跳转到主要内容

原始研究的文章

前面。机器人。人工智能,2022年11月25日
秒。空间机器人
卷9 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frobt.2022.1004165

轨道跳跃动作,两个Astrobee free-flyers:地面和飞行试验

  • 1飞船机器人实验室,机械和航空航天工程、海军研究生院,蒙特利,美国CA
  • 2机械工程系,加州州立理工大学,圣路易斯奥比斯波,CA,美国
  • 3机械和航空航天工程学系Politecnico di都灵,意大利都灵

提出了动态跳跃动作使用机械驱动作为free-flyer车辆附近的运动方法或大空间结构。这样的动作感兴趣的应用程序相关的邻近演习,观察、货物搬运,制造、和传感器的数据收集。本研究描述了一组使用两个Astrobees执行动态跳跃动作实验。这两辆车都由最初掌握到一个共同的自由浮动的扶手。从这个初始条件,活跃Astrobee推出本身使用机械驱动机械臂机械手。地面和飞行实验的结果提出了会话完成飞船机器人实验室的海军研究生院,智能机器人组设施在NASA艾姆斯研究中心,和跳跃动作登上国际空间站。总的来说,这项研究表明,通过机械运动驱动可以成功启动free-flyer车辆在最初期望的轨迹从另一个对象相似的大小和质量。

1介绍:机器人跳跃

太空活动预计将增加与国家和商业实体,探索地球以外如何访问和利用资源(柯托树皮et al ., 2021)山楂果et al。(2019)(爱德华兹et al ., 2021)(Swaminathan, Malhotra 2021)。机器人汽车可以帮助通过执行任务,如观察和测量,否则是耗时的,费劲的,重复的。特别感兴趣的是使用self-toss跳跃动作允许车辆通过机械驱动发射从一个给定的对象或表面。机器人跳跃和机械驱动已经探索了搜救,探索,最近在轨探索小行星与密涅瓦Ryugu二世(不快,Burdick 2003)(Dubowsky et al ., 2008)(Yoshimitsu et al ., 2012)(白et al ., 2012)。

跳跃机器人可用于应用程序通过轨道服务车辆执行任务,如测量、数据采集和对象操作。系统和平台用于加油、维修和支持更长的太空任务正在开发(戴维斯et al ., 2019)。在轨服务任务的例子发生或即将发生的包括执行的任务扩展由诺斯罗普·格鲁曼公司车辆交会对接与Intelsat - 901和- 1002卫星在地球同步轨道(Pyrak和安德森,2022),地球同步卫星的机械维修技术(显示)项目服务交互和操作的客户端卫星(Saplan 2022),OSAM-1(原名Restore-L)维修任务,旨在加油和重新定位为了延长其操作时间(陆地卫星7号拍摄科尔et al ., 2020)。作为轨道机械维修技术能力提高,机器人机械手可以提供一种新的、有效的方法维修车辆操作在客户端航天器的运动。机械驱动的机械手可以用来启动一个服务车辆从另一个结构,从而减少所需的推进剂维修车辆的数量和增加其潜在的操作时间。半运动学和动力学台用于验证飞行前和准备系统(王尔德et al ., 2019)。

Astrobatics是航天器之间的科研合作机器人实验室(SRL)海军研究生院(NPS)和智能机器人组(IRG)设施NASA艾姆斯研究中心。Astrobatics表现研究self-toss跳跃动作的研究郭Choon et al ., (2019)Kwok-Choon et al ., (2020)Kwok-Choon et al ., (2021)渡边et al ., (2022),结果从近端和远端跳跃动作Astrobee从地面和机载国际空间站(ISS)固定扶手的出版。以前Astrobatics实验探索跳跃动作从固定扶手,这是安装在甲板上或国际空间站的内墙。

轨道的动态跳跃机器人是基于动量守恒的原则。宇宙飞船启动一个或多个机器人关节,从而反映速度飞船身上,并允许它推出了一个基础结构。因此,它实现了运动通过电力,这是可再生的轨道,而不是化学推进剂,是有限的。数学上,轨道跳可分为两个基本情况:跳跃从基本结构非常大质量和跳跃的基本结构与质量密切级机器人飞船本身。在第一种情况下,测试前Astrobatics实验(Kwok-Choon et al ., 2021),可视为一个固定的结构基础,从跳跃和反应部队机动可以被忽视。在第二种情况下,它被认为是在这项研究中,基础上的跳跃动作赋予一个速度结构,基于法律的行动和反应。动态跳跃动作的理论模型的研究渡边et al ., (2022)。在这研究中,运动方程是跳跃与两个Astrobee车辆机动,零初始动量线速度和角速度。相比之下,本研究补充(渡边et al ., 2022),进入半实物的更多细节在NPS SRL地面和飞行实验,艾姆斯尾声时,在国际空间站。NPS SRL和艾姆斯尾声时地面实验从2021年6月到2022年1月,与国际空间站会话完成于2021年11月和2022年2月,分别。动态跳跃动作的结果,显示了主动和被动车相对状态,以讨论列出的观察和比较。

