Design and control of a robotic payload stabilization mechanism for rocket flights
作者: Utkarsh Anand, Diya Parekh, Thakur Pranav G. Singh, Hrishikesh S. Yadav, Ramya S. Moorthy, Srinivas G
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-11-06
备注: For code and design files, refer to https://github.com/utkarshanand140/Stewie-Robot
💡 一句话要点
设计并控制火箭飞行载荷稳定机构，解决姿态控制与高G力振动问题。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 并联机械臂 姿态控制 有效载荷稳定 探空火箭 CubeSat
📋 核心要点
- 探空火箭飞行姿态变化剧烈，有效载荷易受影响，现有稳定方法在高G力振动下表现不足。
- 设计了一种基于Stewart平台的并联机械臂，通过三个微型伺服电机实现姿态控制，结构紧凑。
- 开发了鲁棒的控制系统，成功在CubeSat内部署，验证了复杂机构在受限空间的应用。
📝 摘要（中文）
本文介绍了“STEWIE”的设计、控制和分析，这是一种由thrustMIT火箭团队开发的用于其探空火箭“Altair”的有效载荷稳定机构的三自由度（DoF）并联机械臂机器人。该机器人的目标是演示平行板的姿态控制，以对抗火箭飞行过程中经历的连续方向变化，从而稳定有效载荷，同时抵消探空火箭经历的高重力（G力）和振动。提出了一种受标准Stewart平台启发的创新机构设计，该设计被缩小以适应4U CubeSat内的空间限制。该机器人使用三个微型伺服电机来驱动控制平行板对齐的连杆。除了驱动机构外，还为机器人开发了一个强大的控制系统。该机器人代表了航天工业空间机器人领域的一项重大进步，通过展示在小型、受限空间（如CubeSat）中成功实施复杂机器人机构，CubeSat是航天工业中大型有效载荷的标准外形尺寸。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决探空火箭飞行过程中有效载荷的姿态稳定问题。火箭在飞行过程中会经历连续的方向变化、高重力（G力）和剧烈振动，这些因素会对有效载荷的稳定性和精度产生不利影响。现有的稳定方法可能无法在如此恶劣的环境下提供足够的稳定性和控制精度，尤其是在空间受限的CubeSat内部署时。
核心思路：论文的核心思路是利用并联机械臂的优势来实现有效载荷的姿态稳定。并联机械臂具有结构紧凑、刚度高、精度高等优点，适合在空间受限且需要承受高G力和振动的环境中工作。通过控制并联机械臂的各个关节，可以精确地调整有效载荷的姿态，从而抵消火箭飞行过程中的方向变化和振动。
技术框架：该系统的整体架构包括以下几个主要模块：1) 并联机械臂机构：采用基于Stewart平台的并联机构，具有三个自由度，用于控制有效载荷的姿态。2) 驱动系统：使用三个微型伺服电机来驱动并联机构的各个关节。3) 控制系统：开发了鲁棒的控制算法，用于实时控制伺服电机的运动，从而实现有效载荷的姿态稳定。4) CubeSat集成：将整个系统集成到4U CubeSat内部，满足空间限制要求。
关键创新：该论文的关键创新点在于：1) 将并联机械臂应用于探空火箭的有效载荷稳定，这在航天领域是一个相对新的应用。2) 针对CubeSat的空间限制，设计了一种紧凑型的并联机构。3) 开发了鲁棒的控制系统，能够在高G力和振动环境下实现精确的姿态控制。
关键设计：该设计的关键细节包括：1) 并联机构的几何参数优化，以满足空间限制和性能要求。2) 伺服电机的选择，需要考虑体积、功率和精度等因素。3) 控制算法的设计，需要考虑系统的动态特性和环境干扰。4) 结构材料的选择，需要满足强度和轻量化的要求。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文成功设计并实现了用于探空火箭有效载荷稳定的并联机械臂系统，并将其集成到4U CubeSat中。虽然文中没有给出具体的性能数据，但成功演示了在火箭飞行过程中对有效载荷进行姿态控制的能力，并验证了复杂机器人机构在小型、受限空间中的可行性，为空间机器人领域的发展做出了贡献。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各类需要高精度姿态控制和稳定性的航天任务，例如卫星姿态控制、空间望远镜指向、空间科学实验平台等。此外，该技术也可推广到其他高动态、高振动的应用场景，如无人机载荷稳定、精密仪器减振等，具有广阔的应用前景和潜在的商业价值。
📄 摘要（原文）
The use of parallel manipulators in aerospace engineering has gained significant attention due to their ability to provide improved stability and precision. This paper presents the design, control, and analysis of 'STEWIE', which is a three-degree-of-freedom (DoF) parallel manipulator robot developed by members of the thrustMIT rocketry team, as a payload stabilization mechanism for their sounding rocket, 'Altair'. The goal of the robot was to demonstrate the attitude control of the parallel plate against the continuous change in orientation experienced by the rocket during its flight, stabilizing the payloads. At the same time, the high gravitational forces (G-forces) and vibrations experienced by the sounding rocket are counteracted. A novel design of the mechanism, inspired by a standard Stewart platform, is proposed which was down-scaled to fit inside a 4U CubeSat within its space constraints. The robot uses three micro servo motors to actuate the links that control the alignment of the parallel plate. In addition to the actuation mechanism, a robust control system for its manipulation was developed for the robot. The robot represents a significant advancement in the field of space robotics in the aerospace industry by demonstrating the successful implementation of complex robotic mechanisms in small, confined spaces such as CubeSats, which are standard form factors for large payloads in the aerospace industry.