轮式并联五连杆下肢机器人运动控制：从建模到强化学习仿真训练

轮式并联五连杆下肢机器人运动控制：从建模到强化学习仿真训练

摘要

本文针对一种具有轮式移动能力的并联五连杆下肢机器人，围绕其运动控制问题展开系统研究。该机器人下肢结构类似于逐级动力（Level Robotics）的 Tron1，采用两条并联五连杆腿，末端安装驱动轮，兼具腿式越障与轮式高效移动的优点。首先，详细阐述了机器人运动学正逆解的解析推导过程及动力学建模方法，并给出 URDF 文件的构建要点。其次，基于 PyBullet 物理仿真引擎搭建了包含台阶、斜坡等复杂地形的训练环境，并设计了底层 PD 控制器与上层强化学习控制器。重点介绍了基于近端策略优化（PPO）算法的端到端控制策略训练流程，包括状态空间、动作空间、奖励函数的设计细节。文中提供了完整的运动学、动力学及强化学习训练代码，并对每一段代码进行了详细的功能解析。最后，通过多组仿真实验验证了所提方法的有效性，机器人能够在多种台阶地形下实现稳定攀爬与移动。本文内容涵盖从理论建模到仿真训练的全流程，为同类轮腿机器人运动控制研究提供了可复现的技术方案。

关键词：并联五连杆；轮腿机器人；运动学逆解；动力学；强化学习；PyBullet；PPO；台阶攀爬

1. 引言

近年来，腿式机器人与轮式机器人的融合——轮腿机器人（Wheeled-Legged Robot）成为移动机器人领域的研究热点。轮腿机器人兼具腿式结构的越障灵活性与轮式结构的高速高效性，在复杂非结构化环境中具有广阔的应用前景。逐级动力公司推出的 Tron1 是这一方向的典型代表，其下肢采用并联五连杆机构，末端安装麦克纳姆轮，可实现全向移