Teil 1: Was ist ein Roboter-Raumschiff?
In diesem ersten von drei kurze Papiere, stelle ich einige der grundlegenden Konzepte von Raum-Engineering mit dem Schwerpunkt auf einige spezifische Herausforderungen in den Gebieten der Forschung, die auf die Anwendung der Robotik in den Weltraum Entwicklung und Exploration eigen sind. Der Stil dieser kurzen Papieren ist pädagogische und dieses Papier unterstreicht die einzigartige Anwendung, daß der Raum Zwänge auferlegt. Das erste Papier ist somit eine allgemeine Einführung in das Wesen der Raumfahrttechnik und ihre Anwendung auf Roboter-Raumschiff. Ich halte die Einschränkungen und Metriken von Raumsonden Ingenieure bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen verwendet werden und wie diese Zwänge Herausforderungen für die Roboteringenieur. Die folgenden beiden Papiere mit speziellen Robotik Fragen im Detail.
1. Einführung
Der Raum, Umwelt ist eine der anspruchsvollsten Anwendungen der Robotik. Tatsächlich gibt es eine weit verbreitete, aber umstrittenen Standpunkt, dass der Raum Anwendung stellt eine natürliche und unvermeidliche Arena für die Weiterentwicklung der Robotertechnik, indem die Forderung nach hohen Grad an Autonomie im Raum Robotersysteme. Eine Minderheit Verlängerung dieser Sicht ist, dass der Robotik eine Disziplin, die durch die Verbindung mit Herstellung verdummt hat, und der Erforschung des Weltraums ist, stellt eine wesentliche Anwendung in der Robotik, um als Disziplin weiter zu ihrem Ziel der Entwicklung von Mensch-ähnliche Funktionen in der Maschine voraus . Unabhängig davon, ob dies so sein, oder nicht, auferlegt Raum Anwendung der Robotik einzigartigen Treiber auf Robotertechnik. Die Metrik für den Erfolg im Bereich der Raumfahrtsysteme ist die gleiche wie die für die biologische Organismen - Überleben in einer feindlichen Umwelt und unerbittlich. In diesem Beitrag stelle ich Ihnen einige der Begriffe der Raumfahrttechnik und wie diese Auswirkungen auf die Gestaltung von Robotersystemen für die Raumfahrt. Ich schließe das Papier, das einige spezifische Anwendungen der Robotik in den Weltraum Entwicklung und Exploration einzuführen, zwei solche Anwendungen, die in den folgenden zwei Aufsätzen untersucht werden.
2. Automatisierte Raumsonden
Die erste Anlaufstelle in diesem Papier zu setzen, um ein umstrittenes und oft emotionalen Argument sein, dass Plagen der politischen Arena der Weltraumforschung. Alle paar Jahre (die jüngsten im Anschluss an die Shuttle-Katastrophe), die ewig-Wiedererstarken Frage, ob der Mensch oder Roboter sollte für die Weltraumforschung verabschiedet werden soll abgestaubt für Aufstoßen (Ellery, A., 2003). Diese Debatte ist falsch - es ist eine genau definierte Verteilung von Aufgaben auf die personellen und die Maschine, und diese Verteilung ist eines evolutionären Charakter. Es gibt Aufgaben, die in der Robotik geeignet sind, und ebenso gibt es Aufgaben für den Menschen geeignet. Robotik dient dazu, die Belastung von mehr manuelle und sich wiederholende Aufgaben aus dem menschlichen Astronauten erlaubt die einfache seine Bereitstellung auf die Aufgaben, die über den State-of-the-Art-Machine Intelligence. Es gibt wenig Zweifel daran, dass die bemannte Raumfahrt ein gewisses Maß an Flexibilität in der Raumfahrt, dass in der Roboter-Missionen unerreichbar ist.
Da die Möglichkeiten der Robotik immer ausgefeilter werden im Laufe der Zeit, so dass die Rolle des Menschen wird ausschließlich für Aufgaben mit höherer Komplexität (Ellery, A. 2001) zu verschieben. Allerdings wird die menschliche Erkundungsmissionen immer erforderlich, eine vorherige Aufklärung durch Roboter-Missionen - Roboter nicht leiden die Zerbrechlichkeit des menschlichen Körpers und kann reichen weiter in den Weltraum als die Menschen. Human Weltraummissionen und Robot-Missionen sind komplementär. Der Mensch gegen Roboter Debatte ist damit im besten Fall sinnlos und leer im schlimmsten Fall. Es gibt wenig Zweifel daran, dass Robotik und Automation hat großes Potenzial im Bereich der Raumfahrt. Es ist unumstritten, dass kein Platz mehr System in absehbarer Zeit völlig autonom sein wird. Allerdings haben die Raumfahrttechnik Gemeinschaft eine besondere Abneigung gegen das vertrauensvolle Zusammenwirken von Maschinen, lieber auf den Menschen, sei es Boden Betreiber oder Astronaut, zu überwachen, und oft sogar manuell steuern Raumfahrtaktivitäten wie Rendezvous-und Docking verlassen. Dieser Ort der Kontrolle von den Menschen gefährlich sein kann - die menschliche Leistung wird durch Stärke, Wachsamkeit, Müdigkeit und Reaktionsfähigkeit eingeschränkt. In der Tat hat menschliches Versagen die Ursache für 65-70% der zivilen Fluggesellschaft Unfällen wurden. Die allgemeine Schlussfolgerung lautet, dass, wenn ein Verfahren sicher automatisiert werden, dann sollte es auch sein. Automation wird allgemein zur Fehlerdiagnose, Power-Management und Planung angenommen, und aktiver Temperaturregelung von Satelliten.
