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Design and Operational Elements of the Robotic Subsystem for the e.deorbit Debris Removal Mission

Jaekel, Steffen und Lampariello, Roberto und Rackl, Wolfgang und de Stefano, Marco und Oumer, Nassir und Giordano, Alessandro Massimo und Porges, Oliver und Pietras, Markus und Brunner, Bernhard und Ratti, John und Muehlbauer, Quirin und Thiel, Markus und Estable, Stephane und Biesbroek, Robin und Albu-Schäffer, Alin Olimpiu (2018) Design and Operational Elements of the Robotic Subsystem for the e.deorbit Debris Removal Mission. Frontiers in Robotics and AI, Seiten 1-20. Frontiers Media S.A. doi: 10.3389/frobt.2018.00100. ISSN 2296-9144.

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Kurzfassung

This paper presents a robotic capture concept that was developed as part of the e.deorbit study by ESA. The defective and tumbling satellite ENVISAT was chosen as a potential target to be captured, stabilized, and subsequently de-orbited in a controlled manner. A robotic capture concept was developed that is based on a chaser satellite equipped with a seven degrees-of-freedom dexterous robotic manipulator, holding a dedicated linear two-bracket gripper. The satellite is also equipped with a clamping mechanism for achieving a stiff fixation with the grasped target, following their combined satellite-stack de-tumbling and prior to the execution of the de-orbit maneuver. Driving elements of the robotic design, operations and control are described and analyzed. These include pre and post-capture operations, the task-specific kinematics of the manipulator, the intrinsic mechanical arm flexibility and its effect on the arm’s positioning accuracy, visual tracking, as well as the interaction between the manipulator controller and that of the chaser satellite. The kinematics analysis yielded robust reachability of the grasp point. The effects of intrinsic arm flexibility turned out to be noticeable but also effectively scalable through robot joint speed adaption throughout the maneuvers. During most of the critical robot arm operations, the internal robot joint torques are shown to be within the design limits. These limits are only reached for a limiting scenario of tumbling motion of ENVISAT, consisting of an initial pure spin of 5 deg/s about its unstable intermediate axis of inertia. The computer vision performance was found to be satisfactory with respect to positioning accuracy requirements. Further developments are necessary and are being pursued to meet the stringent mission-related robustness requirements. Overall, the analyses conducted in this study showed that the capture and de-orbiting of ENVISAT using the proposed robotic concept is feasible with respect to relevant mission requirements and for most of the operational scenarios considered. Future work aims at developing a combined chaser-robot system controller. This will include a visual servo to minimize the positioning errors during the contact phases of the mission (grasping and clamping). Further validation of the visual tracking in orbital lighting conditions will be pursued.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/123308/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Design and Operational Elements of the Robotic Subsystem for the e.deorbit Debris Removal Mission
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Jaekel, Steffensteffen.jaekel (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lampariello, RobertoRoberto.Lampariello (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rackl, WolfgangWolfgang.Rackl (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Stefano, MarcoMarco.deStefano (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Oumer, NassirNassir.Oumer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Giordano, Alessandro MassimoAlessandro.Giordano (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2291-7525NICHT SPEZIFIZIERT
Porges, OliverOliver.Porges (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pietras, MarkusOHB SystemNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Brunner, BernhardBernhard.Brunner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0002-8459-7934NICHT SPEZIFIZIERT
Ratti, Johnjohn.ratti (at) mdacorporation.comNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Muehlbauer, QuirinOHB SystemNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thiel, MarkusOHB SystemNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Estable, StephaneStephane.Estable (at) airbus.comNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Biesbroek, Robinrobin.biesbroek (at) esa.intNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Albu-Schäffer, Alin OlimpiuAlin.Albu-Schaeffer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-5343-9074142115758
Datum:31 August 2018
Erschienen in:Frontiers in Robotics and AI
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.3389/frobt.2018.00100
Seitenbereich:Seiten 1-20
Verlag:Frontiers Media S.A
ISSN:2296-9144
Status:veröffentlicht
Stichwörter:on-orbit servicing, active debris removal, space robot, visual tracking, robot gripper, clamping mechanism
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - On-Orbit Servicing [SY]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Beinhofer, Gabriele
Hinterlegt am:30 Nov 2018 00:27
Letzte Änderung:21 Nov 2023 09:15

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