起 / 落下无冲击，方程如下：

2. 轨迹参数优化

通过调整t的增量速度改变步态快慢（1 倍速对应t每周期增加 0.01s，速度越快，t增量越大）；摆动相时，足端沿摆线轨迹抬起（z 轴最高达h）并向前迈步（x 轴从\(x_s\)到\(x_f\)）；支撑相时，足端固定 x 坐标，随机身前移。

第二步：运动学逆解（从轨迹到关节角度）

已知足端期望轨迹（\(x_{exp}, z_{exp}\)），通过代数法求解大腿和小腿的关节角度（核心是三角函数和余弦定理），确保腿部按规划轨迹运动。

1. 逆解核心逻辑

每条腿的足端轨迹做一次逆解，得到运动的图像如下图：

第三步：舵机控制与姿态稳定

1. 舵机调零校准

初始化时，舵机控制板输出所有舵机角度为 90°，拆下舵机按 “大腿垂直、小腿与大腿呈 45°” 的姿态重新装配，确保初始位置一致。

调零后，大腿舵机负载最低，小腿 45° 夹角可减少竖直方向负载，提升稳定性。

2. 角度下发与驱动

主控 MCU 将逆解得到的大腿 / 小腿角度，将角度转换为对应的 PWM 占空比（50Hz 频率下，0° 对应 0.5ms 脉宽，180° 对应 2.5ms 脉宽），驱动 8 路舵机同步旋转。

3. 陀螺仪姿态补偿

MPU6050 陀螺仪实时采集机身 pitch 和 roll 角（30ms / 次），若机身倾斜超过 ±2°，通过 PID 算法调整对应舵机的角度（倾斜侧大腿舵机角度增加 1-2°），抵消倾斜趋势，避免翻倒。

第四步：步态同步

对角腿同步控制：主控MCU 通过定时器同步左前 + 右后、右前 + 左后的运动节奏，确保支撑相和摆动相交替无冲突。