novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.26.260-267novtexmech-1752Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSМоделирование в виртуальной среде движения летающих роботов внутри орбитальных космических станцийMotion Simulation in Virtual Environment of Flying Robots Inside Orbital Space StationsСтрашновЕ. В.StrashnovE. V.

ст. науч. сотр.

Москва

Moscow, 117218

strashnov_evg@mail.ruМихайлюкМ. В.MikhaylyukM. V.

д-р физ.-мат. наук, гл. науч. сотр.

Москва

Moscow, 117218

mix@niisi.ras.ruФедеральное государственное автономное учреждение "Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"РоссияScientific Research Institute for System Analysis of the National Research Centre "Kurchatov Institute"Russian Federation202507052025265260267Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20252025Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1752

Рассматривается задача моделирования движения летающих манипуляционных роботов, применяемых в космических модулях околоземной орбиты. В рамках этой задачи была получена нелинейная математическая модель динамики для тех летающих роботов, у которых масса и размеры манипулятора существенно меньше, чем у базового звена робота. Полученная математическая модель используется для синтеза управления движением летающего робота на основе скользящих режимов. Предлагаемое решение заключается в формировании такого управления, которое обеспечивает отсутствие колебаний в окрестности скользящей поверхности. Для этого закон управления летающим роботом реализован с использованием непрерывной функции гиперболического тангенса, которая является аппроксимацией разрывной функции переключения. Такой подход позволяет эффективно реализовать движение робота вдоль заданной траектории, его переориентацию и стабилизацию. Апробация разработанных в статье методов и подходов проводилась в созданном авторами комплексе виртуального окружения VirSim. В этом программном комплексе динамика манипуляционных роботов реализована с помощью универсального метода последовательных импульсов, который позволяет обрабатывать ограничения различного типа, возникающие вследствие наличия механических связей между звеньями робота, коллизий тел, трения и т. д. Для управления виртуальной моделью летающего робота была создана функциональная схема, которая вычисляет управляющие воздействия, подаваемые на исполнительные устройства робота, на основе показаний виртуальных датчиков и входных команд полетной программы. При этом управление манипулятором робота в рассматриваемом комплексе осуществляется с применением ПД регуляторов и путем расчета инверсной кинематики для обеспечения требуемого положения рабочего органа (захватного устройства) робота. Результаты моделирования показали адекватность предложенных в статье методов и подходов, которые могут быть в дальнейшем использованы для синтеза управления летающим роботом при решении более сложных задач, связанных с захватом и переносом груза внутри орбитальной станции. 

The task of motion simulation of flying manipulation robots used in space modules in near-earth orbit is considered. As part of this task, a nonlinear mathematical model of flying robot dynamics was obtained, in which manipulator mass and dimensions are significantly less than those of the base link. The resulting mathematical model is used to motion control synthesis of the flying robot based on sliding modes. The proposed solution consists in providing such control that ensures the absence of oscillations in the vicinity of sliding surface. For this purpose, the control law of the flying robot is implemented using a continuous hyperbolic tangent function, which is an approximation of the discontinuous switching function. This approach makes it possible to effectively implement the robot’s movement along a given trajectory, its reorientation and stabilization. The approbation of methods and approaches proposed in the paper was carried out in virtual environment complex VirSim created by the authors. In this software package, the manipulation robot dynamics is performed using a universal sequential impulses method, which allows to handle various types constraints that arise due to the joints of robot links, body collisions, friction, etc. The flying robot control is implemented by means of a created functional diagram scheme that computes the control actions applied to the robot’s actuators based on virtual sensors readings and flight program’s input commands. Regarding this, the robot manipulator control in this complex is performed using PD controllers and inverse kinematics solving to ensure the required position of robot’s end effector (gripper). Simulation results showed the adequacy of the solutions proposed in the paper, which can be further used to flying robot control when solving more complex tasks related to the grip and transfer load inside the orbital station. 

