A Deployable Four-Finger Payload for Teleoperated Free-Flying Manipulation with Astrobee

📄 arXiv: 2609.25614v1 📥 PDF

作者: William Su, Jordan Kam, Yunosuke Nakamura, Yixiao Wang, Jianshu Zhou, Masayoshi Tomizuka

分类: cs.RO

发布日期: 2026-09-22

备注: 4 pages, 3 figures

💡 一句话要点

提出可部署的四指抓取装置以实现Astrobee的遥操作自由飞行

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 遥操作 四指抓取 低重力环境 虚拟现实 太空探索 机器人技术 货物处理

📋 核心要点

  1. 现有的遥操作系统在低重力环境下的货物处理和维护任务中存在操作自由度不足的问题。
  2. 本文提出的四指抓取装置通过独立驱动的手指和VR接口实现了高自由度的遥操作控制。
  3. 实验结果显示，在模拟环境中，抓取装置成功完成了多次货物运输任务，表现出良好的操作性能。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种双手遥操作管道和可部署的四指抓取装置的概念设计，旨在为低地球轨道（LEO）未来栖息地的货物处理和维护任务提供支持。该抓取装置通过四个独立驱动的手指在线性轨道系统上提供17个操作自由度。控制系统通过虚拟现实（VR）设备接口将地面操作员的手部动作映射到手指对、轨道分离和手腕运动，从而实现Astrobee的平移。我们在一个基于MuJoCo的国际空间站（ISS）零重力模拟器中进行了初步实验，测量了任务成功率、持续接触保持、完成时间和货物运动等指标。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决低重力环境下遥操作系统在货物处理时自由度不足的问题。现有方法在执行复杂操作时常常受到限制，无法满足未来太空任务的需求。

核心思路：论文设计了一种可部署的四指抓取装置，通过四个独立驱动的手指提供17个操作自由度，结合VR技术实现人机交互，提升遥操作的灵活性和精确性。

技术框架：整体架构包括抓取装置、VR控制接口和Astrobee移动平台。操作员通过VR设备控制手指运动，抓取装置在轨道上移动，实现对目标物体的抓取和运输。

关键创新：最重要的创新在于将四指抓取装置与VR控制系统结合，实现了高自由度的遥操作，显著提升了在复杂任务中的操作能力。与现有单指或双指抓取装置相比，提供了更丰富的操作方式。

关键设计：抓取装置的设计包括四个独立驱动的手指和线性轨道系统，确保了灵活性和稳定性。控制算法通过实时映射操作员的手部动作，优化了抓取和运输过程中的响应速度和准确性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，在自定义的零重力模拟器中，抓取装置成功完成了十次货物运输任务，任务成功率高，持续接触保持良好，完成时间和货物运动表现出显著的优化，验证了系统的有效性和可靠性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括未来的太空探索任务、国际空间站的货物处理和维护，以及其他低重力环境下的操作任务。通过提高遥操作的灵活性和精确性，能够有效支持人类在太空中的长期生活和工作，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

This article presents a bimanual teleoperation pipeline and conceptual design of a deployable four-finger payload for intra-vehicular free-flyers. Future habitats in low-Earth orbit (LEO) will require systems to perform mundane tasks like cargo handling and maintenance during crewed and uncrewed periods. The gripper payload provides 17 manipulation degrees-of-freedom (DoF) through four independently actuated fingers on a linear rail system. To control it, a virtual reality (VR) device interface maps the human ground operator's hand motions to the finger pairs, their separation to the rail, and common wrist motion to Astrobee translation. We present the preliminary results of teleoperating Astrobee in a custom zero-gravity MuJoCo-based International Space Station (ISS) simulator through ten repeated trials of transporting a rigid ISS Cargo Transfer Bag (CTB). We measure task success, continuous contact retention, completion time, and cargo motion.