Robust and Modular Multi-Limb Synchronization in Motion Stack for Space Robots with Trajectory Clamping via Hypersphere

📄 arXiv: 2507.03934v1 📥 PDF

作者: Elian Neppel, Ashutosh Mishra, Shamistan Karimov, Kentaro Uno, Shreya Santra, Kazuya Yoshida

分类: cs.RO

发布日期: 2025-07-05

备注: 6 pages, 15 figures. Accepted at IROS 2025 | Video: https://youtu.be/hr_kUrbqnFg | Open source project: http://motion-stack.deditoolbox.fr | Code: https://github.com/2lian/Motion-Stack

期刊: 2025 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Pages 3767-3772

DOI: 10.1109/IROS60139.2025.11246735

🔗 代码/项目: GITHUB

💡 一句话要点

提出基于超球约束的运动堆栈多肢体同步方法，用于空间机器人轨迹控制。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空间机器人 多肢体协调 轨迹同步 超球约束 模块化机器人

📋 核心要点

  1. 模块化机器人系统在空间探索中面临异构单元协调的挑战，现有方法难以在系统变化时保持鲁棒性。
  2. 论文提出一种基于超球约束的轨迹同步方法，通过限制多维状态在超球体内，实现平滑的轨迹跟踪和动态适应。
  3. 实验验证了该方法在六个异构机器人肢体上的有效性，证明了其轨迹跟踪能力和抗干扰能力。

📝 摘要（中文）

模块化机器人为空间探索提供了巨大的潜力，可靠性、可修复性和可重用性对于经济高效的任务至关重要。异构单元之间的协调对于精确任务至关重要，无论是在操作、腿式运动还是多机器人交互中。这种模块化系统带来的挑战远远超过了整体机器人架构中的挑战。本研究提出了一种鲁棒的方法，用于同步多个异构执行器的轨迹，以最小的系统知识动态适应系统变化。这种设计使其本质上与机器人无关，因此非常适合模块化。为了确保平滑的轨迹跟踪，多维状态被限制在代表允许偏差的超球体内。距离度量可以根据任务和受控系统进行调整，因此可以对约束区域进行变形。这种方法与各种机器人平台兼容，并作为Motion-Stack的核心接口，Motion-Stack是我们新的开源通用肢体协调框架（可在https://github.com/2lian/Motion-Stack 获得）。该方法通过同步六个高度异构的机器人肢体的末端执行器进行验证，评估了轨迹跟踪和从重大外部干扰中恢复的能力。

🔬 方法详解

问题定义：现有方法在处理模块化空间机器人多肢体协调时，难以在系统参数变化或受到外部干扰时保持轨迹同步的鲁棒性。特别是在异构机器人肢体的情况下，由于动力学和运动学特性的差异，同步控制变得更加复杂。现有方法往往需要精确的系统模型，限制了其在实际应用中的灵活性和适应性。

核心思路：论文的核心思路是将多维状态约束在一个超球体内，该超球体代表了允许的轨迹偏差范围。通过动态调整超球体的半径和形状，可以适应系统变化和外部干扰，从而保证轨迹跟踪的鲁棒性。这种方法不需要精确的系统模型，降低了对系统知识的依赖，使其更适合模块化机器人系统。

技术框架：该方法是Motion-Stack框架的核心组成部分，Motion-Stack是一个用于肢体协调的开源通用框架。整体流程包括：1）接收期望轨迹；2）计算每个肢体的控制输入；3）将多维状态约束在超球体内；4）根据系统状态动态调整超球体参数；5）将控制输入发送到各个执行器。

关键创新：该方法最重要的创新点在于使用超球体约束来保证轨迹跟踪的鲁棒性。与传统的基于模型的控制方法相比，该方法不需要精确的系统模型，能够更好地适应系统变化和外部干扰。此外，该方法还具有高度的模块化和可扩展性，可以方便地应用于不同的机器人平台和任务。

关键设计：超球体的半径和形状是关键的设计参数。半径决定了允许的轨迹偏差范围，形状可以根据任务和系统特性进行调整。论文中可能使用了某种自适应算法来动态调整这些参数，例如基于误差反馈或预测模型。具体的损失函数可能包含轨迹跟踪误差和控制输入惩罚项，以实现平滑的轨迹跟踪和避免过大的控制力。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该方法能够有效地同步六个高度异构的机器人肢体的末端执行器，即使在存在显著外部干扰的情况下，也能保持良好的轨迹跟踪性能。具体的性能数据（例如轨迹跟踪误差、恢复时间等）未知，但论文强调了该方法在鲁棒性和适应性方面的优势。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于空间机器人的操作、腿式运动和多机器人交互等领域。例如，在空间站维护、卫星维修、行星表面探索等任务中，可以利用该方法实现多个机器人肢体的协同操作，提高任务效率和可靠性。此外，该方法还可以应用于地面模块化机器人系统，例如搜救机器人、建筑机器人等。

📄 摘要（原文）

Modular robotics holds immense potential for space exploration, where reliability, repairability, and reusability are critical for cost-effective missions. Coordination between heterogeneous units is paramount for precision tasks -- whether in manipulation, legged locomotion, or multi-robot interaction. Such modular systems introduce challenges far exceeding those in monolithic robot architectures. This study presents a robust method for synchronizing the trajectories of multiple heterogeneous actuators, adapting dynamically to system variations with minimal system knowledge. This design makes it inherently robot-agnostic, thus highly suited for modularity. To ensure smooth trajectory adherence, the multidimensional state is constrained within a hypersphere representing the allowable deviation. The distance metric can be adapted hence, depending on the task and system under control, deformation of the constraint region is possible. This approach is compatible with a wide range of robotic platforms and serves as a core interface for Motion-Stack, our new open-source universal framework for limb coordination (available at https://github.com/2lian/Motion-Stack ). The method is validated by synchronizing the end-effectors of six highly heterogeneous robotic limbs, evaluating both trajectory adherence and recovery from significant external disturbances.