моделированиелетающий роботманипуляторорбитальная станциякватернионскользящий режимгиперболический тангенссистемы виртуального окруженияsimulationflying robotmanipulatororbital stationquaternionsliding modehyperbolic tangentvirtual environment systemsПубликация выполнена в рамках государственного задания НИЦ "Курчатовский институт" — НИИСИ по теме № FNEF-2024-0002 "Математическое моделирование многомасштабных динамических процессов и системы виртуального окружения"The publication is made within the state task of Scientific Research Institute for System Analysis of the National Research Centre "Kurchatov Institute" on topic No. FNEF-2024-0002 "Mathematical modeling of multiscale dynamic processes and virtual environment systems"ReferencesSmith T. et al. Astrobee: a new platform for free-flying robotics research on the International Space Station // Proceedings of International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space. 2016.Smith T. et al. Astrobee: a new platform for free-flying robotics research on the International Space Station, Proceedings of International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, 2016.Bualat M. G., Smith T., Fong T. W., Smith E. E., Wheeler D. W., the Astrobee Team. Astrobee: A new tool for ISS operations // Int. Conf. on Space Operations (SpaceOps). 2018.Bualat M. G., Smith T., Fong T. W., Smith E. E., Wheeler D. W., the Astrobee Team. Astrobee: A new tool for ISS operations, Int. Conf. on Space Operations (SpaceOps), 2018.Lehnhardt E., Connell D. The Gateway program as part of NASA’s plans for human exploration beyond low Earth orbit // IEEE Aerospace Conference (AeroConf). 2024.Lehnhardt E., Connell D. The Gateway program as part of NASA’s plans for human exploration beyond low Earth orbit, IEEE Aerospace Conference (AeroConf), 2024.Park I.-W., Smith T., Sanchez H., Wong S. W., Piacenza P., Ciocarlie M. Developing a 3-dof compliant perching arm for a freeflying robot on the international space station // IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. 2017. P. 1135—1141.Park I.-W., Smith T., Sanchez H., Wong S. W., Piacenza P., Ciocarlie M. Developing a 3-dof compliant perching arm for a free-flying robot on the international space station, IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2017, pp. 1135—1141.Wilde M., Kwok Choon S., Grompone A. et al. Equations of motion of free-floating spacecraft-manipulator systems: an engineer’s tutorial // Frontiers in Robotics and AI. 2018. Vol. 5. 41.Wilde M., Kwok Choon S., Grompone A. et al. Equations of motion of free-floating spacecraft-manipulator systems: an engineer’s tutorial, Frontiers in Robotics and AI, 2018, vol. 5, p. 41.Shi L., Katupitiya J., Kinkaid N. A robust attitude controller for a spacecraft equipped with a robotic manipulator // American Control Conference (ACC). 2016. P. 4966—4971.Shi L., Katupitiya J., Kinkaid N. A robust attitude controller for a spacecraft equipped with a robotic manipulator, American Control Conference (ACC), 2016, pp. 4966—4971.Albee K., Hernandez A. C. The case for parameter-aware control of assistive free-flyers // AIAA SciTech GNC. 2021.Albee K., Hernandez A. C. The case for parameter-aware control of assistive free-flyers, AIAA SciTech GNC, 2021.Hahn H. Rigid body dynamics of mechanisms: theoretical basis, ser. Rigid Body Dynamics of Mechanisms. Berlin: Springer, 2002.Hahn H. Rigid body dynamics of mechanisms: theoretical basis, ser. Rigid Body Dynamics of Mechanisms, Berlin, Springer, 2002.Garstenauer H., Kurka G. A unified framework for rigid body dynamics. PhD thesis. 2006.Garstenauer H., Kurka G. A unified framework for rigid body dynamics, PhD thesis, 2006.Pickl K. Rigid body dynamics: links and joints. Master’s thesis, Computer Science Department 10 (System Simulation), University of Erlangen, Nurnberg, 2009.Pickl K. Rigid body dynamics: links and joints. Master’s thesis, Computer Science Department 10 (System Simulation), University of Erlangen, Nurnberg, 2009.Catto E. Iterative dynamics with temporal coherence // Game Developer Conference. 2005. P. 1—24.Catto E. Iterative dynamics with temporal coherence, Game Developer Conference, 2005, pp. 1—24.Tonge R., Benevolenski F., Voroshilov A. Mass splitting for jitter-free parallel rigid body simulation // ACM Trans. Graph. 31. 