研究本文的动机在探索动态运动跳跃动作对象之间相似的大小和惯性。同时与两个Astrobees完成跳跃动作,Astrobees最初掌握到自由浮动的常见的扶手,和指定的活跃Astrobee推出了自己从被动Astrobee系统使用机械驱动机械臂机械手。一系列的半实物试验进行两个浮动飞船模拟器花岗岩桌上海军研究生院,紧随其后的是测试有两个Astrobees NASA艾姆斯研究中心,最后跟着一组飞行实验上国际空间站。

本文由五个部分和了进一步的动态跳跃动作Astrobee free-flyer推出从另一个相似的大小和质量。首先,Astrobee free-flyer潜浮性能及其机械手臂。接下来,活跃的动态跳跃机动Astrobee从被动Astrobee系统启动。在下一节中,SRL的地面测试设备和尾声了。最后,从SRL地面和飞行实验的结果,伊斯兰革命卫队,和在国际空间站,结果讨论和结论。

2 Astrobee free-flyer

Astrobee自由飞行机器人系统旨在支持人员活动和作为研究平台上国际空间站(见图1)。的Astrobee free-flyers立方体形状的32厘米宽,配备两个安装海湾客人科学硬件负载;例子包括斯坦福gecko-adhesive爪(Cauligi et al ., 2020)和SoundSee声学传感器(邦迪et al ., 2022)。Astrobatics项目一直特别感兴趣的潜浮性能利用Astrobee的机器人铲臂,由近端关节,远端关节和末端执行器的钳子。机械臂的驱动命令范围近端关节(−30°、90°)和远端关节(−90°、90°)(公园et al ., 2017)。

图1
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图1。说明和注释的Astrobee free-flyer车辆(李et al ., 2018)。

Astrobee配备锂离子充电电池的带电而停泊车辆停靠站,12喷嘴推进通过使用两个进气叶轮,机载传感器和数组(Hazcam、SciCam Navcam, Speedcam, PerchCam,和DockCam),让它感觉和与环境进行交互。此外,Astrobee有三个主要的处理器:底层处理器(LLP)控制推进系统和运行控制软件,中层处理器(MLP)计算机视觉算法,和高级处理器(HLP),主要用于客人科学软件应用程序。进一步描述Astrobee的功能中可以找到史密斯et al . (2016),公园et al . (2017)。

3跳机动

轨道机动跳跃发生当航天器使用机器人机械手或扔了另一个空间结构。在之前的工作(郭Choon et al ., 2019),轨道跳跃的运动方程是定义使用拉格朗日方法。如果一个跳跃动作执行结构非常大的质量,如国际空间站,可以被视为一个固定结构基础与无限的惯性,和机器人航天器的动量守恒的线速度和角速度后即时分离(Kwok-Choon et al ., 2021)。

然而,许多潜在的轨道跳应用涉及基础结构质量与机器人飞船本身。在这些情况下,基础必须被视为一个自由浮动对象non-infinite惯性,和总线性动量,P角动量,l的系统(机器人航天器和基础结构)是守恒的。组成的一个系统n链接,动量是所描述的

P t = = 1 n v , ( 1 )
l t = = 1 n ω + r × v , ( 2 )

在哪里n是完整的系统的刚性链接的数量(包括基础结构、机械手和机器人飞船身体),是每个链接的质量,v是每个链接的质心的速度,是每个链接的质量惯性矩对其质心,然后呢r是每个链接的质量中心的位置。的重心完全自由浮动系统可以被视为惯性坐标系的原点,向量的定义。如果系统最初是在休息,P(t)= 0和l(t)= 0t,基极和机器人航天器分离后将相等和相反的动量。一个方法来描述的主动和被动Astrobee动态模型是利用运动方程基于广义雅可比矩阵(王尔德et al ., 2018)(渡边et al ., 2022)。

在这里描述的轨道跳跃实验,跳跃的情况下一个对象的类似的质量和惯性了。(见说明了Astrobee跳跃的动作图2 a, B),与车辆最初遇到了一个共同的自由浮动的扶手。对于这一系列测试,获得到被动Astrobee自由浮动的扶手,在把握上的被动Astrobee扶手相当于一个刚体组成的Astrobee加上扶手。从一开始位置(见图2一个),主动和被动Astrobees最初在休息的时候。发生self-toss跳跃策略驱动的主动Astrobee近端关节,其次是爪释放。这一系列的行为给予的角和线速度变化组件两岸的发布点,这在爪释放导致车辆在各自的旅行然后路径(见图2 b)。