Die zweite Anlaufstelle ist die Terminologie definieren: "Roboter-Raumschiff" ist ein allgemeiner Begriff, der die Tiefen des Weltraums Sonden aller Art mit einem Schwerpunkt auf planetaren Forscher beziehen, sondern oft auch benutzt, um Weltraumteleskope verweisen. Der Begriff betont ihre unbemannte Natur mit den Auswirkungen der erheblichen Grad an Autonomie, insbesondere für tiefe Raumsonden, die durch den Einsatz bei großen Entfernungen gekennzeichnet sind. In dieser Arbeit werde ich mit den Zwängen, Satelliten-Design zu beschreiben, die steifen Auflagen für die Durchführung der Robotik für die Raumfahrt.
3. Spacecraft Design
Die erste Einschränkung für die Roboter-Raumschiff auferlegt, ist die Notwendigkeit, daß sie in einer feindlichen, nicht-terrestrische Umwelt. Alle Raumsonde muss überleben den Stress des Starts, das Vakuum und Strahlung des Weltraums, und für Planetenforschung Einsatz, die Spannungen zu landen und die Umwelt durch das Ziel Planeten. Die Anwendung der Robotik bis zur Raumfahrttechnik schreibt seine eigenen Anforderungen an die Sonde Ingenieur. Alle Missionen sind entworfen, um die Missionsziele zu erreichen, die bislang Telekommunikation Bestimmung, Erdbeobachtung (einschließlich der Wetterdienste) Daten zurückzugeben, militärische Zweckmäßigkeit, Navigations-Funktion oder wissenschaftliche Daten zurückgeben. Die meisten Raumfahrzeuge bis heute wurden damit fast vollständig als Plattform für Sensoren für die Erfassung von Daten und deren Übermittlung aus dem Weltraum zur Erde konzipiert wurden, ohne physische Interaktion mit dem Raum, Umwelt (Shaw, G., Miller, D. & Hastings, D., 2000 ). Die meisten Raumfahrzeuge Betätigungsmechanismen wurden mit Antriebs-, Steuerungs-oder mechanischen Haltung Einsatz von großen Strukturen wie Kommunikation Antennen und Solar-Array-Platten verbunden. Allerdings ist Roboter-Antrieb im geschlossenen Regelkreis immer wichtiger für die künftige Raumfahrtmissionen. Der Zusatz von Robot-Ansteuerung legt eine Größenordnung Zunahme der Komplexität, um Satelliten-Design im Hinblick auf die Erfüllung der Aufgaben, die physisch mit ihrer Umgebung interagieren. Für unbemannten Raumfahrt und zur Erforschung von Planeten, diesen Umgebungen kann ganz oder teilweise a priori nicht bekannt. Tatsächlich gibt es einen eigenartigen Widerspruch zwischen der Sonde Ingenieur, der mechanische Betätigung Systeme als potenzieller "Single Point Versagensformen tendenziell zu vermeiden, und die Roboteringenieur für die Betätigung bietet die Art der Interaktion mit der Umwelt.
Raumsonden sind nach fünf wichtigsten Design-Haushalte konzipiert:
* Kosten Budget, das eine Obergrenze für die Kosten der Gestaltung, Entwicklung, Konstruktion, Validierung auferlegt, und den Start eines Satelliten;
* Masse Budget, das eine Obergrenze für die Gesamtmasse des Satelliten auferlegt, in der Trägerrakete integriert werden; schwerwiegende Einschränkung in der Masse - dies begünstigt Leichtbau-Konstruktionen mit Verbundwerkstoffen mit konsequenten Einführung von strukturellen Flexibilität;
* Kraftstoff Haushalt der Grenzen auf dem Rollfeld Fähigkeit der Sonde auferlegt, sobald sie in der Umlaufbahn ist (dies ist eine sensible Funktion der Gesamtmasse des Satelliten);
* Leistungsbilanz, die eine Einschränkung der Kraft und Energie zur Verfügung zu jedem Satelliten-Subsystem und die Nutzlast auferlegt - dies begünstigt den Einsatz von Low-Power-Elektronik, die hohe Effizienz Motoren mit hohem Wirkungsgrad Strom Terminierung mit degradierten Rechenressourcen;
* Daten Budget, das strenge Grenzen auf die Fähigkeit der Kommunikation Link auf dem Boden und auf der Verarbeitungs-und Speicherkapazität von Onboard-Computing-Systeme auferlegt - gemeinsame Mensch-Maschine-Autonomie ist mit hochentwickelten Betreiber wesentlichen Schnittstellen mit Predictive Grafiken.
