Robotic redundancy via arm angle self-adaptation through nullspace resolution: Offset poses a challenge

运动学 机械臂 冗余(工程) 反向动力学 控制理论(社会学) 计算机科学 机器人 工作区 避障 偏移量(计算机科学) 障碍物 模拟 机器人末端执行器 机器人运动学 工程类 弹道 肘部 参数化复杂度 Arm解决方案 计算 机器人学 转弯半径 控制工程 配置空间 人工智能 计算机视觉 机械手 运动控制 逆动力学
作者
Boyu Ma,Zongwu Xie,Zainan Jiang,Yang Liu,Yiming Ji,Baoshi Cao,Zhengpu Wang,Hong Liu
出处
期刊:The International Journal of Robotics Research [SAGE Publishing]
被引量:1
标识
DOI:10.1177/02783649251371735
摘要

Seven-degree-of-freedom offset manipulators are typically large-scale space robot systems featuring two long links. The offsets at the shoulder, elbow, and wrist joints extend the joint motion range, thereby enhancing the manipulator’s workspace and dexterity to perform more complex missions. The two long links render the physical significance of the manipulator’s elbow highly pronounced, with the arm angle being closely coupled to the elbow joint. Arm angle parameterization is well-suited for configuration control of such manipulators; however, offsets pose a geometric challenge that hinders analytical redundancy resolution. This article focuses on the Experimental Module Manipulator (EMM) of the China Space Station and investigates its nullspace redundancy resolution approach via arm angle self-adaptation. First, a novel semi-analytical inverse kinematics solution via arm angle parameterization is proposed for the EMM, offering high computational accuracy and fast solving speed. Moreover, convex hulls of the EMM and the China Space Station are modeled for high-precision collision detection based on the Gilbert–Johnson–Keerthi distance algorithm. Subsequently, an obstacle avoidance strategy via arm angle self-adaptation is developed for the EMM to perform tasks safely in complex environments. Additionally, the effectiveness and practicality of both the arm angle parameterized inverse kinematics solution and the obstacle avoidance strategy are verified through comprehensive simulations. Finally, this research is applied to the EMM for successful accomplishment of on-orbit servicing to support the Shenzhou-16 astronaut’s extravehicular activities aboard the China Space Station, thereby achieving on-orbit experimental validation.
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