图2
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图2。Astrobee跳跃maneuver-side视图:(一)初始配置与近端关节在最初的手臂位置。(B)说明驱动和后爪释放。

主动和被动Astrobees以来几乎是相同的质量和惯性,它预计,这两个机器人将单独以大约相同的速度在相反的方向。这些实验的主要自变量是即时的关节角分离,这决定了速度矢量的方向v方程式1- - - - - -2。情况下,预计更快的分离速度v有一个更大的组件,正常的扶手。每次运行,国际空间站的宇航员们把系统在一个中央位置开始,然后Astrobee运营商协调与国际空间站宇航员的发布并开始回旋余地。在跳跃动作,每个Astrobee收集其感知到的轨迹和方向的状态。被动Astrobee吩咐守住自由浮动的扶手,机械手臂完全伸展在整个实验过程中,从而提供一个发射平台活跃Astrobee系统。对于每个运行,积极Astrobee机械手臂指挥开动其近端关节从最初开始角度,用钳子释放将发生最后到达所需的角度。一系列最终的角度进行测试,以评估self-toss动作在不同部门释放条件。

4地面测试设备

在准备飞行实验在国际空间站,一系列不同的运行时完成SRL和伊斯兰革命卫队(见测试设施图3;表1)。首先,动态self-toss跳跃动作中开发和探索NPS SRL地面测试设备。生存研究实验室,两个浮动飞船模拟器(FSS)被用于一个4米×4米的花岗岩巨石(见表图3一)。活跃的FSS潜浮性能配备一个副本Astrobee机械臂(Komma 2018),被动FSS的3 d打印安装固定臂的静态表示。金融监督院安装基座允许Astrobee臂驱动的飞机感兴趣的。

图3
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图3。实验地面测试设置:(一)NPS SRL和(B)美国宇航局艾姆斯伊斯兰革命卫队(信贷NASA)。

表1
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

表1。在SRL跳跃动作执行,伊斯兰革命卫队,在国际空间站。

每个Astrobee车辆是32厘米×32厘米的长方体,质量约为10公斤(Bualat et al ., 2018)。这是与金融监督院车辆,27厘米×27厘米的足迹和大量的9.882公斤,不附加任何负载(Zappulla et al ., 2017)。的相似的规模和质量不同的系统允许预期的动态比较运动期间self-toss跳跃动作执行SRL NPS与伊斯兰革命卫队NASA艾姆斯。

初始操作选择利用完整的近端关节在活动FSS的延伸。一系列的实验运行在NPS SRL完成。然而,它是确定一个大的初始角可能会导致意想不到的联系主动和被动Astrobee车辆。因此,以确保没有偶然的主动和被动之间的碰撞Astrobee车辆在地面和飞行测试,动态的初始和最终的角度选择跳跃动作在NASA艾姆斯IRG和在国际空间站的一个子集关节范围(见表1)。

经过初步测试和演示的境内self-toss演习SRL设施,第二轮的地面测试完成后使用真实的伊斯兰革命卫队花岗岩实验室Astrobee车辆浮动平台(见图3 b)。来开动Astrobee近端关节运动花岗岩台面平行,主动Astrobee必须安装在它的身边。由于硬件安装限制,只能安装在活动Astrobee,被动Astrobee是安装在取向正直的人。使必要的测试和飞行准备继续使用丁字架扶手,安全地安装在被动Astrobee臂通过使用一个红色的弹力绳(见图3 b)以防止下滑。相比之下,国际空间站,两Astrobees安装自由浮动,线性扶手,Astrobees直立的取向。被动Astrobee爪了聚酰亚胺薄膜的扶手带。橙色的电影胶带所示图10 b在被动Astrobee爪的末端执行器。

5个结果

表1地面和飞行测试结果的总结概述。国际空间站案例A、B和C都类似于运行在美国宇航局艾姆斯尾声时执行测试设备的驱动(−20°0°、15°、45°),分别。案例涉及D驱动(−20°15°),紧随其后的是一次自由轨迹,然后停止所有运动的命令(SAM)激活其叶轮Astrobee休息。从研究Coltin (2019),各关节的最大角速度Astrobee的机械手臂被定义在6.9 (°/年代)[0.12 (rad / s)]。记录的近端关节的角速度, α ̄ ̇ 马克斯 从实验SRL,尾声时,提出了在国际空间站表1。在每个跳跃动作,在驱动关节速度增加角速度达到高峰;的值 α ̄ ̇ 马克斯 报道表1的所有运行的平均峰值速度。

要指出的是,SRL Astrobee手臂吩咐开动记录角速度(Coltin 2019);然而,在随后的NASA艾姆斯测试伊斯兰革命卫队和在国际空间站,Astrobee手臂被发现在较慢的角速度开动。从实验观察,最大关节速度在驱动每个各自组内相对稳定(SRL、尾声和ISS)实验。

