Application of Impedance Control of the Free Floating Space Manipulator for Removal of Space Debris

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_249/95

send Piotr Palma , Tomasz Rybus , Karol Seweryn Space Research Centre, Polish Academy of Science (CBK PAN), Bartycka 18A, 00-716 Warsaw, Poland

Download Article

Abstract

A broad and significant class of space debris can be mitigated by means of a satellite, capable of capturing a large non-cooperating object by using a robotized arm with a gripper. The capture operation typically comprises of an approach, a close-on manoeuvre, establishing contact between the robotic grappler arm and a suitable feature on the target satellite, and finally it is concluded when a positive mechanical connection is achieved by the gripper closed on that feature. The phase of establishing contact poses a critical challenge in this scenario, since the target typically will be tumbling with respect to the chaser satellite causing high forces on the gripper and the robotic arm. A family of control methods known collectively as impedance control is typically employed in terrestrial robots for tasks involving an interaction with an environment, especially the dynamic contact. In this work, we present the model-based impedance control applied to a robotic manipulator on a free floating base. The derivation of impedance control law for a robotic manipulator on a free floating satellite, involving Generalized Jacobian Matrix (GJM), is presented, followed by simulation results comparing the loads in the manipulator joints against a classical GJM-based Cartesian controller. The simulation results show that the impedance controlled free floating robotic manipulator completes the task of trajectory following amid contact with unknown target with lower torques in the robot joints.

Keywords

debris removal, impedance control, in-orbit servicing, nonholonomic, robotics, space manipulator

Zastosowanie sterowania impedancyjnego robotem kosmicznym typu free-floating w kontekście usuwania śmieci kosmicznych

Streszczenie

Wiele obiektów orbitujących Ziemię stanowią wyeksploatowane lub nieczynne satelity i inne urządzenia kosmiczne oraz ich fragmenty. Poruszając się w sposób niekontrolowany po orbitach aktywnie wykorzystywanych stanowią zagrożenie dla czynnych satelitów, stacji kosmicznej, astronautów jak i również rakiet wynoszących w przestrzeń kosmiczną nowe satelity. Obiekty te uznawane są za śmieci kosmiczne. Zdolność chwycenia i manipulowania niewspółpracującym obiektem na orbicie Ziemi przez robota satelitarnego pozwoliła by na zmniejszenie liczby śmieci kosmicznych i zagrożeń z nimi związanych w dwojaki sposób: po pierwsze umożliwiła by chwycenie i usunięcie śmieci kosmicznych znacznej wielkości z orbity, po drugie dała by możliwość serwisowania i tym samym przedłużenia okresu eksploatacyjnego satelitów będących blisko końca swojej nominalnej misji, zapobiegając by stały się one śmieciami kosmicznymi. Oba te zastosowania wymagają fizycznego wejścia w kontakt pojazdu kosmicznego chwytającego oraz obiektu chwytanego. W naziemnych zastosowaniach robotów, w których dochodzi do kontaktu manipulatora robota z otoczeniem, powszechnie stosowane są metody sterowania impedancyjnego. W niniejszym tekście autorzy proponują wykorzystanie sterowania impedancyjnego w oparciu o model (model-based impedance control) do realizacji manewru wejścia w kontakt końcówki manipulatora robota satelitarnego z niewspółpracującym obiektem w stanie nieważkości. W pracy przedstawiono wyprowadzenie prawa sterowania impedancyjnego manipulatorem o swobodnej bazie w oparciu o model, z wykorzystaniem jakobianu uogólnionego (Generalized Jacobian Matrix, GJM), oraz rezultaty symulacji manewru wejścia końcówki roboczej manipulatora kosmicznego w kontakt z nieważkim obiektem. Wyniki symulacji pokazują, że zaproponowane prawo sterowania pozwala realizować zadanie śledzenia trajektorii zachowując momenty i obciążenia w przegubach robota na niskim poziomie.

Słowa kluczowe

manipulator orbitalny, naprawa urządzeń na orbicie, robot kosmiczny, robotyka, sterowanie impedancyjne, usuwanie śmieci kosmicznych