Alle Satelliten sind von acht großen Subsystemen zusammen:
* Antriebssystem, das als Kraftstoff, Tanklager umfasst, Pumpen, etc. zum Manövrieren in der Umlaufbahn;
* Lageregelung davon, mit denen die Ausrichtung der Sonde kontrollieren, um sicherzustellen, dass alle Komponenten zeigen in die richtige Richtung, zB. Solarzellen zeigen Sie auf die Sonne, Temperaturstrahler die Tiefen des Weltraums, Antennen Mitteilungen an die Erde, und die Nutzlast-Sensoren, um die Ziele von Interesse;
* Strukturelle und mechanische davon, mit denen alle anderen Komponenten auf dem Raumschiff steigt in ihren Leitlinien erforderlich, setzt alle verpackten Komponenten und bietet die strukturelle Integrität, um das Raumfahrzeug;
* Macht davon, mit denen generiert, speichert, verteilt und steuert alle elektrischen Strom für alle Komponenten, einschließlich der Raumsonde die Nutzlast;
* Thermal-Subsystem, das gewährleistet, dass alle Komponenten innerhalb ihrer Betriebs-und / oder überlebensfähige Temperaturbereiche eingehalten werden;
* Kommunikations-Subsystem, das die Radio-Frequenz Kommunikationsverbindung zwischen der Sonde und der Erde macht, um sicherzustellen, das Hochladen von Befehlen und das Herunterladen von Telemetrie-und Nutzdaten;
* Onboard-Datenverarbeitung (EDV) davon, mit denen erwirbt verarbeitet und speichert alle Führungs-, Telemetrie-und Nutzdaten an Bord der Raumsonde;
* Nutzlast davon, mit denen das Unternehmen Ende der Sonde ermöglicht, in der Regel Sensoren und wissenschaftliche Experimente, kann aber ein Robot-System enthalten.
Eine weitere Einschränkung ist die Notwendigkeit für eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten, dass die Sonde überlebt bis zum Ende seiner Mission. Diese Einschränkung legt hohen Wert auf die Validierung und Prüfung von Bauteilen und Baugruppen unter Weltraumbedingungen-ähnlichen Bedingungen. Von besonderer Bedeutung ist die Voraussetzung für eine hohe Tragfähigkeit als Bruchteil der Gesamtmasse, da dies definiert die raison d'être der Mission.
Die Nutzlast kann ein Robot-System bestehend aus:
* Mensch-Computer-Schnittstellen, einschließlich telerobotische Kontroll-und Virtual-Reality-Schnittstellen;
* Echtzeit-Steuerung einschließlich Planungs-und Bahn-Generation, Feedback Servo-Gesetze über die Kontrolle usw.;
* Onboard-Computer (wahrscheinlich ein eigenes Control Computer) mit Fehlertoleranz;
* Sensoren und Sensorsystemen Verarbeitung, inklusive Stereo-Vision, etc;
* Betätigung Systeme auch elektromechanische Motoren, etc.
Alle diese Subsysteme müssen in eine vollständige, funktionelle, zuverlässige Sonde noch erreichen, dies im Rahmen der Design Budgetrestriktionen integriert werden:
* Vollständige System-Integration einer großen Anzahl von komplexen Teilsysteme - das erfordert umfangreiche Tests und Validierung (unter simulierten thermischen Vakuum-und Startbedingungen im Besonderen) und straffes Projektmanagement;
* Lange Lebensdauer (> 10 y in der Regel), in dem die Raumsonde muss zuverlässig und ohne häufige Wartung mit sich selbst zu betreiben Kontrolle Diagnostik haben aber die Fähigkeit zur Aktualisierung und Reparatur-by-Austausch von Modulen;
* Extrem hohe Zuverlässigkeit / Sicherheit (> 90% in der Regel) mit fehlertoleranten (Zuverlässigkeit) und Dreibett-Fail-Safe-(Sicherheits-) Design-Schutz - Product Assurance Software erfordert deterministische Ansätze, benachteiligt Soft Computing Methoden und Grenzen der mechanischen Komplexität, vor allem die beweglichen Teile die besondere Schmierung und / oder hermetische Abdichtung Methoden für den Betrieb im Vakuum erfordern.
