Motion planning and control of cooperating robotic systems in orbit

Abstract

Both interplanetary traveling crafts and stationary systems will be in need of servicing, such as assembly, maintenance, replacement of broken/expendable modules, refueling, inspection and repair. To relieve astronauts from dangerous extra-vehicular activities, enhance performance and extend the feasible tasks range, the international research community has been focusing on the realization of autonomous robotic servicing. While important tasks, such as orbital assembly and debris handling, require passive object handling capabilities, the actual handling of a secured passive object by a number of free-flying robotic servicers, has not been studied adequately, with several issues still open.On-orbit object handling has similarities to cooperative manipulation of passive objects on earth, with the additional complexities that in space no fixed ground to support the manipulators exists, thus letting momentum changes to play a key role in body motion, and that orbital system thrusters are of on-off control nature. In order to protect the thruster valves from the extreme space conditions, proportional or pulse-width-modulation (PWM) thrusters are not used in space, thus reducing system positioning capabilities, when only thrusters are used.The introduction of a number of manipulator-equipped free-flying servicers, where both on-off thruster propulsion and manipulator continuous forces/ torques are used for passive object handling, both for the case of firm grasp and in the more general case of point contact, between the servicer manipulator end-effectors and the passive object, is presented in this thesis.The design of a controller for the free-flying servicer manipulators that enables the stable handling of the passive object by the servicers, in trajectory tracking scenarios, as well as the design of a controller for the free-flying servicer bases that enables them to move within the workspace of their manipulators, under the influence of the reaction generalized forces from their manipulator bases, is also presented. An initial comparison between the choice of three small free-flying robotic servicers and a single, larger one is also conducted.A spatial system of robotic servicers handling a passive object is highly non-linear. Unfortunately, there is not much generally applied theory on the field of non-linear system robustness. One method is to use linearization, under certain assumptions, in order to be able to use linear systems robustness tools. The sensitivity of the controller for the 3D motion of the handled passive object in space in terms of parameter estimation is also studied in this work.Finally, the design of a two-layer optimization process that allows for i) optimal selection of contact points between the manipulator end-effectors and the passive object, for both contact cases and ii) force distribution so that the required control generalized force for the passive object motion, is applied by the manipulator end-effectors, is also presented.

Τόσο τα διαπλανητικά σκάφη, όσο και τα στατικά διαστημικά συστήματα, θα χρειαστούν «υπηρεσίες εξυπηρέτησης» όπως κατασκευές, συντήρηση, αντικατάσταση χαλασμένων ή και αναλώσιμων μονάδων, ανεφοδιασμό, επιθεώρηση και αποκατάσταση. Για να απαλλάξει τους αστροναύτες από τις επικίνδυνες εργασίες έξω από τα διαστημικά οχήματα, να βελτιώσει την απόδοση των εργασιών αυτών, αλλά και να διευρύνει το εύρος των δυνατών εργασιών, η διεθνής επιστημονική κοινότητα έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της στην έρευνα και υλοποίηση αυτόνομων, ρομποτικών «υπηρεσιών εξυπηρέτησης». Παρότι σημαντικές εργασίες, όπως η κατασκευές σε τροχιά ή η διαχείριση των τροχιακών απορριμμάτων, περιλαμβάνουν την διαχείριση και μετακίνηση παθητικών σωμάτων, εντούτοις αυτός καθαυτός ο έλεγχος και η μετακίνηση ενός παθητικού σώματος από ένα πλήθος ρομπότ-εξυπηρέτησης με βραχίονες και ελεύθερες βάσεις με προωθητήρες, δεν έχει μελετηθεί αρκετά, και πολλά προβλήματα στο πεδίο αυτό είναι ακόμα ανοιχτά.Ο τροχιακός έλεγχος και μετακίνηση παθητικού αντικειμένου έχει πολλές ομοιότητες με τον συνεργατικό χειρισμό παθητικού σώματος στη Γη, με τις επιπρόσθετες επιπλοκές ότι στο διάστημα δεν υπάρχει κάποιο σταθερό έδαφος στο το οποίο να πατάει ο βραχίονας χειρισμού, οπότε οι διαταραχές σε ορμή και στροφορμή παίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο σε τέτοια συστήματα καθώς και ότι οι προωθητήρες τροχιακών (και γενικά διαστημικών) συστημάτων είναι on-off τύπου. Για να προστατευτούν οι προωθητήρες από τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα, αναλογικοί προωθητήρες ή τύπου Διαμόρφωσης Εύρους Παλμού (PWM), δεν χρησιμοποιούνται στο διάστημα, μειώνοντας τις δυνατότητες ελέγχου όταν χρησιμοποιούνται μόνο προωθητήρες για την εφαρμογή δυνάμεων.Στην εργασία αυτή, παρουσιάζεται και μελετάται η εισαγωγή ενός αριθμού ρομπότ ελεύθερης βάσης, με βραχίονες και προωθητήρες, όπου ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται τόσο οι on-off δυνάμεις των προωθητήρων, όσο και οι αναλογικές δυνάμεις/ροπές από τους βραχίονες, κατά την διάρκεια συνεργατικού χειρισμού παθητικού σώματος στο διάστημα.Επίσης παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός ελεγκτή για τους βραχίονες των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος οδηγεί σε ευσταθή χειρισμό του παθητικού σώματος, σε περιπτώσεις παρακολούθησης επιθυμητής τροχιάς (trajectory tracking). Παράλληλα παρουσιάζεται και ο σχεδιασμός ελεγκτή για τις βάσεις των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος τα υποχρεώνει να κινούνται μέσα στο χώρο εργασίας (workspace) των βραχιόνων τους, υπό της επήρεια των δυνάμεων/ροπών αντίδρασης από τους ίδιους τους βραχίονες.Τέλος, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός αλγορίθμου βελτιστοποίησης δύο επιπέδων, ο οποίος επιτρέπει i) την βέλτιστη επιλογή σημείων επαφής ανάμεσα στα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ-εξυπηρέτησης και το παθητικό σώμα (και για τις δύο περιπτώσεις επαφής που μελετώνται) και ii) τον διαμοιρασμό της επιθυμητής για το παθητικό σώμα δύναμης/ροπής (force distribution), έτσι ώστε αυτή να μπορεί να εφαρμοστεί από τα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ.