Future robotic manipulator systems(robotic manipulators carried by future spacecraft) will be required to perform complex tasks in space. In particular, the robotic manipulators will play important roles in future space missions such as retrieving, repairing, and servicing satellites in earth orbit. The dynamics of space robotic systems can be written complex and hence their control can be difficult. In this paper some important dynamics and control problems, unique to space robotic systems are discussed. Particular attention is paid to free-floating space robots and only attitude-controlled robotic systems. These manipulators will encounter a number of kinematic, dynamic problems caused by the dynamic coupling between the manipulators and its spacecraft.(the performance of these systems could be severely degraded by dynamic disturbances to the spacecraft caused by manipulator motion).
This dynamic coupling also makes it difficult to analyze these systems. This paper reviews an analytical modeling method for space manipulators called the Virtual Manipulator(VM), which has a fixed base in inertial space at a point called a Virtual Ground, and presents a mass adaptation method of the unknown payload using the Virtual Manipulator concept. The Virtual Manipulator is shown to have the potential to be an effective aid for the analysis, design, and development of future space manipulator systems. Free-floating space manipulator systems have dynamic singularities where the spacecraft moves in response to manipulator motions without compensation from its attitude control system. At the dynamic singularities, the manipulator is unable to move its end-effector in some inertial direction, thus dynamic singularities must be considered in the design, planning, and control of free-floating space manipulator systems. The existence and location of dynamic singularities cannot be predicted solely from the manipulator kinematic structure because they are functions of the dynamic properties of the system, unlike the singularities for fixed-base manipulators. Nearly any control algorithm that can be used for fixed-based manipulators also can be employed in the control of free-floating space manipulator systems under the additional conditions that a spacecraft's orientation can be measured or estimated and the dynamic singularities can be avoided. Therefore, we try to control the free-floating space robot system by compensating the spacecraft motions into calculating the desired joint angles in joint space from the desired trajectory in inertia space using the computed torque method(CTM).
우주 로봇 공학은 근래에 많은 관심을 불러 일으키고 있는 분야이다. 우주로봇은 지상에서 여러 역할을 수행하는 로봇과는 달리 베이스가 고정되어 있지않고 우주공간에 떠 있는 것이 특징이다. 우주로봇의 제어에 있어 이 떠 있는 베이스로 인해 많은 문제점이 발생하게 된다. 문제점으로는 일을 할 수 있는 영역분석, 역기구학 문제, 그리고 다이내믹 특이점의 발생 등이 있는데 이 모든 것이 우주 로봇의 특징인 베이스가 움직이는데서 비롯된다. 지금까지 많은 연구가 진행되어 여러 해결방안이 제시되었지만 이 연구결과들은 어떤 특정한 경우에 대한 결과들로서 실제로 이용하기는 어려운 것들이었다. 왜냐하면 이 결과들은 우주 로봇의 제어에 있어 가장 큰 문제점이라고 할 수 있는 다이내믹 특이점을 고려하지 않은 연구결과들이었기 때문이다. 하지만 80년대말에 Vafa가 가상 매니풀레이터 접근방법을 제시함으로써 베이스가 움직이는 우주로봇을 베이스가 고정된 로봇으로 바꾸어서 생각할 수 있게 되었고 90년대 초에 Papadoupolos가 다이내믹 특이점의 존재를 보이므로해서 우주로봇의 제어에 대한 연구에 이정표를 마련하게 되었다. 하지만 가상 매니풀레이터 접근방법은 우주 로봇의 다이내믹 파라미터와 정적인 파라미터를 정확하게 알고 있어야만 적용이 가능하다. 일반적으로 로봇 자체의 파라미터들은 대체로 알고 있으므로 큰 문제점이 발생하지 않는다. 그러나 우주 로봇이 부하를 들게 되면 가상 매니풀레이터가 변화하게 되는데 이 때 부하의 정확한 질량을 알지 못하면 가상 매니풀레이터 접근 방법을 사용할 수 없게 되어 우주 로봇의 제어문제가 다시 원점으로 돌아가게 된다. 그래서 이 논문에서는 우주 로봇이 부하을 들게 되었을 때 부하의 질량을 알아내는 방법을 제시하고 있다. 즉, 우주 로봇이 부하을 들면 가상 매니풀레이터가 변화게 되는데 가상 매니풀레이터가 변화하더라도 처음 부하의 위치에 대해서는 실제 매니풀레이터의 끝 점과 가상 매니풀레이터의 끝 점은 일치하게 되는데 일단 실제 매니풀레이터가 조금 움직여서 처음 부하의 위치에서 벗어나게 되면 부하의 질량이 정확한 질량값이 아니면 실제 매니풀레이터의 끝 점과 가상 매니풀레이터의 끝 점은 항상 일치하지 않는다. 이 점을 이용하여 부하의 질량을 알아내는 방법을 이 논문에서 제시하고 있다. 그리고 가상 매니풀레이터를 구성할 수 있다고 하더라도 free-floating 우주 로봇에서는 또 하나의 어려운 과제인 역기구학문제가 남는다. Redundant 로봇인 경우에 대해서는 redundancy를 이용하여 베이스의 자세가 변화지 않도록 path를 잡게되면 가상 매니풀레이터상에서는 베이스가 고정되는 효과를 얻게 되어 역기구학문제가 기존의 지구상의 로봇에 대한 역기구학문제로 변환되어 기존의 방법으로 해결할 수 있다. 하지만 nonredundant 로봇인 경우에는 베이스가 움직이지만 직접적으로 제어가 불가능하므로 역기구학문제가 해결되어야 할 문제로 남는다. 그래서 이 논문에서는 이 문제에 대한 하나의 해결방법을 제시하고 있는데 그것은 전체 시스템의 역기구학문제를 매니풀레이터에 대한 역기구학문제로 변환시켜 생각하자는 것이다. Nonredundant 우주 로봇을 가상 매니풀레이터로 변환하게 되면 link가 하나 늘어난 베이스가 고정된 매니풀레이터로 되는데 여기서 역기구학을 해결하는데 있어 베이스를 나타내는 첫 번째 link를 제어하는 것이 불가능하다는 점으로 인해 문제가 발생하게 되므로 역기구학문제에 있어 첫 번째 link를 제거해 보자는 것이 여기서 제시하고자 하는 방법이다. 실제 우주 로봇의 자세를 가상 매니풀레이터의 첫 번째 link의 desired값으로 사용하게 되면 역기구학 문제가 단지 우주 로봇 전체에 대한 역기구학 문제가 아닌 단지 매니풀레이터 자체만에 대한 역기구학문제로 변환되어 기존의 일반 로봇에 대한 역기구학 해결방법을 적용하여 해결할 수 있다. 위에서 제시한 두 해결방법을 시뮬레이션을 통해 타당성을 보이는 것을 끝으로 이 논문을 마친다.