5.1地面实验NPS SRL和NASA艾姆斯伊斯兰革命卫队

NPS SRL的结果和NASA艾姆斯伊斯兰革命卫队的地面实验,进行实验跳跃动作的概述(见图4)。地面测试运行的一个例子,在NPS SRL进行描述(见图4一),说明实验运行的执行NASA艾姆斯伊斯兰革命卫队(见图4 b)。

图4
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图4。地面实验测试:(一)NPS SRL和(B)美国宇航局艾姆斯伊斯兰革命卫队(信贷NASA)。

5.1.1 NPS SRL地面实验

NPS地面实验和两个浮动飞船模拟器(FSS)车辆,活跃的FSS的吩咐潜浮性能开动其机械臂和执行的跳跃动作被动持有的扶手FSS车辆。金融监督院和self-toss跳跃动作的说明所示图5情况下的轨迹,B和C为每个运行跟踪。

图5
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图5。插图NPS SRL的地面实验的fs活跃的把握的扶手上fs被动作为初始条件开始。

图5是由同步SRL跑到一个共同的开始位置和姿态。任意,运行AR1被选为参考起始位置,从而允许对所有运行的轨迹覆盖和比较。每次运行有相同的初始近端角活跃fs,最后−90°,不同角度(−30°、45°−−60°)。图6三个案例的说明由九各自运行,近端联合指挥的动作从20°为0°、15°、45°。

图6
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图6。生存研究实验室(α,x,y,ϕ)的fs活跃的随着时间的推移。时间标记表明t开始近端关节驱动和 t r e l e 一个 年代 e 一个 情况下。

图6总结了SRL跳跃动作的情况下运行,在哪里α代表了积极Astrobee近端关节角, α ̇ 活跃的角速度Astrobee近端关节,和[x,y)位移的跟踪位置fs,标题用角,ϕ在z轴。从图6,x - y-displacementvs。时间的情节描述的轨迹fs活跃的(线)相比fs被动(符号)。分离后,主动和被动FSS车辆显示大约在相反的方向移动。类似的效应存在的取向ϕvs。阴谋,这表明,分离后的两辆车有相反的旋转。

应该注意的是,的时间手臂吩咐在后处理同步移动,t开始= 1.71,允许各自的数据集的比较和分析。这允许时间释放的情况下是同步运行 t r e l e 一个 年代 e 一个 = 10.0 s。角速度, α ̇ 的近端关节从记录的导数计算关节的位置,α,并设计实现了一个高斯平滑移动平均线来减少信号噪声。最大持续平均角速度在联合驱动, α ̄ ̇ ,被发现6.9°/年代NPS跳跃的动作。

5.1.2 NASA艾姆斯尾声时地面实验

在准备飞行实验中,感兴趣的动作被验证在美国宇航局艾姆斯伊斯兰革命卫队花岗岩与两个Astrobees(见表图4 b)。而被动和主动的方向Astrobees在国际空间站比预期的不同配置会话由于硬件限制如第四节所述,一个完整的系统测试来验证代码完成功能。

跳跃动作执行NASA艾姆斯尾声时进行验证,确保感兴趣的命令和操作与Astrobee是可能的。的总结记录状态,α,x,y,ϕ),提出了机械臂的驱动机械手近端关节,αxy-displacement,平面的方向Astrobee活跃的(见图7)。在艾姆斯平面xy-displacement伊斯兰革命卫队数据集的大小似乎与NPS SRL实验比较好。

图7
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图7。伊斯兰革命卫队(α,x,y,ϕ)的Astrobee活跃的车辆随着时间的推移,时间标记t开始的近端关节驱动。

在后处理中,命令开发与联合驱动开始记录被发现重叠。这导致了一个意想不到的截断数据收集的开始,在那里t开始在−20°(应该是看到了什么图7)。之前这是解决国际空间站飞行试验前将推迟联合驱动命令。(见数字A1- - - - - -A4)。

5.2国际空间站的飞行试验

在国际空间站的跳跃动作,类似于地面实验在SRL和伊斯兰革命卫队(见图8 a, B),已从被动Astrobee活跃Astrobee发射系统,这两个最初掌握到一个共同的自由浮动的扶手。图8展示了国际空间站宇航员每次实验进行之前把整个系统。说明所有六个成功记录ISS案例所示一个跳跃动作图9,积极执行Astrobee跳跃动作从最初−20°角最终0°角。

图8
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图8。国际空间站上跳跃试验;(一)从观测相机拍摄实验(信用NASA)。(B)跳跃策略配置信贷(NASA) (加西亚,2021)。

图9
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图9。插图6例的运行,完成了每次运行的相对轨迹在国际空间站。

