[論文レビュー] Design and Development of a Gecko-Adhesive Gripper for the Astrobee Free-Flying Robot

Abhishek Cauligi, Tony G. Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2020

Adhesion, Friction, and Surface Interactions参考文献 13被引用数 11

ひとこと要約

本論文は国際宇宙ステーション（ISS）の自由飛行型ロボットAstrobee用に、宇宙飛行適合性を備えたゲキソハリの接着テープを用いたグリッパーを提案する。このグリッパーは電力消費なしに乾燥接着により着地・把持を可能にし、ハードウェア、アバニクス、ROSベースのソフトウェアを統合して自律運用を実現している。地上での実験により、微小重力模擬環境下での動的把持および着地が成功した。これにより、微小重力下における接着ベースの操作の実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Assistive free-flying robots are a promising platform for supporting and working alongside astronauts in carrying out tasks that require interaction with the environment. However, current free-flying robot platforms are limited by existing manipulation technologies in being able to grasp and manipulate surrounding objects. Instead, gecko-inspired adhesives offer many advantages for an alternate grasping and manipulation paradigm for use in assistive free-flyer applications. In this work, we present the design of a gecko-inspired adhesive gripper for performing perching and grasping maneuvers for the Astrobee robot, a free-flying robot currently operating on-board the International Space Station. We present software and hardware integration details for the gripper units that were launched to the International Space Station in 2019 for in-flight experiments with Astrobee. Finally, we present preliminary results for on-ground experiments conducted with the gripper and Astrobee on a free-floating spacecraft test bed.

研究の動機と目的

• Astrobeeの自由飛行型ロボット用に、微小重力下で着地・把持を可能にする軽量で宇宙飛行適合性を備えた接着グリッパーを開発すること。
• 正確な位置合わせや事前に定義された特徴が必須な従来の力閉形式または形状閉形式グリッパーの制限を克服すること。
• ゲキソハリに着想を得た乾燥接着を用いて、移動中または転がっている物体の動的把持を可能にすること。
• グリッパーをAstrobeeのROSベースのソフトウェアスタックに統合し、ISS運用と互換性を持たせること。
• 地上実験およびISS上での宇宙飛行実験を通じて、接着ベースの操作の実現可能性を実証すること。

提案手法

• 電力消費なしに接触ベースの接着を可能にする、ゲキソハリに着想を得た接着パッドを備えた3自由度の着地アームの設計。
• テンドン駆動方式によるアームのロック/アンロックおよび接着の有効化/無効化の実装。
• グリッパーの状態管理とデータ記録のための16の定義済みコマンドを備えたコマンドベースの制御インターフェースの開発。
• グリッパーをAstrobeeのPAC（Perching Arm Controller）ボードおよびROSベースの飛行ソフトウェアに統合。
• NASA Amesで運用される自由浮遊型宇宙船テストベッドを用いて、微小重力環境を模擬した地上検証。
• 宇宙飛行中におけるデータ収集のための、ステータスレジスタおよび実験ファイル管理機能を備えた、低消費電力のカスタム制御システムの採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲキソハリに着想を得た乾燥接着は、微小重力下で継続的な電力供給なしに、Astrobeeロボットに対して信頼性の高い着地および把持を可能にするか？
• RQ2 移動中または回転している物体を含む動的状況下で、グリッパーの性能はいかがであるか？
• RQ3 地上の微小重力模擬環境下における、統合されたハードウェア・ソフトウェアシステムの性能は？
• RQ4 グリッパーは宇宙飛行適合性を有しており、クルーおよびハードウェアへのリスクを最小限に抑えてISSで安全に運用可能か？
• RQ5 コマンドベースの制御インターフェースは、宇宙飛行中の自律運用およびデータ記録にどの程度効果的か？

主な発見

• 地上の自由浮遊型テストベッド上での実験により、ゲキソハリ接着グリッパーは安定した接着と制御された離脱を実現し、着地および把持の操作を成功させた。
• テンドン駆動方式によるアームのロック/アンロックと接着の有効化/無効化が信頼性高く実現され、接着状態の維持には電力消費が不要であった。
• 2019年に実施された初期の宇宙飛行実験により、グリッパーの宇宙飛行適合性およびAstrobeeプラットフォームへの統合が確認された。
• コマンドインターフェースにより、接着状態、アームのロック状態、自動把持モードの精密な制御が可能となり、16ビットレジスタによるリアルタイムのステータスフィードバックが得られた。
• 「MARK」、「OPEN EXP」、「RECORD」、「CLOSE EXP」コマンドを用いたデータ記録が正常に実装され、飛行後におけるグリッパー性能の分析が可能になった。
• これらの結果により、微小重力環境下における従来のロボットグリッパーの代替として、堅牢で低消費電力な乾燥接着の有効性が裏付けられた。