Optimal path planning and weighted control of a four-arm robot in on-orbit servicing

📄 arXiv: 2406.04816v1 📥 PDF

作者: Celia Redondo-Verdú, José L. Ramón, Álvaro Belmonte-Baeza, Jorge Pomares, Leonard Felicetti

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2024-06-07

备注: 8 pages. To be presented at the 15th IEEE International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE)

💡 一句话要点

提出一种轨道四臂机器人的最优路径规划与加权控制方法，用于在轨服务。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 在轨服务 四臂机器人 轨迹优化 加权控制 路径规划 非线性规划 凸优化

📋 核心要点

  1. 现有在轨服务机器人路径规划方法难以兼顾多臂协同、轨迹优化和精确控制。
  2. 提出一种轨迹优化与加权控制相结合的方法，优化对接位置、轨迹、本体运动和接触力。
  3. 仿真结果验证了该方法在在轨服务场景中的有效性，实现了精确的轨迹跟踪和任务执行。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种针对轨道四臂机器人在舱外活动中进行引导的轨迹优化和控制方法。该机器人运行在目标航天器附近，使其手臂末端执行器能够到达航天器表面。手臂可以通过特定的支撑点（对接装置）与目标航天器建立连接。轨迹优化通过计算目标航天器表面的对接位置及其时间、手臂轨迹、六自由度本体运动以及对接期间所需的接触力来实现机器人路径规划。此外，本文还介绍了一种控制器，旨在跟踪非线性规划问题解决方案中获得的规划轨迹。提出了一种加权控制器，该控制器被公式化为一个凸优化问题。该控制器被定义为目标函数的优化，允许系统同时执行一组任务。仿真结果表明了轨迹优化和控制方法在在轨服务场景中的应用。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决在轨服务中，四臂机器人如何进行最优路径规划和精确控制的问题。现有方法可能难以同时优化多个手臂的轨迹、本体的运动、对接时的接触力，以及保证控制的精度和稳定性。这些因素都会影响在轨服务的效率和安全性。

核心思路：论文的核心思路是将轨迹规划和控制问题结合起来，通过优化算法同时求解机器人的路径、姿态、手臂轨迹以及对接力。通过加权控制，可以同时优化多个任务目标，例如轨迹跟踪、力控制等，从而提高系统的整体性能。

技术框架：该方法主要包含两个阶段：轨迹优化和加权控制。首先，通过非线性规划方法，优化机器人的路径，包括对接位置、时间、手臂轨迹、本体运动和接触力。然后，设计一个加权控制器，跟踪规划的轨迹。该控制器被公式化为一个凸优化问题，通过优化目标函数，实现多个任务的同步执行。

关键创新：该方法的主要创新在于将轨迹优化和加权控制相结合，实现多目标优化。传统的路径规划方法通常只考虑几何约束，而忽略了动力学约束和控制问题。本文的方法同时考虑了这些因素，从而可以生成更优的轨迹，并实现更精确的控制。此外，将控制器设计为凸优化问题，可以保证解的存在性和唯一性。

关键设计：轨迹优化阶段，需要定义目标函数，包括路径长度、时间、能量消耗等。同时，需要设置约束条件，包括关节角度限制、碰撞避免、对接力限制等。加权控制阶段，需要选择合适的权重，平衡不同任务之间的优先级。例如，可以给轨迹跟踪任务设置较高的权重，以保证控制精度。此外，还需要选择合适的控制器参数，例如PID参数，以保证系统的稳定性和响应速度。

📊 实验亮点

论文通过仿真实验验证了所提出的轨迹优化和控制方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够生成平滑的机器人轨迹，并实现精确的轨迹跟踪。加权控制器能够同时优化多个任务目标，例如轨迹跟踪和力控制。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空间站维护、卫星维修、空间碎片清理等在轨服务任务。通过优化机器人路径和控制策略，可以提高在轨服务的效率和安全性，降低任务成本。未来，该技术有望应用于更复杂的空间任务，例如空间基础设施建设、深空探测等。

📄 摘要（原文）

This paper presents a trajectory optimization and control approach for the guidance of an orbital four-arm robot in extravehicular activities. The robot operates near the target spacecraft, enabling its arm's end-effectors to reach the spacecraft's surface. Connections to the target spacecraft can be established by the arms through specific footholds (docking devices). The trajectory optimization allows the robot path planning by computing the docking positions on the target spacecraft surface, along with their timing, the arm trajectories, the six degrees of freedom body motion, and the necessary contact forces during docking. In addition, the paper introduces a controller designed to track the planned trajectories derived from the solution of the nonlinear programming problem. A weighted controller formulated as a convex optimization problem is proposed. The controller is defined as the optimization of an objective function that allows the system to perform a set of tasks simultaneously. Simulation results show the application of the trajectory optimization and control approaches to an on-orbit servicing scenario.