的总结收集到的动态跳跃动作所示数字A1- - - - - -A4从每个各自的情况下出现的情节表现(见数字A1- - - - - -A4)。在每个图中,最初的扶手的位置和姿态调整到一个共同的基准,为了比较产生的轨迹。国际空间站跳跃动作的主动与被动Astrobee情况下,B, C, D是在国际空间站的两个交易日完成。第一次会议是在2021年11月,多数运行,成功的测试是在2022年2月完成。

图A1,期间收集的数据的总结描述。尤其是近端关节 ( α , α ̇ ] 显示位置和角速度与位移(x,z),角位置(ψ,θ,ϕ),和角速度 ( ψ ̇ , θ ̇ , ϕ ̇ ] 。时间,t开始,概述了近端关节驱动机动,开始时间,t一个,当关节到达所需的角是暂时的吩咐驱动释放扶手。在近端关节的动作,似乎有增加Astrobee角速度的活跃, ( ψ ̇ , θ ̇ , ϕ ̇ ] 。观察到的瞬时角速度的增加活跃Astrobee发布前可以归因于一个改变Astrobee旋转中心的活跃,在发布前对其近端关节旋转,释放后对其质心旋转。后的自转速率的下降t一个可能是由于能量损失在爪释放和一个内置的安全功能,减少了关节速度之前爪驱动。在爪释放,主动和被动系统独立的如图所示的情况下,B, C, D数据中发现数字A1- - - - - -A4

情节Astrobatics空间站实验的情况下提供B和C(见图A2图A3)。类似于图A1期间,被动和主动Astrobee州跳跃动作进行描述。的时间Astrobee胳臂吩咐动作显示为t开始,时刻所需的近端角,α被时间达到tB,tC]。主动的被动系统的发布与爪释放发生时如图所示的瞬时峰值角速率, ( ψ ̇ , θ ̇ , ϕ ̇ ] ,在主动与被动Astrobee的释放。

例D(见图A4)涉及跳跃动作其次是激活的叶轮将活跃Astrobee通过停止所有其他运动(SAM)。主动Astrobee手臂近端关节开始在一个初始角度,−20°,然后吩咐所需的15°角释放。在一次,t叶轮的叶轮活跃Astrobee打开了吩咐叶轮力(FR1,FR2相反的速度测量。如图所示,叶轮的激活,紧随其后的是瞬间增加了稳定的角速率和线性位置活跃Astrobee free-flyer。

5.3观察

总体而言,动态跳跃动作在地面和飞行测试成功完成NPS SRL, NASA艾姆斯伊斯兰革命卫队,在国际空间站。动态跳跃动作通过机械驱动可以用作初始运动方法free-flyer车辆附近或在大空间结构。这样的动作让free-flyer如Astrobee发射本身从一个给定的对象在最初的轨迹。在每种情况下,正如预期的那样,自由浮动的被动Astrobee推出Astrobee方向相反的活跃。情况下,B和C作为最终版本角增加,主动和被动之间的整体x-displacement Astrobees(见减少数字A1- - - - - -A3)。

是指出,传感器噪声和每个Astrobee可靠地确定其各自的能力定位状态(位置和姿态)是重要的因素在捕捉记录每辆车的状态。情节和比较的轨迹数据集情况下,有必要设置一个运行在每个用例的引用,然后比较其他运行的案例集。同样,比较被动和主动的位移的大小free-flyer车辆动态跳跃动作,每组轨迹的“0”在每种情况下运行(见参考数字A1- - - - - -A4)。

NPS实验跳跃动作相比,伊斯兰革命卫队和空间站实验运行有不规则的轨迹跟踪。这可能是由于定位的方法和确定每辆车的位置和姿态状态(x,y,z,ψ,θ,ϕ]。NPS实验期间,金融监督院车辆跟踪与10-camera Vicon跟踪阵列安装在墙壁上的设备(vicon 2022)。在伊斯兰革命卫队和空间站跳跃动作,Astrobee利用机载传感器和摄像头来确定其定位状态(见图10)。伊斯兰革命卫队花岗岩表模拟(见国际空间站环境图4 b)与依赖跟踪已知特性允许Astrobee确定其状态。尾声时,良好的跟踪特性时可能Astrobee观察特性在左边,右,和后方墙壁。然而,当Astrobee面对开放的一面表(墙附近),有可怜的跟踪,因为Astrobee邻近的稀疏特性。因此,这将在一定程度上解释了不规则的轨迹跟踪观察图10墙附近,位于顶端的人物。相似程度上不规则的跳跃轨迹记录的实验表现在国际空间站也可能造成由于临时丧失在每个跳跃动作(见跟踪特性数字A1- - - - - -A4)。

图10
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图10。插图的地面实验NASA艾姆斯尾声时,与活跃Astrobee驱动机械臂在平面上的投影与被动Astrobee抓住T-handrail直立的取向。