2012. P. 105:1—105:8.Tonge R., Benevolenski F., Voroshilov A. Mass splitting for jitter-free parallel rigid body simulation, ACM Trans. Graph. 31, 2012, pp. 105:1—105:8.Di Lucia S., Tipaldi G. D., Burgard W. Attitude stabilization control of an aerial manipulator using a quaternion-based backstepping approach // European Conference on Mobile Robots (ECMR). 2015. P. 1—6.Di Lucia S., Tipaldi G. D., Burgard W. Attitude stabilization control of an aerial manipulator using a quaternion-based backstepping approach, European Conference on Mobile Robots (ECMR), 2015, pp. 1—6.Caldera F. Sliding mode attitude control for a small satellite with a manipulator. Master Thesis, Politecnico di Torino. 2019.Caldera F. Sliding mode attitude control for a small satellite with a manipulator, Master Thesis, Politecnico di Torino, 2019.Ruggiero D. Robust attitude control for NASA Astrobee robots operating in the ISS. Master Thesis, Politecnico di Torino. 2020.Ruggiero D. Robust attitude control for NASA Astrobee robots operating in the ISS, Master Thesis, Politecnico di Torino, 2020.Михайлюк М. В., Мальцев А. В, Тимохин П. Ю., Страшнов Е. В., Крючков Б. И., Усов В. М. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Пилотируемые полеты в космос. 2020. Т. 37, № 4. С. 72—95.Mikhaylyuk M. V., Maltsev A. V., Timokhin P. Yu., Strashnov E. V., Kryuchkov B. I., Usov V. M. The VirSim virtual environment system for the simulation complexes of cosmonaut training, Pilotiruemye polety v kosmos, 2020, vol. 37, no. 4, pp. 72—95 (in Russian).Дронг В. И., Дубинин В. В., Ильин М. М. и др. Курс теоретической механики: Учебник для вузов. Под общ. ред. К. С. Колесникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 736 с.Kolesnikov K. S. ed. Course of Theoretical Mechanics: A Textbook for high schools, Moscow, Publishing House of the Bauman MSTU, 2005, 736 p. (in Russian).Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation. Birkhauser, New York: Springer, 2014. 356 p.Shtessel Y., Edwards C., Fridman L., Levant A. Sliding Mode Control and Observation, Birkhauser, New York, Springer, 2014, 356 p.Utkin V. I. Sliding modes in control optimization. New York: Springer Verlag, 1992. 286 p.Utkin V. I. Sliding modes in control optimization, New York, Springer Verlag, 1992, 286 p.Utkin V., Lee H. Chattering problem in sliding mode control systems // IEEE Int. Variable Struct. Syst. 2006. P. 346—350.Utkin V., Lee H. Chattering problem in sliding mode control systems, IEEE Int. Variable Struct. Syst., 2006, pp. 346—350.Daley E. Astrobee free-flyer nozzle mechanism // Proceedings of the 45th Aerospace Mechanisms Symposium. NASA Johnson Space Center. 2020. P. 441—454.Daley E. Astrobee free-flyer nozzle mechanism, Proceedings of the 45th Aerospace Mechanisms Symposium, NASA Johnson Space Center, 2020, pp. 441—454.Михайлюк М. В., Страшнов Е. В. Моделирование системы связанных тел методом последовательных импульсов // Труды НИИСИ РАН. 2014. Т. 4, № 2. С. 52—60.Mikhaylyuk M. V., Strashnov E. V. Simulation of articulated multibody system using sequential impulses method, Trudy NIISI RAN, 2014, vol. 4, no. 2, pp. 52—60 (in Russian).Страшнов Е. В., Михайлюк М. В. Моделирование ограничений на относительное движение шарнирно связанных тел // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 10. С. 678—685.Strashnov E. V., Mikhaylyuk M. V. Simulation of restrictions for the relative motion of the articulated rigid bodies in the virtual environment systems, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2015, vol. 16, no. 10, pp. 678—685 (in Russian).Страшнов Е. В., Торгашев М. А. Моделирование динамики электроприводов виртуальных роботов в имитационно-тренажерных комплексах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 11. С. 762—768.Strashnov Е. V., Torgashev M. A. Simulation of the actuator dynamics of the virtual robots in the training complexes, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2016, vol. 17, no. 11, pp. 762—768 (in Russian).Страшнов Е. В., Михайлюк М. В. Моделирование полуавтоматического режима управления манипуляционными роботами в системах виртуального окружения // Вестник кибернетики. 2017. № 4 (28). С. 189—196.Strashnov E. V., Mikhaylyuk M. V. Simulation of semiautomatic control of manipulator robots in virtual environment systems, Vestnik kibernetiki, 2017, no. 4 (28), pp. 189—196 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.