Die Auswirkungen auf die Roboteringenieur, diese Beschränkungen sind also: (Ellery, A., 2000; Putz 1998):
* Die Roboter-Raumschiff und seiner Bestandteile Leichtbau seiner Startmasse minimieren noch überleben Start / Auswirkungen Lasten (zB bis 20 g axialen Beschleunigung und 145 dB Geräusch auf für den Start);
* Die Einführung Konfiguration wird durch das Volumen in der Nutzlastverkleidung der Trägerrakete erfordern, dass großflächige Konstruktionen für den Start gefaltet und werden sicher einmal in der Umlaufbahn eingesetzt (in der Regel Single-Shot-Verfahren) begrenzt;
* Betrieb im Vakuum (von 10 -3 Pa bei LEO und 10 -15 Pa bei GEO) - das erfordert die Verwendung von Baustoffen, die Ausgasung im Vakuum, die Verwendung von Trockenschmierung Mechanismen, bürstenlose Motoren in elektronischer Kommutierung resistent sind und Beseitigung von Ultraschall als Sinnesmodalität;
* Schwerelosigkeit hat insbesondere Auswirkungen auf die dynamische Steuerung Roboter-Algorithmen, so dass es keinen Grund Reaktion im Raum und nicht-linearen Dynamik Effekte wichtig werden, wodurch geringer Geschwindigkeit Bewegung (~ 0,01 m / s) wie der Raum fehlt eine Dämpfung Medium für die Abfuhr der Vibrationen, die durch die Bewegung der Boom-Typ Konfigurationen und Profile fließenden Bewegungen mit hoher Gearing-Verhältnis;
* Die Roboter-Raumschiff müssen extremen Temperaturen und starken Temperaturschwankungen (-120 oC bis 60 oC in der Regel) - Multilayer-Isolierung, elektrische Heizungen, Wärme Rohr-und Temperaturstrahler ertragen müssen thermischen Grenzen halten;
* Empfindliche Komponenten wie Elektronik, müssen Computer, Sensoren und Messgeräte unter Einwirkung von hoher geladene Teilchen Strahlung Umwelt (ca. 10 6 rad / Funktion y) - Elektronik-und EDV-Ausstattung einige Abschirmungen oder Abhärtung gegen SEUS; der begrenzten Kapazität für Computerlinguistik an Bord erforderlich verfügbaren Ressourcen (traditionell, Strahlung-hard-Prozessoren verwendet werden, wenn es die bisherigen Implementierungen der Verwendung von COTS wurde (commercial off-the-shelf)-Prozessoren für kleine Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen der Erde) verlangt strenge Beschränkungen für Steuerung und Navigation, dass die Komplexität von Algorithmen werden kann zugunsten der Echtzeit-Steuerung;
* Die fehlende Begründung der Roboter-Raumschiff Raumschiff induzieren kann die elektrostatische Aufladung und Wasserableitung;
* Raum-Umgebung bietet eine höchst variable Beleuchtung Umgebung mit extremen constrasts und Schatteneffekte aufgrund des Fehlens der atmosphärischen Streueffekte - das macht Bildverarbeitung schwierig;
* Die Roboter-Raumschiff unterhält für längere Zeit ohne unmittelbares Eingreifen des Menschen (mit Ausnahme von telecommanding-und Software-Upload über das Radio Kommunikationskanal der begrenzten Bandbreite, aber diese unterliegen hohen Signalübertragung Verzögerungen aufgrund von Zeit-of-flight Abstand zwischen der Standfläche und Raum, und begrenzte Kommunikation Fenster durch den Schatten Störung des Line-of-sight-Kanal) - dies legt eine Notwendigkeit für ein wirksames Niveau der Sensor-basierte Autonomie mit High-Fidelity-Boden Bedienoberflächen.
4. Space Applications of Robotics
Obwohl wir allgemeine Roboter-Raumschiff Fragen hier betrachtet haben, die von entscheidender Bedeutung für den Raum Roboteringenieur sind, ist der Weltraum-Robotik als Disziplin auf spezifische Fragen fokussiert und orientiert sich noch stärker den Themen-Bereich durch terrestrische Robotik behandelt. In der Tat, wie der Weltraum-Robotik ihrer irdischen Entsprechung, in der Regel in zwei unter-Bereiche untergliedert ist (obwohl es erhebliche Überschneidungen):
* Roboter-Manipulatoren - diese Geräte sind für den Einsatz im Weltraum oder auf Vorschlag planetaren Oberflächen für die menschliche Manipulation Funktionen emulieren, sie können im Free-Flyer oder auf Satelliten-Orbit-Service von anderen Satelliten eingesetzt werden, im Raum für Fahrzeuge Nutzlast Tendenz, oder Planetengetriebe Landers oder Rover für den Erwerb von Proben;
* Roboterautos - diese Geräte sind für den Einsatz auf planetaren Oberflächen vorgeschlagen, um die Mobilität der Menschen-Funktionen zu emulieren, sie sind in der Regel auf den Oberflächen der terrestrischen Planeten eingesetzt, kleine Körper des Sonnensystems, Planeten-Atmosphären (aerobots) oder für die Penetration von Eisschichten ( cryobots) oder flüssigen Schichten (hydrobots).