伊斯兰革命卫队花岗岩表提供验证和实验验证算法和跳跃动作发展将允许Astrobee命令在国际空间站。类似于NPS实验中,伊斯兰革命卫队的实验被约束在一个平面表示驱动和动态运动。伊斯兰革命卫队实验允许的系统和代码测试功能,以前没有出现在之前的实验(郭Choon et al ., 2019;Kwok-Choon et al ., 2020;Kwok-Choon et al ., 2021),比如数据采集同步的自动启动和停止驱动命令并完成跳跃动作,同步命令和控制的主动和被动Astrobees同时,和发送命令一个选定的Astrobee。NPS与伊斯兰革命卫队测试用例强调,跳跃动作积极的从一个被动的系统相似的大小和质量是一个可行的方法发起运动和机动。

相比之下,伊斯兰革命卫队数据集显示漂移的偏见和x轴上的主动和被动Astrobees +y设在方向似乎并没有普遍的或一致的在国际空间站的情况下,B, C和D的数据集。一致的漂移的伊斯兰革命卫队的可能原因的数据集可能是由于在花岗岩可能优惠梯度表和相关测试条件。这是在直接比较NPS实验数据集轨迹似乎类似于分离post-gripper发布的主动与被动Astrobee车辆,如所示图6

6结论

实验半实物的地面和飞行测试结果轨道跳跃动作。主动Astrobee free-flyer可以成功完成跳跃动作从一个自由浮动的扶手由被动Astrobee持有。实验结果同意理论模型的轨道跳跃,跳跃的情况下的自由浮动的基本对象和质量和惯性级中关闭机器人飞船本身。实验表明,这种类型的运动可以被描述为线性和角动量守恒的初始系统质心;机器人主动和被动的基础是在相反的方向相反的旋转。

实验结果表明,机械驱动可以提供最初的轨道运动和推进free-flyer从对象相似的大小和质量。应用程序这样的跳跃动作可以用于在轨组装、维修、运送建筑材料或运输传感器在大空间结构。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

道德声明

书面知情同意了个人(s)的出版的任何潜在的可识别的图像或数据包含在本文中。

作者的贡献

先生和JH SK-C是主要作者,作为学术顾问和项目主要调查员。SK-C和JH进行文献研究轨道跳跃动作。先生和JH概述Astrobatics实验的范围。在NPS SK-C执行金融监督院半实物实验。SK-C与智能机器人组(IRG) Astrobee团队发展Astrobatics动态跳跃代码,用于记录间隔和空间站实验。SK-C和JH协调与美国航天局艾姆斯尾声时,NASA艾姆斯记录间隔为半实物测试。SK-C执行收集的数据集从NPS SRL的后处理,NASA艾姆斯尾声时,国际空间站上。JH,先生,SK-C回顾和修正提交之前提供。

资金

这项研究由海军研究生院基金会资助。而执行这项研究作者、SK-C举行了NRC研究为准会员海军研究生院的飞船机器人实验室。

确认

我们愿意承认海军研究生院基础和空间测试程序,通过这个研究已经成为可能。我们还要感谢Astrobee团队,NASA艾姆斯研究中心,智能机器人小组和空间站宇航员Matthias毛雷尔和拉贾沙里河协助执行实验在国际空间站。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

作者免责声明

本文的观点是作者和不能反映国防部的官方政策或位置或美国政府。

引用

巴姨,L。,Ge, W., Chen, X., and Chen, R. (2012). Design and dynamics analysis of a bio-inspired intermittent hopping robot for planetary surface exploration.Int。j .放置机器人系统。9日,109年。doi: 10.5772/51930

CrossRef全文|谷歌学术搜索

邦迪,L。,Chuang, G., Ick, C., Dave, A., Shelton, C., Coltin, B., et al. (2022). “Acoustic imaging aboard the international space station (iss): Challenges and preliminary results,” inICASSP 2022 - 2022年IEEE国际会议音响、演讲和信号处理(ICASSP),新加坡,2022年5月27日。5108 - 5112。doi: 10.1109 / ICASSP43922.2022.9746256

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Bualat, m·G。史密斯,T。方,T。W., Smith, E. E., and Wheeler, D. W. (2018). “Astrobee: A new tool for ISS operations,” inSpaceOps onference,法国马赛的,5月28日- 6月1日2018。doi: 10.2514/6.2018 -251711

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Cauligi,。,Chen, T. G., Suresh, S. A., Dille, M., Ruiz, R. G., Vargas, A. M., et al. (2020). Design and development of a gecko-adhesive gripper for the astrobee free-flying robot. arXiv preprint arXiv:2009.09151. Available at:https://arxiv.org/abs/2009.09151(2020年9月19日通过)。

