[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种为国际空间站上的Astrobee自由飞行机器人所认证的飞行级壁虎粘附式夹持器，通过无功耗的干粘附实现停靠和抓取。该系统集成了硬件、航电设备和基于ROS的软件，实现自主运行；地面测试已成功验证在微重力模拟环境下的动态抓取与停靠性能，证实了在微重力环境下基于粘附的操控技术的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种轻量化、飞行认证的粘附式夹持器，用于Astrobee自由飞行机器人，以实现在微重力环境下的停靠与抓取。
• 克服传统力闭合或形状闭合夹持器对精确定位和预定义特征的依赖。
• 利用仿壁虎的干粘附技术，实现对移动或翻滚物体的动态抓取。
• 将夹持器与Astrobee的基于ROS的软件栈集成，并确保与国际空间站操作的兼容性。
• 通过地面测试和国际空间站上的在轨实验，验证基于粘附的操控技术的可行性。

提出的方法

• 设计一种具有3个自由度的停靠机械臂，配备仿壁虎粘附垫，实现无功耗的基于接触的固定。
• 采用肌腱驱动执行机构实现腕部锁紧/解锁以及粘附的接合/脱离。
• 开发基于命令的控制接口，包含16条预定义命令，用于夹持器状态管理与数据记录。
• 将夹持器与Astrobee的PAC（停靠机械臂控制器）电路板及基于ROS的飞行软件集成。
• 利用美国宇航局 Ames 中心的自由漂浮航天器测试平台，模拟微重力环境以进行地面验证。
• 采用自研的低功耗控制系统，配备状态寄存器和实验文件管理功能，用于在轨数据采集。

实验结果

研究问题

• RQ1 仿壁虎的干粘附是否能在无持续供电的情况下，可靠地实现Astrobee机器人在微重力环境下的停靠与抓取？
• RQ2 该夹持器在涉及平动或旋转物体的动态场景中表现如何？
• RQ3 在基于地面的微重力模拟环境中，该集成软硬件系统的性能如何？
• RQ4 该夹持器能否通过飞行认证，并在国际空间站上安全运行，对航天员和设备风险极低？
• RQ5 基于命令的控制接口在在轨实验期间的自主运行与数据记录中是否高效可靠？

主要发现

• 该壁虎粘附式夹持器在地面自由漂浮测试平台上成功执行了停靠与抓取操作，表现出稳定的附着与受控释放性能。
• 通过肌腱驱动机构实现了可靠的粘附接合与脱离，且维持附着状态无需持续供电。
• 2019年开展的初步在轨实验已确认夹持器的飞行就绪性及其与Astrobee平台的集成可行性。
• 命令接口实现了对粘附状态、腕部锁紧及自动抓取模式的精确控制，并通过16位状态寄存器提供实时状态反馈。
• 通过使用 'MARK'、'OPEN EXP'、'RECORD' 和 'CLOSE EXP' 命令，成功实现了数据记录，支持对夹持器性能的在轨后分析。
• 结果验证了干粘附技术作为传统机器人夹持器在微重力环境中的一种可靠、低功耗替代方案的可行性。