[논문 리뷰] Design and Development of a Gecko-Adhesive Gripper for the Astrobee Free-Flying Robot

Abhishek Cauligi, Tony G. Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 19.

Adhesion, Friction, and Surface Interactions참고 문헌 13인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 국제우주정류소(ISS)의 자유비행 로봇인 아스트리피(Astrobee)를 위한 비행용량을 확보한 게코 접착 패드를 갖춘 그립퍼를 제시한다. 이는 전력 소모 없이 건조 접착을 통해 정지 및 그립을 가능하게 한다. 시스템은 하드웨어, 항공전자장치, ROS 기반 소프트웨어를 통합하여 자율 운용을 구현하며, 지상에서의 시험을 통해 마이크로중력 유사 조건에서의 동적 그립 및 정지 성공을 입증하여, 마이크로중력 환경에서 접착 기반 조작의 가능성을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로중력 환경에서 정지 및 그립을 가능하게 하기 위해 아스트리피 자유비행 로봇을 위한 경량이며 비행용량을 확보한 접착 그립퍼를 개발하는 것.
• 정밀한 위치 조절과 사전 정의된 특징이 필요한 전통적인 힘 또는 형상 폐쇄 그립퍼의 한계를 극복하는 것.
• 게코 유사 건조 접착을 이용해 이동 중이거나 뒤집어지는 물체의 동적 그립을 가능하게 하는 것.
• 그립퍼를 아스트리피의 ROS 기반 소프트웨어 스택과 통합하고, ISS 운영과의 호환성을 확보하는 것.
• 지상 시험과 국제우주정류소(ISS)에서의 비행 실험을 통해 접착 기반 조작의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 전력 소모 없이 접촉 기반 부착이 가능한 게코 유사 접착 패드를 장착한 3-자유도 정지용 암 설계.
• 손목 锁정 및 해제, 접착 부착 및 해제를 위한 테이던드 기반 구동 구현.
• 그립퍼 상태 관리 및 데이터 로깅을 위한 16개의 정의된 명령어를 갖춘 명령 기반 제어 인터페이스 개발.
• 그립퍼를 아스트리피의 PAC(정지 암 제어기) 보드 및 ROS 기반 비행 소프트웨어와 통합.
• 마이크로중력 조건을 시뮬레이션하기 위해 나사애머(NASA Ames)에서 운영하는 자유 부상 우주선 테스트베드 사용.
• 비행 중 데이터 수집을 위한 자체 제작된 저전력 제어 시스템을 도입하여 상태 레지스터 및 실험 파일 관리 기능을 구현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게코 유사 건조 접착은 지속적인 전력 소모 없이 마이크로중력 환경에서 아스트리피 로봇의 안정적인 정지 및 그립을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이동 중이거나 회전하는 물체를 다루는 동적 상황에서 그립퍼는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 지상에서의 마이크로중력 유사 환경에서의 하드웨어-소프트웨어 통합 시스템 성능은 어떠한가?
• RQ4 그립퍼는 비행 정격을 획득하고 ISS에서 최소한의 승무원 및 장비 위험으로 안전하게 운영될 수 있는가?
• RQ5 명령 기반 제어 인터페이스는 궤도 실험 중 자율 운용 및 데이터 로깅에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 지상에서의 자유 부상 테스트베드에서 게코 접착 그립퍼는 안정적인 부착과 제어된 해제를 성공적으로 수행하여 정지 및 그립 조작을 입증했다.
• 테이던드 기반 구동을 통해 접착 부착 및 해제가 신뢰성 있게 이루어졌으며, 부착 유지 시 전력 소모가 전혀 발생하지 않았다.
• 2019년에 실시된 초도 비행 실험을 통해 그립퍼의 비행 준비성과 아스트리피 플랫폼과의 통합이 확인되었다.
• 명령 인터페이스를 통해 접착 상태, 손목 锁정, 자동 그립 모드를 정밀하게 제어할 수 있었으며, 16비트 레지스터를 통한 실시간 상태 피드백이 가능했다.
• 'MARK', 'OPEN EXP', 'RECORD', 'CLOSE EXP' 명령어를 사용하여 데이터 로깅을 성공적으로 구현하여 비행 후 그립퍼 성능 분석이 가능했다.
• 결과적으로 건조 접착을 이용한 강력하고 저전력의 전통적 로봇 그립퍼의 대안이 마이크로중력 환경에서 실현 가능하다는 것이 검증되었다.