In den folgenden beiden Papiere ist, halte ich zwei Fallstudien, einer aus jeder dieser zwei Themen: die Verwendung von Manipulatoren auf freie montiert fliegenden Raumfahrzeug, das auf-Bahn-Service Aufgaben und Planetenoberfläche Rover für die Bereitstellung von Gelände-Kreuzung Mobilität. Ich habe die speziell ausgewählt wurden zwei Fallstudien illustrieren zwei Punkte - in der ersten, halte ich die Änderung der traditionellen Techniken, um die Robotik-Raum-Umgebung, und in der zweiten, halte ich, wie neue Techniken aus anderen Disziplinen entliehen werden (dh Fahrzeug terrainability) und Robot-Rover Planetengetriebe eingesetzt.
5. Referenzen
Ellery, A. (2003). Human versus Roboter für die Erforschung des Weltraums und Entwicklung. Space Policy 19, 87-91
Ellery, A. (2001). Eine Roboter-Perspektive auf die bemannte Raumfahrt. Erde, Mond und Planeten 87 (3), 173-190.
Ellery. A. (2000). An Introduction to Space Robotics, Springer-Praxis Publishers, , Chichester, UK.
Putz, P. (1998). Weltraum-Robotik in Europa: eine Umfrage. Robotics & Autonomous Systems 23, 3-16.
Shaw, G., Miller, D. & Hastings, D. (2000). Allgemeine Merkmale der Kommunikation, Wahrnehmung und Satelliten-Navigationssysteme. Spacecraft Rockets J 37 (6), 801-811
Teil 2: Space-based Manipulatoren
In diesem zweiten von drei kurzen Papieren stelle ich einige der grundlegenden Konzepte der Weltraum-Robotik mit einem Schwerpunkt auf einige spezifische Herausforderungen in den Gebieten der Forschung, die auf die Anwendung der Robotik bis zur Raumfahrt-Infrastruktur die Entwicklung eigen sind. Der Stil dieser kurzen Papieren ist und die pädagogischen Konzepte in diesem Papier sind von der Grundlagenforschung Manipulator Robotik entwickelt. Das zweite Papier hält die Anwendung des Raumes Manipulatoren auf-Bahn-Service (OOS), eine Anwendung, hat erhebliche kommerzielle Anwendung. Ich biete einige Hintergrundinformationen zu dem Begriff der Roboter im Orbit Wartung und untersuchen, wie Manipulator Regelungs-Algorithmen können um den Raum-Manipulatoren, die in der Mikro-Schwerkraft des Raumes arbeiten unterzubringen.
1. Einführung
Wenige technischen Systeme werden voraussichtlich zu überleben und für mehr als ein paar Jahre bis ein Jahrzehnt oder länger ohne menschliche Intervention für Service, Wartung oder Umrüstung Funktion. Raumsonden sind einer der wenigen, technische langlebige Produkte der menschlichen Gesellschaft, die abgelehnt werden wie Service und Wartung im Rahmen ihrer betrieblichen Lebenszyklus. Vereinfachende Vorstellungen der Unzugänglichkeit sind nicht länger haltbar als Entschuldigung für diese - die Technik vorhanden ist, der bewusst auf Roboter-Bahn-Service (OOS). Der traditionelle Ansatz zur Sonde hat sich durch Zuverlässigkeit Wert auf hohe Zuverlässigkeit worden, der hohen Kosten-Komponenten und umfangreiche Validierung und Tests, die auch dazu beitragen, die Kosten der Raum-Plattformen. Die jüngsten beunruhigenden Trend bei der Steigerung im Orbit Satelliten Ausfälle erhebliche Unterstützung für das Scheitern dieses Ansatzes (Sullivan, B. & Akin, D., 2001) zur Verfügung gestellt. Für jeden Raum-Plattform, ist es wünschenswert, die betriebliche Verfügbarkeit einer gemischten Ansatz erfordert erhöhen:
Verfügbarkeit,
A = (MTBF / (MTBF + MTTR + MTF)
wo
MTBF = Mean Time Between Failures und spiegelt die Zuverlässigkeit
MTTR = Mean Time to Repair und spiegelt die Wartbarkeit
MTF = mittlere Zeit für die Versorgung und spiegelt logistischen Fähigkeiten
