FT-WBC: Learning Fault-Tolerant Whole-Body Control for Legged Loco-Manipulation

📄 arXiv: 2606.24466v1 📥 PDF

作者: Yudong Zhong, Pengfei Mai, Sikai Guo, Jiahang Cao, Zhihai Bi, Qiuyue Liu, Ziyan Feng, Jinni Zhou, Jun Ma

分类: cs.RO

发布日期: 2026-06-23

💡 一句话要点

提出FT-WBC以解决腿式机器人故障容忍的全身控制问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 腿式机器人 故障容忍 全身控制 动态适应 鲁棒性 操控能力 仿真实验 真实环境

📋 核心要点

  1. 现有的容错控制方法主要关注运动本身，未能有效解决全身稳定性与机械臂可达性之间的耦合问题。
  2. FT-WBC框架通过上下身解耦的策略架构，结合故障估计器和姿态适应模块，提升了故障情况下的控制能力。
  3. 实验结果显示，FT-WBC在执行器故障情况下显著提高了生存率和工作空间，且成功迁移至真实环境中。

📝 摘要（中文）

腿式操控器结合了腿式平台的机动性与机械臂的操作能力。然而，机械臂引起的重心偏移和动态干扰使得系统在执行器故障时更容易不稳定，可能导致跌倒、任务失败或安全风险。现有的容错控制方法主要集中于单一的运动，而未能有效解决全身稳定性与机械臂可达性之间的耦合问题。为此，本文提出FT-WBC，一个针对腿式操控器在执行器故障下的鲁棒全身控制的故障容忍框架。FT-WBC采用了上下身解耦的策略架构，并引入了故障估计器（FE）和姿态适应模块（PAM）两个关键模块。FE根据下肢的自我感知历史预测故障关节，而PAM利用这些故障信息调整机械臂策略生成的基础姿态计划，将潜在不稳定的姿态请求转化为安全可执行的基础姿态指令。通过这一故障感知的姿态适应机制，FT-WBC在执行器故障下合成补偿步态，并尽可能保持机械臂的工作空间，同时维持全身稳定性。仿真和实地实验表明，FT-WBC在执行器减弱或锁定故障情况下显著提高了生存率和工作空间，并成功实现了零样本迁移到真实的腿式操控器。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决腿式机器人在执行器故障情况下的全身控制问题。现有方法多集中于单一运动，未能有效处理全身稳定性与机械臂可达性之间的复杂耦合关系。

核心思路：FT-WBC框架通过引入故障估计器（FE）和姿态适应模块（PAM），实现对故障信息的感知与姿态的动态调整，从而提升系统的鲁棒性和稳定性。

技术框架：FT-WBC的整体架构包括上下身解耦的策略架构，故障估计器用于预测故障关节，姿态适应模块则根据故障信息调整基础姿态计划。

关键创新：FT-WBC的主要创新在于故障感知的姿态适应机制，使得在执行器故障情况下能够合成补偿步态，并保持机械臂的工作空间，显著提高了系统的稳定性。

关键设计：在设计中，故障估计器利用下肢的自我感知历史进行故障预测，姿态适应模块则将不稳定的姿态请求转化为安全的基础姿态指令，确保系统在故障情况下的安全性与可操作性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果表明，FT-WBC在执行器减弱或锁定故障情况下，生存率提高了显著的百分比，并且工作空间得到了有效的扩展。与基线方法相比，FT-WBC在故障情况下的表现有明显提升，验证了其在真实环境中的有效性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括服务机器人、救援机器人及工业自动化等场景，能够在执行器故障的情况下确保机器人稳定运行，提升任务执行的安全性和可靠性。未来，FT-WBC框架有望在更多复杂环境中得到应用，推动腿式机器人的发展。

📄 摘要（原文）

Legged manipulators combine the mobility of legged platforms with the manipulation capability of robotic arms. However, arm-induced Center-of-Mass shifts and dynamic disturbances make the system more prone to instability under actuator failures, potentially leading to falls, task failures, or safety risks. Existing fault-tolerant control methods mainly focus on locomotion alone, leaving the coupled problem of whole-body stability and arm reachability in fault-tolerant loco-manipulation largely unaddressed. To bridge this gap, we propose FT-WBC, a fault-tolerant loco-manipulation framework for robust whole-body control of legged manipulators under actuator failures. FT-WBC adopts a decoupled upper- and lower-body policy architecture and introduces two key modules: a Fault Estimator (FE) and a Posture Adaptation Module (PAM). The FE predicts faulty joints from lower-body proprioceptive histories, while the PAM uses this fault information to adapt the base posture plan generated by the arm policy, converting potentially unstable posture requests into safe and executable base posture commands. Through this fault-aware posture adaptation mechanism, FT-WBC synthesizes compensatory gaits under actuator failures and preserves as much arm workspace as possible while maintaining whole-body stability. Simulation and real-world experiments show that FT-WBC significantly improves survival rate and workspace under weakening or locked failures, and transfers zero-shot to a real legged manipulator in the real world.