Design and Development of Modular Limbs for Reconfigurable Robots on the Moon

📄 arXiv: 2601.04541v1 📥 PDF

作者: Gustavo H. Diaz, A. Sejal Jain, Matteo Brugnera, Elian Neppel, Shreya Santra, Kentaro Uno, Kazuya Yoshida

分类: cs.RO

发布日期: 2026-01-08

备注: Author's version of a manuscript accepted at the International Conference on Space Robotics 2025 (iSpaRo 2025). (c) IEEE

💡 一句话要点

为月球可重构机器人设计模块化四自由度肢体Moonbots

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模块化机器人 空间探索 可重构机器人 月球机器人 机器人肢体

📋 核心要点

  1. 现有空间探索机器人灵活性不足，难以适应月球复杂地形和多变任务需求。
  2. 设计模块化机器人肢体Moonbots，通过不同模块组合实现多种构型，提升适应性。
  3. 实验验证了Moonbots在不同负载下的控制性能，并展示了九种功能配置的适应性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了四自由度机器人肢体Moonbots的开发，该肢体设计用于以各种配置与其他肢体和轮式模块连接，从而适应不同的环境和任务。这些模块化组件主要用于我们的Moonshot项目中，用于月球上的空间探索和建造。这种模块化机器人为资源受限的空间任务增加了灵活性和多功能性。每个模块由具有高扭矩-速度比的通用执行器驱动，在需要时支持精确控制和动态运动。这种统一的执行器设计简化了不同模块类型的开发和维护。本文描述了硬件实现、模块的机械设计以及用于控制和协调它们的整体软件架构。此外，我们评估了执行器在各种负载条件下的控制性能，以表征其对模块化机器人应用的适用性。为了展示系统的适应性，我们介绍了由同一组模块组装成的九种功能配置：4DOF-limb、8DOF-limb、vehicle、dragon、minimal、quadruped、cargo、cargo-minimal和bike。这些配置反映了不同的运动策略和特定于任务的行为，为可重构机器人系统的进一步研究提供了实践基础。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决空间探索任务中机器人适应性不足的问题。现有机器人通常为固定构型，难以应对月球表面的复杂地形和多样化任务需求，例如移动、建造等。模块化机器人虽然具备潜力，但设计和控制复杂，尤其是在资源受限的太空环境中。

核心思路：论文的核心思路是设计一种模块化的机器人肢体，即Moonbots，通过统一的接口和控制架构，实现不同模块之间的灵活组合和快速重构。这种模块化设计允许机器人根据任务需求和环境特点，动态调整自身构型，从而提高适应性和任务执行效率。

技术框架：Moonbots系统的整体架构包括以下几个主要模块：1) 模块化肢体Moonbots，每个肢体具有4个自由度；2) 统一的执行器设计，采用高扭矩-速度比的电机，简化开发和维护；3) 模块间连接机构，实现快速可靠的物理连接和数据通信；4) 软件控制架构，用于协调和控制各个模块的运动，实现整体的运动规划和任务执行。

关键创新：该论文的关键创新在于模块化肢体的设计和统一的控制架构。通过模块化设计，机器人可以根据任务需求进行快速重构，实现多种运动模式和功能。统一的控制架构简化了模块间的协调和控制，降低了开发和维护的复杂性。此外，采用高扭矩-速度比的电机，保证了机器人在各种负载条件下的稳定性和控制精度。

关键设计：Moonbots的关键设计包括：1) 模块化接口的设计，保证了模块间的快速连接和数据通信；2) 执行器的选择，采用高扭矩-速度比的电机，保证了机器人的运动性能；3) 软件控制架构的设计，实现了模块间的协调和控制。具体参数设置和损失函数等细节在论文中未详细描述，属于未知信息。

📊 实验亮点

论文展示了由同一组Moonbots模块组装成的九种功能配置，包括4DOF-limb、8DOF-limb、vehicle、dragon、minimal、quadruped、cargo、cargo-minimal和bike。这些配置验证了Moonbots的模块化设计和重构能力，能够适应不同的运动策略和特定任务需求。论文还评估了执行器在不同负载条件下的控制性能，但具体的性能数据和对比基线未在摘要中明确给出，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于月球及其他行星表面的空间探索和建造任务。模块化机器人能够适应复杂地形，执行资源勘探、基础设施建设等任务。此外，该技术还可应用于灾后救援、危险环境作业等领域，提高机器人的适应性和任务执行能力，具有重要的实际应用价值和广阔的发展前景。

📄 摘要（原文）

In this paper, we present the development of 4-DOF robot limbs, which we call Moonbots, designed to connect in various configurations with each other and wheel modules, enabling adaptation to different environments and tasks. These modular components are intended primarily for robotic systems in space exploration and construction on the Moon in our Moonshot project. Such modular robots add flexibility and versatility for space missions where resources are constrained. Each module is driven by a common actuator characterized by a high torque-to-speed ratio, supporting both precise control and dynamic motion when required. This unified actuator design simplifies development and maintenance across the different module types. The paper describes the hardware implementation, the mechanical design of the modules, and the overall software architecture used to control and coordinate them. Additionally, we evaluate the control performance of the actuator under various load conditions to characterize its suitability for modular robot applications. To demonstrate the adaptability of the system, we introduce nine functional configurations assembled from the same set of modules: 4DOF-limb, 8DOF-limb, vehicle, dragon, minimal, quadruped, cargo, cargo-minimal, and bike. These configurations reflect different locomotion strategies and task-specific behaviors, offering a practical foundation for further research in reconfigurable robotic systems.