谷歌学术搜索

科尔,g . T。,Webster, G. K., Pankiewicz, O. K., Schlee, K. L., Aranyos, T. J., Nufer, B. M., et al. (2020). Satellite servicing projects division restore-L propellant transfer subsystem progress 2020. in张仁推进和能源2020论坛2020年8月28,-3795年,doi: 10.2514/6.2020

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Coltin, b (2019)。Astrobee栖息的手臂。

谷歌学术搜索

柯托树皮,m E。,P一个z一个r,C。C。部,B。,和 Shanley, C. (2021). “Lunar regolith sample excavation company - a space resources business plan,” in提升2021,拉斯维加斯,内华达州,2021年11月15 - 17日,。doi: 10.2514/6.2021 -4032

CrossRef全文|谷歌学术搜索

戴维斯,j . P。,Mayberry, J. P., and Penn, J. P. (2019).在轨服务:检查修理加油升级和组装的卫星在太空中。美国加利福尼亚州:航空航天公司报告

谷歌学术搜索

Dubowsky, S。、Kesner年代。,Pl一个nte,J. S., and Boston, P. (2008). Hopping mobility concept for search and rescue robots.州的机器人。35岁,238 - 245。doi: 10.1108 / 01439910810868561

CrossRef全文|谷歌学术搜索

爱德华兹,c . M。Drever, M。,Marcinkowski, A., Wall, R., Perkes, B., Shupe, N., et al. (2021). “Lunar surface mobility: Robotic and crewed system concepts,” in2021年IEEE航空会议(50100)(美国新泽西州:IEEE),1 - 9。doi: 10.1109 / AERO50100.2021.9438176

CrossRef全文|谷歌学术搜索

不快,P。,和Burdick, J. (2003). The development of hopping capabilities for small robots.Auton。机器人14日,239 - 254。doi: 10.1023 /: 1022239904879

CrossRef全文|谷歌学术搜索

加西亚,m (2021)。一双astrobee机器人助理见飞舞——NASA。

谷歌学术搜索

向左转,t D。,Zimmerman, J. S., and Fuller, M. E. (2019). “SLS, the gateway, and a lunar outpost in the early 2030s,” inIEEE航空会议论文集,美国太,2019年3月2 - 9。doi: 10.1109 / AERO.2019.8741598

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Komma, j·l . (2018)。机电一体化:开发、分析和地面演示飞船跳跃机器人的机械手。硕士论文。加州蒙特利:海军研究生院

谷歌学术搜索

郭,S。过,J。Safbom C。猜疑的,P。,和Romano, M. (2019). “Astrobatics: A hopping maneuver experiment for a spacecraft-manipulator system on board the international space station,” in第70届国际宇航大会,华盛顿特区,2019年10月21 - 25日,1 - 10。

谷歌学术搜索

Kwok-Choon, S。哈德逊,J。,渡边,D。,Summerlin, J., Hardy, I., and Romano, M. (2021). “Astrobatics session 1: Self-toss maneuvers with astrobee onboard the international space station,” in原子吸收/张仁天体动力学专家会议,太浩湖,,2021年8月9 - 11,(美国航天学会).1-19。

《公共医学图书馆摘要》|谷歌学术搜索

Kwok-Choon, S。Safbom C。,Chitwood, J., Leary, P., Summerlin, J., Watanabe, D., et al. (2020). “Astrobatics : Characterization of experimental self-toss maneuvers at the naval postgraduate School and nasa ames: Aas 20-427,” in2020原子吸收/张仁天体动力学专家会议,太浩湖,,2020年8月卖地,。1 - 20。

谷歌学术搜索

李·d·H。,Coltin, B., Morse, T., Park, I. W., Flückiger, L., and Smith, T. (2018). Handrail detection and pose estimation for a free-flying robot.Int。j .放置机器人系统。15日,172988141775369。doi: 10.1177 / 1729881417753691

CrossRef全文|谷歌学术搜索

公园,即W。史密斯,T。,Sanchez, H., Wong, S. W., Piacenza, P., and Ciocarlie, M. (2017). “Developing a 3-DOF compliant perching arm for a free-flying robot on the International Space Station,” inIEEE / ASME国际会议上先进的智能机电一体化的目标(美国新泽西州:IEEE),1135 - 1141。doi: 10.1109 / AIM.2017.8014171

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Pyrak, M。,和一个nderson, J. (2022). “Performance of Northrop grumman’s mission extension vehicle (MEV) RPO imagers at GEO,” in自治系统:传感器、处理和安全地面、空中、海上、太空飞行器和基础设施2022个。编辑m . c . Dudzik s·m·詹姆逊和t . j . Axenson(华盛顿、美国:国际社会对光学和光子学方法相比),12115年,121150。doi: 10.1117/12.2631524

