充气桁架机器人的容错与刚度保持控制

充气机器人桁架因其高强度重量比、大幅度形状变化能力和可重构性，适用于多种任务和环境。然而，电机故障会严重限制其操作能力。本文提出了一种容错控制框架，即使部分电机失效，也能维持桁架功能。该框架包含三个关键贡献。首先，通过引入等式约束扩展运动学优化，确保故障执行器不被使用，从而处理任意组合的电机故障。其次，引入离散时间控制障碍函数（DTCBF）约束，从数学上保证结构刚度，同时最大化工作空间利用率，这对离散时间控制下的桁架机器人可靠运行至关重要。最后，利用机载编码器反馈和基于正向运动学的状态估计实现闭环位置控制，提高了存在扰动时位置精度。研究团队在2D等周桁架实验台上进行了仿真和硬件实验。对于具有6个执行器的2D配置，单电机故障下保留了超过69%的工作空间，闭环控制使跟踪精度提升超过25%。这些结果为在退化驱动下运行更鲁棒、更具弹性的等周桁架机器人奠定了基础。作者为James Wade等人，论文于2026年5月19日提交至arXiv，主题为机器人学。该研究通过引入等式约束处理任意电机故障组合，不同于以往仅针对特定故障模式的方法。DTCBF的引入确保了即使在工作空间最大化时，结构刚度也能得到数学保证。闭环位置控制则利用编码器实时反馈，弥补了纯开环控制对外部扰动敏感的不足。实验采用2D等周桁架，包含6个线性执行器，模拟了单一电机完全失效的场景。结果显示，尽管失去一个执行器，桁架仍能覆盖原工作空间的69%以上，且末端执行器的轨迹跟踪误差降低了超过25%。这些成果为未来在太空、救灾等高风险环境中应用充气桁架机器人提供了技术基础。