Bibliography

  1. Abiko S., Lampariello R., Hirzinger G., Impedance control for a free-floating robot in the grasping of a tumbling target with parameter uncertainty. [In:] 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1020–1025, DOI: 10.1109/IROS.2006.281785.
  2. Basmadji F.L., Chmaj G., Rybus T., Seweryn K., Microgravity testbed for the development of space robot, control systems and the demonstration of orbital maneuvers. [In:] Proceedings of SPIE 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2019, DOI: 10.1117/12.2537981.
  3. Basmadji F.L., Seweryn K., Sąsiadek J.Z., Space robot motion planning in the presence of nonconserved linear and angular momenta. „Multibody System Dynamics”, Vol. 50, No. 1, 2020, 71–96, DOI: 10.1007/s11044-020-09753-x.
  4. Bonnal C., Ruault J.-M., Desjean M.-C., Active debris removal: Recent progress and current trends. „Acta Astronautica”, Vol. 85, 2013, 51–60, DOI: 10.1016/j.actaastro.2012.11.009.
  5. Echeandia S., Wensing P.M., Numerical methods to compute the Coriolis matrix and Christoffel symbols for rigid-body systems. „Journal of Computational and Nonlinear Dynamics”, Vol. 16, No. 9, 2021, DOI: 10.1115/1.4051169.
  6. ESA Space Debris Office, ESA’s annual space environment report. Darmstadt.
  7. Hogan N., Impedance control of industrial robots. „Robotics and Computer-Integrated Manufacturing”, Vol. 1, No. 1, 1984, 97–113, DOI: 10.1016/0736-5845(84)90084-X.
  8. Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation, [In:] 1984 American Control Conference, 304–313, DOI: 10.23919/ACC.1984.4788393.
  9. Lu W.-S., Meng Q.-H., Impedance control with adaptation for robotic manipulations, „IEEE Transactions on Robotics and Automation”, Vol. 7, No. 3, 1991, 408–415, DOI: 10.1109/70.88152.
  10. Luu M.A., Hastings D.E., Review of on-orbit servicing considerations for low-earth orbit constellations. Accelerating Space Commerce, Exploration, and New Discovery Conference, ASCEND 2021, DOI: 10.2514/6.2021-4207.
  11. Oleś J., Rybus T., Seweryn K., Surowiec M., Wojtyra M., Pietras M., Scheper M., Testing and simulation of contact during on-orbit operations. [In:] Proceedings of 14th Symposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation (ASTRA’2017). European Space Agency.
  12. Palma P., Seweryn K., Space robot equipped with compliant linear actuator on end effector: simulations results. [In:] R.S. Romaniuk, L. Maciej (Eds.), Proceedings of SPIE 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2019, DOI: 10.1117/12.2537207.
  13. Papadopoulos E.G., Nonholonomic Behaviour in Free-floating Space Manipulators and its Utilization. „Nonholonomic Motion Planning”, 1993, 423–445, DOI: 10.1007/978-1-4615-3176-0_11.
  14. Rybus T., Seweryn K., Trajectory Planning and Simulations of the Manipulator Mounted on a Free-Floating Satellite, „Aerospace Robotics, 2013, 61–73, DOI: 10.1007/978-3-642-34020-8_6.
  15. Rybus T., Seweryn K., Sąsiadek J.Z., Control System for Free-Floating Space Manipulator Based on Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), „Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications”, Vol. 85, 2017, 491–509, DOI: 10.1007/s10846-016-0396-2.
  16. Rybus T., Wojtunik M., Basmadji F.L. (2022). Optimal collision-free path planning of a free-floating space robot using spline-based trajectories. „Acta Astronautica”, Vol. 190, 2022, 395–408, DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.10.012.
  17. Sakai S., An Exact Impedance Control of DC Motors Using Casimir Functions, Ferroelectrics. InTech, Dec. 14, 2010. DOI: 10.5772/13432.
  18. Seweryn K., Dynamika manewru zbliżania satelitów i ich połączenia za pomocą manipulatora o więzach nieholonomicznych. Politechnika Warszawska, 2008.
  19. Seweryn K., Banaszkiewicz M., Optimization of the trajectory of a general free-flying Guidance, manipulator during the rendezvous manoeuvre. [In:] Proceedings of the AIAA navigation and control conference and exhibit. Honolulu, Hawaii, USA, 2008, DOI: 10.2514/6.2008-7273.
  20. Sharma S., Suomalainen M., Kyrki V., Compliant Manipulation of Free-Floating Objects, [In:] Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2018, 865–872, DOI: 10.1109/ICRA.2018.8462889.
  21. Song P., Yu Y., Zhang X., A Tutorial Survey and Comparison of Impedance Control on Robotic Manipulation. Robotica, Vol. 37, No. 5, 2019, 801–836.
  22. Tchoń K., Dystrybucje w robotyce, Krynica-Zdrój 2014, Internal presentation of Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Politechniki Wrocławskiej.
  23. Umetani Y., Yoshida K., Resolved Motion Rate Control of Space Manipulators with Generalized Jacobian Matrix. „IEEE Transactions on Robotics and Automation”, Vol. 5, No. 3, 1989, 303–314, DOI: 10.1109/70.34766.
  24. United Nations; Technical Report on Space Debris. United National Publication, 1999.
  25. Yoshida K., Nakanishi H., Inaba N., Ueno H., Oda M., Contact Dynamics and Control Strategy Based on Impedance Matching for Robotic Capture of a Non-cooperative Satellite, „Advanced Robotics”, Vol. 18, No. 2, 2004, 175–198.