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Saplan, a (2022)。地球同步卫星的机械维修技术。

谷歌学术搜索

史密斯,T。,B一个rlow, J., Bualat, M., Fong, T., Provencher, C., Sanchez, H., et al. (2016). “Astrobee: A new platform for free-flying robotics on the international space station,” in国际研讨会上人工智能、机器人和自动化在太空(i-SAIRAS),中国,北京,2016年6月20 - 22日,1 - 8。ARC-E-DAA-TN31584。

谷歌学术搜索

Swaminathan,。,和Malhotra, V. (2021). “A spatial perspective of space colonization on mars,” in2021年IEEE航空会议(50100)(美国新泽西州:IEEE),1 - 7。doi: 10.1109 / AERO50100.2021.9438444

CrossRef全文|谷歌学术搜索

vicon (2022)。Vicon相机。可以在:https://www.vicon.com/hardware/cameras/(09年访问13,2022)。

谷歌学术搜索

渡边,D。,Kwok-Choon, S。T., Hudson, J., and Romano, M. (2022). “Hopping maneuver between two satellites: Simulations, laboratory, and flight experiments on the international space station,” incea EuroGNC 2022 -指导会议、导航和控制,柏林,德国,2022年5月5月3 - 5。张仁cea DGLR -。

谷歌学术搜索

王尔德,M。,Cl一个rk, C., and Romano, M. (2019). Historical survey of kinematic and dynamic spacecraft simulators for laboratory experimentation of on-orbit proximity maneuvers.掠夺。Aerosp。科学。110年,100552年。doi: 10.1016 / j.paerosci.2019.100552

CrossRef全文|谷歌学术搜索

王尔德,M。,郭,S。Grompone,。,和Romano, M. (2018). Equations of motion of free-floating spacecraft-manipulator systems: An engineer’s tutorial.前面。机器人。人工智能5,41岁。doi: 10.3389 / frobt.2018.00041

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

Yoshimitsu, T。日本久保田公司T。足立,T。,和Kuroda, Y. (2012). “Advanced robotic system of hopping rovers for small solar system bodies,” in人工智能国际研讨会,在太空机器人与自动化,意大利都灵,2012年9月4 - 6,3 - 7.1。

谷歌学术搜索

Zappulla, R。,Virgili-Llop, J., Zagaris, C., Park, H., and Romano, M. (2017). Dynamic air-bearing hardware-in-the-loop testbed to experimentally evaluate autonomous spacecraft proximity maneuvers.j . Spacecr。火箭54岁,825 - 839。a33769 doi: 10.2514/1.

CrossRef全文|谷歌学术搜索

命名法

α近端关节角

ψ,θ,ϕ金融监督院和Astrobees欧拉角的方向。

ψ ̇ , θ ̇ , ϕ ̇ 金融监督院和Astrobees欧拉角速率。

fs浮动飞船模拟器

伊斯兰革命卫队智能机器人小组

国际空间站国际空间站

NPS海军研究生院

(r1,r2,r4,…rn]记录运行的具体情况

山姆停止所有运动

生存研究实验室宇宙飞船机器人实验室

t开始在联合驱动的开始

t一个,tB,tC,tD在释放每个各自的钳子

t r e l e 一个 年代 e 一个 , C 在释放病例和C NPS与伊斯兰革命卫队实验,分别

x,y,z笛卡尔fs和Astrobees的位置

附录:ISS跳跃动作

图A1
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图A1。空间站:状态数据收集情况。

图A2
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图A2。空间站:状态数据收集案例B。

图A3
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图A3。空间站:C状态数据收集情况。

图A4
www.雷竞技rebatfrontiersin.org

图A4。空间站:D状态数据收集情况。

关键词:Astrobee Astrobatics,空间机器人,轨道跳跃,空间站实验

引用:Kwok-Choon年代,哈德逊J和Romano M(2022)轨道跳跃动作,两个Astrobee free-flyers:地面和飞行试验。前面。机器人。人工智能9:1004165。doi: 10.3389 / frobt.2022.1004165

收到:2022年7月26日;接受:2022年10月06;
发表:2022年11月25日。

编辑:

现任吴澳大利亚,悉尼大学

审核:

罗德里戈•文图拉葡萄牙,西班牙优越Tecnico (ISR)
Shufan吴上海交通大学,中国

至少这项工作的一部分是由詹妮弗·哈德森和马塞洛·罗马诺代表U。政府和哈德逊博士,博士Romano和。政府,在美国不受版权保护。外交和其他版权可能适用。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。

*通信:斯蒂芬•Kwok-Choonstephen.kwokchoon.mp@nps.edu,skwokcho@calpoly.edu;珍妮弗哈德逊,jennifer.hudson@nps.edu;马塞洛,mromano@nps.edu

__这些作者分享资深作者

下载