Towards the Automation in the Space Station: Feasibility Study and Ground Tests of a Multi-Limbed Intra-Vehicular Robot

📄 arXiv: 2512.23153v1 📥 PDF

作者: Seiko Piotr Yamaguchi, Kentaro Uno, Yasumaru Fujii, Masazumi Imai, Kazuki Takada, Taku Okawara, Kazuya Yoshida

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-29

备注: Author's version of a manuscript accepted at the 2025 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII). (c) IEEE. The final published version is available at https://doi.org/10.1109/SII59315.2025.10870890

DOI: 10.1109/SII59315.2025.10870890

💡 一句话要点

面向空间站的自动化：多臂舱内机器人的可行性研究与地面测试

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空间站 多臂机器人 移动机器人 自主导航 运动规划 后勤自动化 微重力环境

📋 核心要点

  1. 宇航员在空间站的后勤任务耗时，降低了关键任务时间，亟需自动化解决方案。
  2. 设计多臂移动机器人，通过自主运动规划和执行，辅助宇航员完成物资运输等任务。
  3. 通过仿真和地面原型测试，验证了机器人自主执行任务的可行性，有望提升空间站效率。

📝 摘要（中文）

本文提出了一项关于多臂舱内机器人（MLIVR）自主运行的可行性研究，包括仿真和原型测试。该机器人旨在协助国际空间站（ISS）上的宇航员完成后勤任务。宇航员在准备、收尾、货物收集和运输等任务上花费了大量时间，从而减少了执行关键任务的时间。我们的研究探讨了移动机械臂支持这些操作的潜力，强调自主功能对于最大限度地减少宇航员和地面操作员的工作量，同时实现实时任务执行的必要性。我们专注于机器人的运输能力，在3D空间中模拟其运动规划。实际的运动执行通过原型在2D桌面上进行测试，以模拟微重力环境。结果表明，在最少的人工干预下执行这些任务是可行的，为提高国际空间站的运行效率提供了一个有希望的解决方案。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决国际空间站内宇航员在后勤任务中耗时过多的问题。现有方法依赖宇航员手动操作，效率低下，且占用了宝贵的宇航员时间，影响了关键科研任务的执行。因此，需要一种自动化解决方案来减轻宇航员的负担。

核心思路：论文的核心思路是设计一种多臂移动机器人（MLIVR），使其能够在空间站内部自主移动并执行物资运输等后勤任务。通过自主运动规划和执行，减少宇航员的干预，从而提高空间站的整体运行效率。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 机器人本体设计：设计具有多个机械臂的移动机器人平台，使其具备足够的灵活性和操作能力。2) 运动规划：开发算法，在空间站的3D环境中规划机器人的运动轨迹，避开障碍物并到达目标位置。3) 运动控制：实现机器人的精确运动控制，使其能够按照规划的轨迹执行任务。4) 仿真与测试：通过仿真验证算法的有效性，并通过地面原型测试评估机器人的实际性能。

关键创新：该研究的关键创新在于将多臂移动机器人应用于空间站内部的后勤任务。与传统的固定式机器人相比，移动机器人具有更大的灵活性和适应性，能够更好地适应空间站复杂的环境。此外，该研究还强调了自主运动规划和执行的重要性，旨在最大限度地减少宇航员的干预。

关键设计：论文中未详细描述具体的参数设置、损失函数或网络结构等技术细节。运动规划算法和控制策略的具体实现方式未知。地面原型测试采用2D桌面模拟微重力环境，可能采用气浮台等技术。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过仿真验证了机器人运动规划的可行性，并通过地面原型测试验证了机器人在模拟微重力环境下执行任务的能力。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验结果表明，多臂移动机器人能够在最少的人工干预下完成空间站内的后勤任务，为提高空间站的运行效率提供了一种可行的解决方案。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于国际空间站等载人航天环境，辅助宇航员完成物资运输、设备维护等后勤任务，提高空间站的运行效率和宇航员的工作效率。未来，该技术还可扩展到其他极端环境，如深海、矿井等，实现自动化作业。

📄 摘要（原文）

This paper presents a feasibility study, including simulations and prototype tests, on the autonomous operation of a multi-limbed intra-vehicular robot (mobile manipulator), shortly MLIVR, designed to assist astronauts with logistical tasks on the International Space Station (ISS). Astronauts spend significant time on tasks such as preparation, close-out, and the collection and transportation of goods, reducing the time available for critical mission activities. Our study explores the potential for a mobile manipulator to support these operations, emphasizing the need for autonomous functionality to minimize crew and ground operator effort while enabling real-time task execution. We focused on the robot's transportation capabilities, simulating its motion planning in 3D space. The actual motion execution was tested with a prototype on a 2D table to mimic a microgravity environment. The results demonstrate the feasibility of performing these tasks with minimal human intervention, offering a promising solution to enhance operational efficiency on the ISS.