Space Debris Reliable Capturing by a Dual-Arm Orbital Robot: Detumbling and Caging

📄 arXiv: 2405.00943v1 📥 PDF

作者: Akiyoshi Uchida, Kentaro Uno, Kazuya Yoshida

分类: cs.RO

发布日期: 2024-05-02

备注: 8 pages, 14 figures. Manuscript accepted at the IEEE International Conference on Space Robotics (iSpaRo) 2024

💡 一句话要点

提出基于重复接触的阻抗控制方法，用于双臂轨道机器人捕获空间碎片前的消旋与笼捕

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空间碎片清除 双臂机器人 阻抗控制 消旋 笼捕 重复接触 轨道机器人

📋 核心要点

  1. 直接笼捕高速旋转的空间碎片可能导致失败或硬件损坏，因此捕获前需要消旋。
  2. 提出一种基于重复接触的消旋方法，利用阻抗控制降低目标动量，实现安全捕获。
  3. 通过仿真和实验验证了该方法对微卫星的消旋和笼捕效果，并降低了接触力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于笼捕策略的空间碎片捕获方法，该方法利用配备机械臂的追逐卫星对空间碎片进行捕获和操作，以执行诸如燃料补给和离轨等高级任务。笼捕通过几何约束目标碎片的运动来实现，通常采用位置控制。然而，如果目标高速旋转，直接笼捕可能导致约束失败或硬件损坏。因此，在捕获之前需要对目标进行消旋。本文提出了一种基于重复接触的方法，该方法使用阻抗控制来降低目标的动量。从阻抗参数的角度分析了所提出的消旋技术，并通过参数分析研究了它们的影响。实验验证了微卫星（作为空间碎片的代表）的成功消旋和笼捕序列。结果表明，与直接笼捕相比，消旋序列中的接触力有所降低。通过在二维微重力模拟试验台上使用双臂气浮机器人进行的仿真和实验验证了所提出的消旋和笼捕序列。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决空间碎片捕获过程中，高速旋转碎片直接笼捕可能导致失败或损坏的问题。现有方法在处理高速旋转目标时存在不足，需要先进行消旋，但如何安全有效地消旋是难点。

核心思路：论文的核心思路是采用基于重复接触的阻抗控制方法，通过机械臂与旋转碎片进行多次轻柔接触，逐步耗散其动量，从而实现安全消旋。这种方法避免了单次剧烈碰撞可能造成的损害，并能有效降低接触力。

技术框架：整体流程包括以下几个阶段：1) 初始状态识别：确定目标碎片的旋转状态。2) 轨迹规划：规划机械臂的运动轨迹，使其能够与目标碎片进行重复接触。3) 阻抗控制：利用阻抗控制算法，调节机械臂与目标碎片接触时的力/力矩关系，实现动量耗散。4) 笼捕：在碎片旋转速度降低到安全范围内后，进行笼捕操作。

关键创新：该方法最重要的创新点在于将阻抗控制应用于空间碎片的消旋过程，通过重复接触的方式逐步降低碎片的动量。与传统的直接控制方法相比，该方法更加安全可靠，能够有效避免因碰撞造成的损害。

关键设计：阻抗控制器的参数（如质量、阻尼、刚度）是关键设计要素。论文通过参数分析，研究了这些参数对消旋效果的影响，并给出了合理的参数选择范围。此外，重复接触的频率和接触位置也是重要的设计参数，需要根据目标碎片的特性进行调整。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的消旋方法能够有效降低微卫星的旋转速度，并成功实现笼捕。与直接笼捕相比，消旋序列中的接触力显著降低，验证了该方法的安全性和有效性。仿真和实验结果一致，进一步证明了该方法的可靠性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于空间碎片清除任务，提高捕获成功率和安全性。此外，该技术还可扩展到其他需要在复杂环境中进行精确操作的场景，例如在轨服务、空间站维护等。未来，该技术有望为空间资源的可持续利用做出贡献。

📄 摘要（原文）

A chaser satellite equipped with robotic arms can capture space debris and manipulate it for use in more advanced missions such as refueling and deorbiting. To facilitate capturing, a caging-based strategy has been proposed to simplify the control system. Caging involves geometrically constraining the motion of the target debris, and is achieved via position control. However, if the target is spinning at a high speed, direct caging may result in unsuccessful constraints or hardware destruction; therefore, the target should be de-tumbled before capture. To address this problem, this study proposes a repeated contact-based method that uses impedance control to mitigate the momentum of the target. In this study, we analyzed the proposed detumbling technique from the perspective of impedance parameters. We investigated their effects through a parametric analysis and demonstrated the successful detumbling and caging sequence of a microsatellite as representative of space debris. The contact forces decreased during the detumbling sequence compared with direct caging. Further, the proposed detumbling and caging sequence was validated through simulations and experiments using a dual-arm air-floating robot in two-dimensional microgravity emulating testbed.