《Advanced Intelligent Systems》：Reconfigurable Design and Optimization-Based Control of an Integrated Leg-Arm Robot for Space Applications With an Underactuated Body
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将操作与移动相结合的一体化腿臂机器人在在轨服务中展现出巨大潜力。然而，现有设计通常依赖额外的执行器进行模式切换，这增加了质量、能耗和控制复杂性。为了解决这一问题，研究人员开发了一种具有欠驱动可重构躯干的四足一体化腿臂机器人。通过将Sarrus机构作为躯干，机器
将操作与移动相结合的一体化腿臂机器人在在轨服务中展现出巨大潜力。然而，现有设计通常依赖额外的执行器进行模式切换，这增加了质量、能耗和控制复杂性。为了解决这一问题，研究人员开发了一种具有欠驱动可重构躯干的四足一体化腿臂机器人。通过将Sarrus机构作为躯干，机器人利用其支撑肢体实现重构，无需额外执行器即可完成模式切换。研究人员建立了完整的欠驱动运动学和动力学模型，并辅以表征欠驱动躯干内载荷传递的内部力旋量映射。这些公式化为基于优化的多层动力学耦合控制框架奠定了基础。通过对内/外部力旋量的协同预测以及接触力旋量的优化分配，实现了机器人的稳定控制。在悬挂式重力卸载试验台上的实验表明，原型机在移动、操作和模式切换任务期间均能保持系统稳定性。能耗比较显示，与运动学控制相比，所提出的方法在移动中的总电能消耗减少了10.3%，在操作中减少了21.8%，验证了该原型机及其控制方法在地面重力卸载条件下的有效性。
在空间在轨服务与装配任务中，一体化腿臂机器人凭借肢体模块兼具移动与操作双重功能的特性，展现出极高的机械利用率和系统集成度。然而，将此类机器人部署于空间环境面临着多重挑战：一方面，舱外任务要求高负载能力和大操作空间，这受制于运载火箭严格的载荷质量约束；另一方面，冗余自由度虽提升了运动灵活性，却与空间任务的高可靠性要求相悖。现有的模式切换设计通常采用7自由度冗余肢体构型或独立驱动的可重构躯干，这引入了不必要的关节质量、能量损耗和控制复杂性。此外，欠驱动躯干模块的引入大幅增加了控制难度，其内部被动自由度在外部力旋量作用下易产生不期望的运动，进而向肢体传播导致系统失稳，传统控制方法无法直接对其进行补偿或约束。为了解决上述矛盾与难题，研究人员开展了这项研究，旨在开发一种轻量化、欠驱动且具备稳定控制能力的空间机器人系统，并验证其在多模式运动下的有效性。
研究人员基于Sarrus机构设计了一种具有欠驱动可重构躯干的四足一体化腿臂机器人原型机。该机器人包含四个采用对称6R构型的肢体模块和一个由被动Sarrus机构构成的躯干模块，配合高减速比执行器与多种感知单元集成了统一的机电硬件架构。研究人员利用等效驱动雅可比推导了内部力旋量模型以表征肢体与躯干间的载荷分布，并结合惯量中心的动力学模型，提出了一种基于优化的多层动力学耦合控制架构，通过二次规划算法实现了接触力旋量与内部力补偿的优化分配。这些研究最终在配备模拟桁架的悬挂式重力卸载实验平台上进行了系统性实验验证。
Robot Structure and Modeling
通过机构构型设计与理论建模，研究人员提出将Sarrus机构与肢体模块结构统一，当肢体进入支撑相时，基座位姿可约束Sarrus并联肢体，仅靠支撑关节执行器即可同时驱动机构运动与躯干姿位变化，从而在无额外执行器的情况下实现移动与操作模式的欠驱动切换。基于此，推导了完整的系统速度运动学模型和基于CoI的系统动力学模型。
Internal Wrench Model
通过建立肢体动力学与躯干内部力旋量模型，并利用EDJ将离散的高维交互力分量映射为低维等效驱动力旋量，研究人员量化了躯干底盘与移动平台之间通过并联连杆传递的内部载荷差异。该模型准确描述了欠驱动躯干内部的载荷传递与外部输入映射，成为内部平衡控制的基础。
Whole Robot Control System
为了维持系统稳定，研究人员构建了三层控制架构。核心的动力学耦合控制器基于CoI动力学分为两级：第一级通过求解QP问题进行外部力优化分配以跟踪期望加速度；第二级处理欠驱动内部力补偿，基于补偿判断机制在合力零空间内进行分配修正，从而在不干扰外部平衡的前提下主动抑制欠驱动引起的不稳定性。外层的位姿PD控制和末端导纳控制协同实现了稳定的机器人运动。
Experimental Verification
在包含悬吊卸载系统与模拟桁架的实验平台上，研究人员开展了步态移动、模式切换和双臂操作实验。结果表明，机器人在各任务中均保持了良好的位姿稳定和力跟踪精度，末端接触力与力矩的平均绝对误差均控制在3.23 N和0.73 N·m以内，验证了系统多模式运动能力与控制架构的有效性。
在对比与消融实验中，能耗数据表明，相较于纯运动学控制，动力学耦合控制使 Trot步态移动与双臂操作的总电能消耗分别降低了10.3%和21.8%，且在无需补偿时判断机制不产生额外损耗。与代表性机器人的对比分析指出，该四足机器人以更少的执行器和更低的关节转矩实现了优异的移动性能，通过欠驱动躯干与动力学控制的融合，在减轻系统质量与保留功能多样性之间实现了新的平衡。
最后，研究人员总结讨论并翻译研究结论如下：本文提出了一种具有欠驱动躯干机构的四足一体化腿臂机器人，将高减速比执行器与多种传感器集成为一个统一的机电平台。推导了包含躯干机构的完整系统动力学，以及基于EDJ EDJ的内部力旋量模型，用于表征载荷传递。结合CoI CoI动力学与内部力旋量模型，开发了一种基于优化的多层控制架构，协调力旋量预测、补偿判断和接触分布，实现稳定的多模式运动。重力卸载实验验证了所提出的方法，在所有任务中均保持了稳定性，力和力矩跟踪误差分别低于3.23 N和0.73 N·m。与运动学控制相比，移动中的能耗降低了10.3%，操作中降低了21.8%，并且在补偿未激活时没有额外损失。总而言之，这项工作通过设计、建模和控制，解决了欠驱动可重构一体化腿臂机器人在原型机开发和稳定控制方面的挑战，为在轨服务和装配任务提供了可行的解决方案。然而，受限于当前重力卸载测试台的能力，其在更复杂模拟空间条件下的性能仍有待验证。未来的工作将重点升级卸载系统以提供可控的多自由度卸载力，从而更准确地模拟微重力环境。此外，机器人将结合更多可重构的主动或被动模块，以进一步扩展其功能架构和应用通用性。
