Software for the SpaceDREAM Robotic Arm
作者: Maximilian Mühlbauer, Maxime Chalon, Maximilian Ulmer, Alin Albu-Schäffer
分类: cs.RO
发布日期: 2024-09-26 (更新: 2024-12-11)
期刊: 2025 IEEE Aerospace Conference
DOI: 10.1109/aero63441.2025.11068537
💡 一句话要点
SpaceDREAM任务：用于在轨服务的阻抗控制机器人臂软件架构
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 空间机器人 在轨服务 阻抗控制 机器人臂 软件架构
📋 核心要点
- 在轨服务、组装和制造(ISAM)需要具备交互能力的机器人，但现有方案在空间环境下的验证不足。
- SpaceDREAM任务旨在通过在轨实验验证阻抗控制机器人臂在空间环境中的运动和交互能力。
- 该软件架构尽可能重用DLR现有机器人软件，以降低开发成本和风险，并加速部署。
📝 摘要（中文）
本文介绍了一种用于在轨计算机(OBC)上的软件架构，该架构用于计划中的SpaceDREAM任务，旨在验证低地球轨道(LEO)中的机器人臂。该任务由德国航空航天中心(DLR)与KINETIK Space GmbH和慕尼黑工业大学(TUM)合作进行。任务期间，将执行多个自由运动和接触任务，以验证机器人在关节层面的位置和阻抗控制以及笛卡尔控制中的正确功能。选择的任务代表了后续的维修任务，例如需要接口对接或精确操作。OBC上的软件通过SpaceWire控制机器人的关节来执行这些任务，读取相机图像和来自其他传感器的数据，并通过以太网链路经由航天器将遥测数据发送到地球。它被设置为在接收到来自航天器的启动信号后执行预定义的任务，同时应该可以扩展以接收来自地球的命令以供后续任务使用。核心设计原则是尽可能多地重用现有软件，并尽可能接近DLR现有的机器人软件堆栈。与定制开发所有机器人软件相比，这使得机器人臂能够快速全面地启动，降低了软件开发人员的入门门槛，并重用了现有库。虽然并非每一行代码都可以通过这种设计进行测试，但大多数软件已经通过在多个机器人系统上的日常执行证明了其功能。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决在轨服务、组装和制造(ISAM)任务中，机器人臂在空间环境下进行精确操作和交互的问题。现有方法缺乏在真实空间环境下的验证，无法确保其可靠性和性能。特别是在接触任务中，需要精确的力控制和运动规划，以避免损坏设备或任务失败。
核心思路：论文的核心思路是尽可能重用已有的、经过验证的机器人软件堆栈，并将其适配到空间环境下的OBC上。通过这种方式，可以降低开发成本和风险，并加速机器人臂的部署。同时，通过在轨实验验证机器人臂在空间环境下的性能，为后续的ISAM任务提供参考。
技术框架：该软件架构主要包含以下几个模块：1) 关节控制模块，通过SpaceWire控制机器人关节的运动；2) 传感器数据采集模块，读取相机图像和来自其他传感器的数据；3) 遥测数据传输模块，通过以太网链路将数据发送到地球；4) 任务执行模块，执行预定义的任务序列。整体流程是：OBC接收到启动信号后，任务执行模块开始执行任务序列，关节控制模块控制机器人运动，传感器数据采集模块采集数据，遥测数据传输模块将数据发送到地球。
关键创新：该论文的关键创新在于将地面机器人软件堆栈成功移植到空间环境下的OBC上，并进行了在轨验证。这种方法可以大大降低空间机器人软件的开发成本和风险，并加速其部署。此外，该论文还提出了一种基于预定义任务序列的任务执行方法，可以简化任务的规划和执行。
关键设计：该软件架构的关键设计包括：1) 使用SpaceWire进行关节控制，保证了实时性和可靠性；2) 使用以太网链路进行遥测数据传输，保证了数据传输的带宽；3) 尽可能重用DLR现有的机器人软件库，降低了开发成本；4) 采用模块化设计，方便扩展和维护。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该论文的主要亮点在于SpaceDREAM任务计划在低地球轨道(LEO)上验证阻抗控制机器人臂的性能。通过执行一系列自由运动和接触任务，验证机器人在关节和笛卡尔坐标系下的位置和阻抗控制能力。任务设计具有代表性，模拟了接口对接和精确操作等典型在轨服务场景。实验结果将为后续的在轨服务任务提供宝贵的数据和经验。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于未来的在轨服务、组装和制造(ISAM)任务，例如卫星维修、空间站建设、太空垃圾清理等。通过验证阻抗控制机器人臂在空间环境下的性能，为后续任务提供技术支持和参考，降低任务风险，提高任务效率。该研究还有助于推动空间机器人技术的发展，促进空间探索和利用。
📄 摘要（原文）
Impedance-controlled robots are widely used on Earth to perform interaction-rich tasks and will be a key enabler for In-Space Servicing, Assembly and Manufacturing (ISAM) activities. This paper introduces the software architecture used on the On-Board Computer (OBC) for the planned SpaceDREAM mission aiming to validate such robotic arm in Lower Earth Orbit (LEO) conducted by the German Aerospace Center (DLR) in cooperation with KINETIK Space GmbH and the Technical University of Munich (TUM). During the mission several free motion as well as contact tasks are to be performed in order to verify proper functionality of the robot in position and impedance control on joint level as well as in cartesian control. The tasks are selected to be representative for subsequent servicing missions e.g. requiring interface docking or precise manipulation. The software on the OBC commands the robot's joints via SpaceWire to perform those mission tasks, reads camera images and data from additional sensors and sends telemetry data through an Ethernet link via the spacecraft down to Earth. It is set up to execute a predefined mission after receiving a start signal from the spacecraft while it should be extendable to receive commands from Earth for later missions. Core design principle was to reuse as much existing software and to stay as close as possible to existing robot software stacks at DLR. This allowed for a quick full operational start of the robot arm compared to a custom development of all robot software, a lower entry barrier for software developers as well as a reuse of existing libraries. While not every line of code can be tested with this design, most of the software has already proven its functionality through daily execution on multiple robot systems.