Angesichts des Scheiterns der Zuverlässigkeit Ansätze allein auf die Maximierung der Verfügbarkeit von Raumfahrzeugen, die Aufrechterhaltung der Erde umkreisen Satelliten im Orbit durch Service ist wesentlich durch die Reduzierung MTTR und MTF. Wartung von Satelliten können in allen großen Bahnen derzeit von der Erde kreisenden Satelliten bewohnt umgesetzt werden. Es gibt eine Reihe von Familien der Bahnen von Raumsonden heute benutzt wird. Low Earth Orbit (LEO) begrenzt durch den tiefsten Punkt der inneren Van-Allen-Gürtel auf 2000 km Höhe wird durch bemannte Missionen und Erdbeobachtungsmissionen-abfluss (in polaren Neigungen). Medium Earth Orbit (MEO) befindet sich zwischen der inneren und äusseren Van-Allen-Gürtel rund 10.000 km Höhe im Mittelpunkt und ist für den mobilen Satelliten-Konstellationen ideal, zB. GPS-Konstellation befinden sich in 18.000 km Höhe umkreist. Die meisten Kommunikations-Satelliten befinden sich in äquatorialen geostationären Orbits (GEO) in 36.000 km Höhe (wenn auch viele russische Satelliten nutzen die hohe Neigung Molniya Bahnen für den Zugang zu den hohen Breiten). Darüber hinaus gibt es stark elliptischen Bahnen (HEO), dass für einige Astronomie-Missionen eingesetzt werden. Für die Zukunft der Astronomie-Missionen (die Sonne-Erde-L 1 (für Solar-Beobachtungen, zB. SOHO) und L 2 für den Tiefen des Weltraums Beobachtungen, zB. Microwave Anisotropy Probe, Next Generation Space Telescope, Terrestrial Planet Finder) Lagrange-Punkten erwartet werden, die Bahnen der Wahl. On-Orbit-Service über ein beträchtliches Potenzial für kommerzielle Anwendungen in einen Raum schaffen,-basierte Infrastruktur (Ellery, A., Welch, C., & Curley, A., 2001). Es wurde vorgeschlagen, dass die Europäische Roboterarm (ERA) auf der ISS eingesetzt werden könnten, um die Astronomie-Missionen durch Modernisierung ihrer Instrumente als Unterstützung ISS-basierten Servicer Manipulator (Ellery, A. 2003).
2. On-Orbit-Servicing
Die Reparatur Solar Maximum Mission (SMRM) von 1984 war die erste Demonstration von On-Orbit Wartung durch Astronauten in Kombination mit Software-Workarounds von Grund hochgeladen und Teleoperation des Shuttle Remote Manipulator System (SRMS) von einem Astronauten. Die Solar Maximum Mission Reparatur stellt ein "Lehrbuch" Fall von OOS, den Austausch von ORU (Orbital Replacement Unit) Module. Obwohl die komplexen Aufgaben, die von Astronauten auf EVA (Extravehicular Aktivität), wie Wartungsarbeiten durchgeführt wurden, können möglicherweise durch Robot-Servicer durchgeführt werden. Die Reparatur und Wartung des Hubble Space Telescope und andere US-Astronaut Aktivitäten haben weiter gezeigt, die Durchführbarkeit von Raum-basierten Service-Aufgaben. In der Tat war Robot-Service eine entscheidende Teil der frühen Stadien des ISS-Programms, in der zwei Konzepte wurden vorgeschlagen, diese Funktionen zu erfüllen - die Flucht telerobotische Servicer (FTS) und der Orbital Maneouvring Vehicle (OMV) - aber diese wurden annulliert im Gesicht von Haushaltskürzungen. NASA AERCam (Autonome Roboter Extravehicular CAmera) stellt einen Schritt in diese Richtung - AERCam ist ein kleiner 35 cm Durchmesser Freeflying Kugel mit einer Kamera für die Unterstützung der Astronaut EVA, Triebwerke für die Haltung und Übersetzung Kontrolle, und Avionik von Astronauten entwickelt MMU (bemannt maneouvering Einheit) Technologie. Der Zusatz von Roboter-Manipulatoren auf eine größere Plattform bieten würde Sonde FreeFlyer Servicer Fähigkeiten. Die Dimensionierung der Manipulator würde durch EVA ermittelt werden Äquivalenz, ein Beispiel dafür ist die geplante ESA geschickt Robotermanipulator System:
1. Sieben Freiheitsgrade (drei Freiheitsgrade an der Schulter, ein Maß an Freiheit bei der Ellbogen und drei Freiheitsgrade bei der sphärischen Handgelenk)
2. Drei Finger Endeffektor mit zylindrischer Abmessungen 10 x 15 cm
3. Control Sollwert von 100 Hz
4. Forward Reichweite von 1m - dies erfordert mehrere Punkte kämpfen auf dem Ziel-als volle Erreichbarkeit rund um die meisten Satelliten würde eine Reichweite von 4,5 bis 16 m, die nicht praktikabel ist erforderlich
5. Endeffektor Positionsgenauigkeit von 0,3 mm/0.1 o
6. Maximale Endeffektor Geschwindigkeit von 0,1 m / s und 0,1 rad / s
7. Strukturelle Verschiebung der Einhaltung von 1x10 6 N / m und Rotations-Einhaltung von 5x10 4 Nm / rad
8. Kraft-Moment-Belastung von 200 N und 20 Nm
9. Traglast von 500 kg in Schwerelosigkeit
