Development of a Linear Guide-Rail Testbed for Physically Emulating ISAM Operations
作者: Robert Muldrow, Channing Ludden, Christopher Petersen
分类: cs.RO
发布日期: 2025-10-14 (更新: 2025-10-18)
备注: 12 pages, 4 figures, AAS/AIAA Space Flight Mechanics
💡 一句话要点
为在轨服务，装配与制造(ISAM)操作，开发线性导轨测试平台。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 在轨服务 机器人操作 硬件在环 动力学模型 线性导轨
📋 核心要点
- 在轨服务面临复杂扰动，现有动力学模型缺乏实验验证，阻碍了控制算法的开发。
- 设计了一种硬件在环测试平台，通过线性导轨限制卫星总线的自由度，模拟空间环境下的机器人操作。
- 该系统旨在探索和验证空间运动、串行机器人操作和接触力学的相关模型，为控制算法提供实验基础。
📝 摘要（中文）
在轨服务、装配与制造(ISAM)是一系列新兴的操作，能够通过提高现有和未来空间资产的寿命、容量、机动性和可扩展性来提供多种益处。串行机器人机械臂在完成 ISAM 操作中尤为重要，然而，在自由飞行卫星上移动机器人手臂所带来的复杂扰动力和运动提出了一个复杂的控制问题，需要进一步研究。虽然已经开发了许多动力学模型，但由于这些模型在卫星具有六自由度 (6-DOF) 的空间中运行，因此对这些模型进行实验测试和验证具有挑战性。本文试图通过展示一种新的硬件在环 (HIL) 实验测试平台的设计和开发来模拟 ISAM，从而解决这些挑战。这种模拟将通过连接到卫星总线的 6-DOF UR3e 机器人手臂来实现。该卫星总线安装在 1-DOF 导轨系统上，使卫星总线和机器人手臂能够在一个线性方向上自由移动。该实验性 ISAM 仿真系统将探索和验证空间运动、串行机器人操作和接触力学的模型。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决在轨服务、装配与制造(ISAM)中，由于缺乏有效的实验平台来验证动力学模型，导致机器人控制算法开发受阻的问题。现有方法难以在地面模拟真实的六自由度空间环境，无法准确评估算法的性能。
核心思路：论文的核心思路是构建一个硬件在环(HIL)测试平台，通过限制卫星总线的自由度，模拟空间环境下的机器人操作。具体而言，使用线性导轨限制卫星总线在一个方向上的自由移动，从而简化实验的复杂性，同时保留关键的动力学特性。
技术框架：该测试平台主要由以下几个部分组成：一个6-DOF的UR3e机器人手臂，一个代表卫星的卫星总线，以及一个提供线性运动约束的1-DOF导轨系统。机器人手臂安装在卫星总线上，可以在导轨上自由移动。通过控制机器人手臂的运动，可以模拟在轨操作，并测量卫星总线的运动状态。
关键创新：该论文的关键创新在于提出了一种简化的实验方法，通过线性导轨系统模拟空间环境下的机器人操作。与传统的六自由度平台相比，该方法降低了实验的复杂性和成本，同时保留了关键的动力学特性。这使得研究人员可以更容易地验证动力学模型和控制算法。
关键设计：该论文没有详细描述关键参数设置、损失函数或网络结构等技术细节，因为其重点在于硬件平台的搭建。然而，导轨系统的设计、机器人手臂的控制策略以及传感器数据的采集和处理都是关键的设计要素。未来的研究可以进一步优化这些方面，以提高实验的精度和可靠性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该论文的主要贡献在于设计并开发了一个用于模拟 ISAM 操作的线性导轨测试平台。该平台通过限制卫星总线的自由度，简化了实验的复杂性，同时保留了关键的动力学特性。虽然论文没有提供具体的性能数据，但该平台的搭建为后续的动力学模型验证和控制算法开发奠定了基础。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于在轨服务、装配与制造(ISAM)领域，例如卫星维修、空间站建设、太空垃圾清理等。通过该测试平台，可以验证和优化机器人控制算法，提高在轨操作的效率和安全性。此外，该平台还可以用于培训操作人员，提高其在轨操作的技能。
📄 摘要（原文）
In-Space Servicing, Assembly, and Manufacturing (ISAM) is a set of emerging operations that provides several benefits to improve the longevity, capacity, mo- bility, and expandability of existing and future space assets. Serial robotic ma- nipulators are particularly vital in accomplishing ISAM operations, however, the complex perturbation forces and motions associated with movement of a robotic arm on a free-flying satellite presents a complex controls problem requiring addi- tional study. While many dynamical models are developed, experimentally test- ing and validating these models is challenging given that the models operate in space, where satellites have six-degrees-of-freedom (6-DOF). This paper attempts to resolve those challenges by presenting the design and development of a new hardware-in-the-loop (HIL) experimental testbed utilized to emulate ISAM. This emulation will be accomplished by means of a 6-DOF UR3e robotic arm attached to a satellite bus. This satellite bus is mounted to a 1-DOF guide-rail system, en- abling the satellite bus and robotic arm to move freely in one linear direction. This experimental ISAM emulation system will explore and validate models for space motion, serial robot manipulation, and contact mechanics.