Metodo di assemblaggio conforme alla dinamica umana

L'assemblaggio in orbita è diventato un aspetto cruciale delle operazioni spaziali, in cui il manipolatore interagisce frequentemente e direttamente con gli oggetti in un complesso processo di assemblaggio

Il tradizionale controllo del manipolatore presenta limitazioni nell'adattarsi a diverse attività di assemblaggio ed è vulnerabile alle vibrazioni, con conseguenti guasti all'assemblaggio. Per affrontare questo problema, i ricercatori del Beijing Institute of Technology propongono un metodo di controllo dell’ammettenza variabile simile a quello umano basato sulle caratteristiche di smorzamento variabili del braccio umano. Questo metodo può aumentare efficacemente la sicurezza, la robustezza e l'adattabilità dell'assemblaggio spaziale del robot. Il team ha pubblicato i risultati su Cyborg and Bionic Systems. (1)

I robot vengono sempre più utilizzati per la manutenzione e la riparazione nello spazio grazie alla loro maggiore adattabilità al difficile ambiente spaziale rispetto agli astronauti umani. Questa tendenza è fondamentale per lo sviluppo della tecnologia spaziale, poiché può aiutare a mitigare i rischi per la salute degli esseri umani nelle stazioni spaziali e ad affrontare le sfide legate alla riparazione dei veicoli spaziali nello spazio. L’assemblaggio robotico è un campo di ricerca vitale che ha visto importanti progressi negli ultimi anni. Il controllo della conformità è emerso come il metodo principale per consentire ai robot di eseguire attività di assemblaggio complesse. Tuttavia, il controllo della conformità impone requisiti elevati alle prestazioni di contatto del manipolatore, rendendo difficile il raggiungimento dei livelli richiesti di precisione e adattabilità.

In risposta a queste sfide, i ricercatori hanno proposto vari metodi di controllo della conformità, tra cui il controllo dello smorzamento, il controllo della rigidità, il controllo ibrido forza/posizione e algoritmi di controllo adattivo fuzzy. Questi algoritmi mirano a migliorare l’adattabilità e l’efficienza dei robot durante l’esecuzione di compiti di assemblaggio, in particolare in ambienti sconosciuti.

Le attività di assemblaggio spesso implicano il contatto tra un manipolatore e un oggetto da assemblare. Per evitare che un'eccessiva forza di contatto danneggi l'oggetto, è necessario uno smorzamento per dissipare l'energia e limitare le vibrazioni. Gli oggetti con uno smorzamento maggiore consumano energia più rapidamente sotto le forze esterne. Il sistema muscolo-scheletrico del braccio umano può regolare in modo flessibile lo smorzamento per eseguire vari compiti in modo sicuro e stabile.

Per raccogliere parametri quali forza di contatto e velocità, il team ha creato una piattaforma di acquisizione dati dinamica per catturare il movimento del braccio umano. I componenti principali del sistema includono un sottosistema di acquisizione del movimento e un sottosistema di misurazione della forza di contatto. Un sensore di forza ATI omega160 6D viene utilizzato per raccogliere i dati sulla forza di contatto tra la mano umana e le parti dell'assemblaggio, mentre i dati sulla velocità finale del braccio umano vengono ottenuti utilizzando un mini sistema di acquisizione del movimento ZED di Stereolabs.

«Per ottenere una comprensione più accurata delle caratteristiche di movimento delle braccia umane, utilizziamo apparecchiature ad alte prestazioni per misurare e analizzare i dati ottenuti», ha affermato il dottor Xiao Huang (2), ricercatore presso la Beijing University of Technology.

Affinché il robot potesse completare meglio il compito di assemblaggio, i ricercatori hanno riassunto le caratteristiche dinamiche dell'essere umano analizzando i dati di movimento del braccio umano durante il processo di assemblaggio e hanno applicato questa funzionalità ai robot. Inoltre, poiché i compiti di assemblaggio dei satelliti sono diversi e i modelli di contatto sono complessi, il gruppo di ricerca ha analizzato vari scenari durante il processo di assemblaggio dei satelliti e ha riassunto tre modelli di contatto per il loro assemblaggio.

«Questo può aiutarci a modellare meglio i contatti per gli assemblaggi robotici di satelliti e a controllare in modo più accurato l'assemblaggio sicuro dei robot», ha affermato la dottoressa Xiaolei Cao (3), ricercatrice della Beijing University of Technology.

Con il loro esperimento, il team ha condotto una verifica della simulazione dell'assemblaggio di satelliti spaziali attraverso una piattaforma sperimentale a terra. La loro piattaforma robotica è in grado di misurare forze e coppie all'estremità di un braccio robotico nelle direzioni X, Y e Z. Hanno applicato il controller di ammettenza dei parametri variabili di tipo umano all'esperimento di assemblaggio del satellite robot e hanno verificato con successo l'efficacia del controller di ammettenza dei parametri variabili di tipo umano.

Le strategie di controllo simili a quelle umane possono migliorare l’adattabilità, la precisione e la controllabilità dei robot che eseguono attività di assemblaggio e manutenzione dello spazio. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per consentire ai robot di svolgere compiti di assemblaggio flessibili paragonabili a quelli degli esseri umani reali. Sono inoltre necessari robot durevoli e affidabili in grado di resistere ad ambienti spaziali difficili.

«I progressi nelle strategie di controllo degli umanoidi possono avere importanti implicazioni per il futuro dell'esplorazione e dello sviluppo spaziale, migliorando ulteriormente l'efficienza, la sicurezza e l'affidabilità della missione», ha affermato il dottor Zhihong Jiang (4), professore della Beijing University of Technology.

Riferimenti:

(1) A Method of Human-Like Compliant Assembly Based on Variable Admittance Control for Space Maintenance

(2) Xiao Huang

(3) Xiaolei Cao

(4) Zhihong Jiang

Descrizione foto: Piattaforma di verifica a terra dell'assemblaggio satellitare e processo di assemblaggio. - Credit: Cyborg and Bionic Systems.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Robot space maintenance based on human arm dynamics