Abb.. 1. ATLAS Roboter Servicer Konzept Abb.. 2. Einzel-Arm-Version des Robot-Servicer Kinematik und Dynamik (mit freundlicher Genehmigung Praxis Verlag)
Die japanische ETS (Engineering Test Satellite) VII von 1996 hat viele der grundlegenden Technologien für Roboter im Orbit Service, einschließlich der autonomen Rendezvous-und Docking, um ein Ziel, teleoperated Manipulator Bewegung zu kontrollieren, während die Aufrechterhaltung stabiler Haltung und Vision / Force-Feedback-basierte Kopplung nachgewiesen -in-Loch-Aufgaben. Alle Roboter-Servicer wird erforderlich sein, um das Ziel Sonde zum Abruf, Nachschub für Verbrauchs-, Reparatur-oder Nachrüstung zu kämpfen. In den USA ist einer der am weitesten fortgeschrittene Konzepte Servicer Ranger, für die eine neutrale Tarierung Testfahrzeug entwickelt worden. Ein Vorschlag für einen solchen Roboter Servicer ist 1,5 Tonnen ATLAS (Advanced telerobotische Actuation System) - siehe Bild. 1.:
3. Control of Space Manipulatoren
On-Orbit-Service-Robotik ist eine moderne Version eines alten Feld, das zurück zu den Ursprüngen der Wissenschaft selbst - Newton (1642-1729), Euler (1707-1783), d'Alembert (1717-1783), Lagrange (1736 stammt -- 1813), Laplace (1749-1827) und Hamilton (1805-1865) alle für die Entwicklung der Mechanik und Dynamik beigetragen. Der primäre Unterscheidungsmerkmal ist der On-Orbit Service Robotik Robotik von terrestrischen, dass der Roboterarm Servicer in der Schwerelosigkeit funktioniert. Die terrestrische Manipulator auf terra firma montiert ist, gibt es im Weltraum keine derartige Reaktion Kraft-und Drehmoment-Annullierung - die Bewegung des Manipulators (n) Reaktionskräfte und Momente auf die Sonde auf den Manipulator Montage (n) zu generieren. Robotic FreeFlyer Manipulatoren sind schwer, als das Raumschiff Plattform bewegt sich in Reaktion auf die Bewegungen des Manipulators zu kontrollieren. Eine frei schwimmende Plattform nicht mehr erlaubt die Verwendung der Basis der Manipulator wie die träge zu koordinieren Bezugsrahmen. Wenn dieser Effekt nicht berücksichtigt wird, wird die Manipulatoren über das Ziel, dass sie versucht, zu kämpfen. Ein ähnlicher Effekt tritt bei Astronauten in der Schwerelosigkeit des Weltraums. Sie verändern sich in der Psychomotorik und Haltung und ihre Bewegungen der Gliedmaßen neigen dazu, ihre Ziele bis zum Astronauten Gehirn muss die neue Schwerelosigkeit angepasst (in der Regel innerhalb von zwei bis drei Tage) zu überziehen. Der Roboter-Manipulator Steuerung muss ebenfalls für den Betrieb in der Schwerelosigkeit während der Durchführung der rechenintensive Algorithmen für die Bahn-Interpolation, inverse Kinematik, Dynamik zu kompensieren, und die Kraft-und Lageregelung der Endeffektor. Wir können die Erhaltung der Dynamik der FreeFlyer Servicer System anwenden (unter der Annahme einer einzigen Manipulator für Einfachheit), um die Einschränkungen gelten für das Problem zu lösen, die uns in der Mitte der Masse des gesamten Systems zu definieren, die am Ursprung der Lüge erlaubt Inertialsystem - siehe Bild. 2.:
Die Position des Manipulators Endeffektor mit Bezug auf den Inertialraum kann dargestellt werden:
Obwohl eine Reihe von Techniken, globale Dynamik vorgeschlagen wurden, leiden sie unter hohen Rechenaufwand Probleme (Umetani, Y. & Yoshida, K., 1989). Nun, obwohl Impulserhaltung ist intregrable Beschränkungen für lineare Position des Endeffektor ergeben, ist dies nicht der Fall Drehimpulserhaltung, die nicht integrierbar ist, um einzigartige eckige Einschränkungen, da es ein nichtholonomen Einschränkung. Es ist möglich, zur Abtrennung des Rotations-und Übersetzungs-Komponenten des Systems liefern eine viel einfachere und leichter umsetzbar Reihe von Regelalgorithmen. Wir verwenden eine spezielle Sonde Lageregelung, zu dem ein Feedforward-Signal von der Roboter-Manipulator System kann ein durch berechnet Nebenprodukt der Newton-Euler Dynamik Formulierung der Manipulator (Longman, R., Lindberg, R., & Zedd, M ., 1987), die die Reaktion Moment, in dem Manipulator ausgeübt Mount-Punkt auf die Sonde als berechnet:
