Motion planning and control of cooperating robotic systems in orbit

Τόσο τα διαπλανητικά σκάφη, όσο και τα στατικά διαστημικά συστήματα, θα χρειαστούν «υπηρεσίες εξυπηρέτησης» όπως κατασκευές, συντήρηση, αντικατάσταση χαλασμένων ή και αναλώσιμων μονάδων, ανεφοδιασμό, επιθεώρηση και αποκατάσταση. Για να απαλλάξει τους αστροναύτες από τις επικίνδυνες εργασίες έξω από τα διαστημικά οχήματα, να βελτιώσει την απόδοση των εργασιών αυτών, αλλά και να διευρύνει το εύρος των δυνατών εργασιών, η διεθνής επιστημονική κοινότητα έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της στην έρευνα και υλοποίηση αυτόνομων, ρομποτικών «υπηρεσιών εξυπηρέτησης». Παρότι σημαντικές εργασίες, όπως η κατασκευές σε τροχιά ή η διαχείριση των τροχιακών απορριμμάτων, περιλαμβάνουν την διαχείριση και μετακίνηση παθητικών σωμάτων, εντούτοις αυτός καθαυτός ο έλεγχος και η μετακίνηση ενός παθητικού σώματος από ένα πλήθος ρομπότ-εξυπηρέτησης με βραχίονες και ελεύθερες βάσεις με προωθητήρες, δεν έχει μελετηθεί αρκετά, και πολλά προβλήματα στο πεδίο αυτό είναι ακόμα ανοιχτά.Ο τροχιακός έλεγχος και μετακίνηση παθητικού αντικειμένου έχει πολλές ομοιότητες με τον συνεργατικό χειρισμό παθητικού σώματος στη Γη, με τις επιπρόσθετες επιπλοκές ότι στο διάστημα δεν υπάρχει κάποιο σταθερό έδαφος στο το οποίο να πατάει ο βραχίονας χειρισμού, οπότε οι διαταραχές σε ορμή και στροφορμή παίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο σε τέτοια συστήματα καθώς και ότι οι προωθητήρες τροχιακών (και γενικά διαστημικών) συστημάτων είναι on-off τύπου. Για να προστατευτούν οι προωθητήρες από τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα, αναλογικοί προωθητήρες ή τύπου Διαμόρφωσης Εύρους Παλμού (PWM), δεν χρησιμοποιούνται στο διάστημα, μειώνοντας τις δυνατότητες ελέγχου όταν χρησιμοποιούνται μόνο προωθητήρες για την εφαρμογή δυνάμεων.Στην εργασία αυτή, παρουσιάζεται και μελετάται η εισαγωγή ενός αριθμού ρομπότ ελεύθερης βάσης, με βραχίονες και προωθητήρες, όπου ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται τόσο οι on-off δυνάμεις των προωθητήρων, όσο και οι αναλογικές δυνάμεις/ροπές από τους βραχίονες, κατά την διάρκεια συνεργατικού χειρισμού παθητικού σώματος στο διάστημα.Επίσης παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός ελεγκτή για τους βραχίονες των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος οδηγεί σε ευσταθή χειρισμό του παθητικού σώματος, σε περιπτώσεις παρακολούθησης επιθυμητής τροχιάς (trajectory tracking). Παράλληλα παρουσιάζεται και ο σχεδιασμός ελεγκτή για τις βάσεις των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος τα υποχρεώνει να κινούνται μέσα στο χώρο εργασίας (workspace) των βραχιόνων τους, υπό της επήρεια των δυνάμεων/ροπών αντίδρασης από τους ίδιους τους βραχίονες.Τέλος, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός αλγορίθμου βελτιστοποίησης δύο επιπέδων, ο οποίος επιτρέπει i) την βέλτιστη επιλογή σημείων επαφής ανάμεσα στα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ-εξυπηρέτησης και το παθητικό σώμα (και για τις δύο περιπτώσεις επαφής που μελετώνται) και ii) τον διαμοιρασμό της επιθυμητής για το παθητικό σώμα δύναμης/ροπής (force distribution), έτσι ώστε αυτή να μπορεί να εφαρμοστεί από τα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ.