Manutenção do espaço robótico baseada na dinâmica do braço humano

A montagem em órbita tornou-se um aspecto crucial das operações espaciais, onde o manipulador interage frequente e diretamente com objetos em um processo de montagem complexo. O controle do manipulador tradicional tem limitações na adaptação a diversas tarefas de montagem e é vulnerável a vibrações, levando à falha da montagem.

Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Pequim propõem um método de controle de admitância variável semelhante ao humano, baseado nas características de amortecimento variáveis ​​do braço humano. Este método pode efetivamente aumentar a segurança, robustez e adaptabilidade da montagem do espaço do robô. A equipe publicou suas descobertas em Sistemas Cyborg e Biônicos em 6 de setembro de 2023.

Os robôs são cada vez mais utilizados para manutenção e reparação no espaço devido à sua maior adaptabilidade ao ambiente espacial hostil em comparação com os astronautas humanos. Esta tendência é crítica para o desenvolvimento da tecnologia espacial, pois pode ajudar a mitigar os riscos para a saúde humana nas estações espaciais e enfrentar os desafios da reparação de naves espaciais no espaço.

A montagem robótica é um campo vital de pesquisa que tem visto progressos importantes nos últimos anos. O controle de conformidade surgiu como o principal método para permitir que robôs executem tarefas complexas de montagem. No entanto, o controle de conformidade impõe altas demandas ao desempenho de contato do manipulador, tornando um desafio atingir os níveis exigidos de precisão e adaptabilidade.

Em resposta a esses desafios, os pesquisadores propuseram vários métodos de controle de conformidade, incluindo controle de amortecimento, controle de rigidez, controle híbrido de força/posição e algoritmos de controle adaptativo difuso. Esses algoritmos visam melhorar a adaptabilidade e eficiência dos robôs na execução de tarefas de montagem, principalmente em ambientes desconhecidos.

As tarefas de montagem frequentemente envolvem o contato entre um manipulador e um objeto que está sendo montado. Para evitar que a força de contato excessiva danifique o objeto, é necessário amortecimento para dissipar a energia e restringir a vibração. Objetos com amortecimento maior consomem energia mais rapidamente sob forças externas.

O sistema músculo-esquelético do braço humano pode ajustar o amortecimento com flexibilidade para executar várias tarefas com segurança e estabilidade.

Para coletar parâmetros como força de contato e velocidade, a equipe estabeleceu uma plataforma dinâmica de aquisição de dados para capturar o movimento do braço humano. Os principais componentes do sistema incluem um subsistema de captura de movimento e um subsistema de medição de força de contato. Um sensor de força ATI omega160 6D é usado para coletar dados de força de contato entre a mão humana e as peças de montagem, enquanto os dados de velocidade final do braço humano são obtidos usando um mini sistema de captura de movimento Stereolabs ZED.

“Para obter uma compreensão mais precisa das características de movimento dos braços humanos, utilizamos equipamentos de alto desempenho para medir e analisar os dados obtidos”, disse Xiao Huang, pesquisador da Universidade de Tecnologia de Pequim.

Para que o robô conclua melhor a tarefa de montagem, os pesquisadores resumiram as características dinâmicas do ser humano analisando os dados de movimento do braço humano durante o processo de montagem e aplicaram esse recurso aos robôs. Além disso, como as tarefas de montagem de satélites são diversas e os padrões de contato são complexos, a equipe de pesquisa analisou vários cenários durante o processo de montagem de satélites e resumiu três padrões de contato para montagem de satélites.

“Isso pode nos ajudar a modelar melhor os contatos para montagens de satélites robóticos e a controlar com mais precisão a montagem segura de robôs”, disse Xiaolei Cao, pesquisador da Universidade de Tecnologia de Pequim.

Para o estudo, a equipe conduziu a verificação de simulação de montagem de satélites espaciais por meio de uma plataforma experimental terrestre. Sua plataforma robótica é capaz de medir forças e torques na extremidade de um braço robótico nas direções X, Y e Z. Eles aplicaram o controlador de admitância de parâmetro variável semelhante ao humano ao experimento de montagem do robô satélite e verificaram com sucesso a eficácia do controlador de admitância de parâmetro variável semelhante ao humano.

Estratégias de controle semelhantes às humanas podem melhorar a adaptabilidade, a precisão e a controlabilidade dos robôs que executam tarefas de montagem e manutenção de espaços. No entanto, mais pesquisas são necessárias para permitir que os robôs realizem tarefas de montagem flexíveis comparáveis ​​às dos humanos reais. Também são necessários robôs duráveis ​​e confiáveis, capazes de resistir a ambientes espaciais adversos.

“Avanços nas estratégias de controle humanóide podem ter implicações importantes para o futuro da exploração e desenvolvimento espacial, melhorando ainda mais a eficiência, segurança e confiabilidade da missão”, disse Zhihong Jiang, professor da Universidade de Tecnologia de Pequim.

A equipe de pesquisa inclui Xiaolei Cao, Xiao Huang, Yan Zhao, Hui Li e Zhihong Jiang da Universidade de Tecnologia de Pequim, Zeyuan Sun do Instituto de Pesquisa de Veículos do Norte da China, Pequim; e Marco Ceccarelli do Departamento de Engenharia Industrial da Universidade de Roma Tor Vergata, Via del Politecnico.

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