wo
Die Werte von FT und NT werden als durch Computertomographie-Produkt der Newton-Euler-Formulierung für die Dynamik der Manipulator, um sicherzustellen, dass die F 0 = I 3. Dies bildet die Grundlage für die Stabilisierung der Haltung der Sonde Plattform. Der Effekt muss ausgeglichen werden, und dies kann durch eine Veränderung auf dem terrestrischen Denavit-Hartenburg Matrixformulierung getan werden, damit (Ellery, A., 2004b):
R = 3x3 Richtungskosinus Matrix als für terrestrische Manipulatoren
= Inertial Position des Endeffektor
= Kinematische-dynamischen Parameter der einzelnen link i
Ebenso kann die Jacobi-Matrix, indem sie die Grundlage für die Lösung Motion Control Algorithmen (Ellery, A., 2004b), wie die berechnete Kraft, Drehmoment-Controller und Kontrolle gewährleistet werden Algorithmen wie die Hybrid-Position / Kraft-Controller. Dies gilt für alle Geometrie der Manipulator von n Freiheitsgrade, die von den vier Denavit-Hartenburg Parameter festgelegt wird. Diese Ergebnisse bedeuten, dass das terrestrische Robotersteuerung Algorithmen mit nur geringen Modifikationen für die Kontrolle eines Raumes Manipulator verwendet werden kann, erleichtert die rechnerische Aufwand für die Raum-rated-Prozessoren für Echtzeit-Steuerung.
4. Auswirkungen
Ich habe festgestellt, dass die Verwendung des oben beschriebenen Algorithmus schlägt vor, dass realistische Servicer ATLAS Designs erfordern wie die Verwendung von Kontrollgruppen Moment Kreisel Lageregelung für Satelliten, insbesondere bei der Durchführung des Kraft-Kontrolle (Ellery, A., 2004a). Die Formulierung oben präsentierten sich leicht auf zwei oder mehrere Manipulatoren für die Durchführung von integrierten Steuerung, Regelung des Raumes Manipulatoren auf Roboter-Sonde montiert Servicer ausgedehnt. Roboter im Orbit Wartung von Satelliten erreichbar ist heute und in der Tat eine Reihe von Raumfahrtbehörden untersuchen derzeit diese Möglichkeit in der nahen Zukunft. Die Möglichkeit für OOS hat wichtige Implikationen für die Entwicklung des Raumes Umwelt - bei der Bereitstellung grundlegender Bestandteil der Raumfahrt-Infrastruktur, OOS stellt die erste vorsichtige Schritte zur Entwicklung eines voll funktionalen Raum-basierte Produktionskapazitäten mit der Werkstoff-Verarbeitung und Montage, und nur Wenn dies erreicht ist, wird Raum ein Teil der alltäglichen Welt.
5. Referenzen
Ellery, A. (2003). Robotik in den Dienst der Astronomie. Astronomy & Geophysics 44 (3), 3.23-3.25
Ellery, A. (2004a). Robot-In-Orbit-Servicer - die Notwendigkeit für die Kontrolle Moment Kreisel für die Haltung zu kontrollieren. In der Presse mit Aeronautical J
Ellery, A. (2004b). Eine technische Konzept für die dynamische Steuerung des Raumes Roboter im Orbit Servicer. In der Presse mit Proc Inst Mech Eng, Teil G: J Aerospace Eng.
Ellery, A., Welch, C. & Curley, A. (2001). Eine vorgeschlagene öffentlich-private Partnerschaft für die Finanzierung von Robotern in der Umlaufbahn Servicer. Space & Robotik-Konferenz, März 2001, Albuqerque, N Mexico, USA.
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Longman, R., Lindberg, R., & Zedd, M. (1987). Satelliten-Roboter montiert Manipulatoren - neue Kinematik und Reaktion Entschädigung. J International Robotics Research 6 (3), 87-103.
Sullivan, B. & Akin, D. (2001). Übersicht der zu wartenden Satelliten Ausfälle. AIAA 2001-4540
Umetani, Y. & Yoshida, K. (1989). Resolved Motion Rate Control Platz Manipulatoren mit einer allgemeinen Jacobi-Matrix. IEEE Trans. Robotics & Automation 5 (3), 303-314.
Space Robotics
Alex Ellery
Surrey Space Centre, University of Surrey, Guildford, Surrey, United Kingdom Contact:
Veröffentlicht in:
Part 1: Volume 1, Number 2, June.2004
Part 2: Volume 1, Number 3, September 2004
Part 3: Volume 1, Number 4, December 2004
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