Doctor of Philosophy (Physics), PhD Scholar, School of Mechanical & Industrial Engineering, College of Technology & Built Environment-AAiT
доктор философии (физика), аспирант, Школа машиностроения и промышленной инженерии, Колледж технологий и искусственной среды-AAiT
Doctor of Sciences (Techn.), Director of the Academy of Engineering, Head of the Department of Mechanics and Control Processes, Academy of Engineering
доктор технических наук, директор инженерной академии, заведующий кафедрой механики и процессов управления, инженерная академия
Doctor of Philosophy (Mech.), Assistant Professor, School of Mechanical & Industrial Engineering, College of Technology & Built Environment-AAiT
доктор философии (механик), доцент, Школа машиностроения и промышленной инженерии, Колледж технологий и искусственной среды-AAiT
Bachelor of Science (Mech.), MSc Student, School of Mechanical & Industrial Engineering, College of Technology & Built Environment-AAiT
бакалавр технических наук, студент магистратуры, Школа машиностроения и промышленной инженерии, Колледж технологий и искусственной среды-AAiT
Space robotics is rapidly becoming essential as satellites and orbital debris continue to increase, creating demand for reliable capture and servicing technologies. A central challenge lies in minimizing the impact forces generated during contact, which can threaten both the robot and the target. This paper addresses the problem by introducing a configuration optimization approach that leverages the concept of integrated effective mass (IEM) to reduce capture contact forces. The contribution of this study is twofold: it demonstrates how IEM serves as a practical performance metric for predicting capture safety, and it validates configuration optimization as an effective strategy for mitigating impact forces in free-floating space robots. The methodology applied a Hunt - Crossley contact model with hysteresis damping to simulate robot-target interactions under various manipulator configurations. A 7-DOF free-floating robot was modeled, and IEM was computed through Jacobian-based dynamic analysis. The coefficient of restitution was also tuned to balance rebound and capture stability. Results reveal a strong nonlinear relationship between IEM and contact force. Configurations with low IEM generated substantially lower forces: for example, an IEM of 0.0413 kg produced only 442 N, while an IEM of 1.7199 kg resulted in forces exceeding 4142 N. By tuning the restitution coefficient to approximately 0.8, rebound effects were minimized without compromising stability. The simulations confirmed that configuration optimization can reduce capture forces by nearly an order of magnitude while avoiding singularities. In conclusion, this work shows that planning manipulator configurations based on IEM analysis is not merely theoretical but a practical tool for safer, more reliable on-orbit servicing and debris removal. These findings reinforce configuration optimization as a cornerstone for the next generation of space robotic operations.
Космическая робототехника стремительно развивается ввиду возрастающего числа искусственных спутников Земли и космического мусора, что требует разработки надежных технологий дистанционного захвата объектов и их технического обслуживания. Главная задача заключается в снижении ударных нагрузок, возникающих при механическом взаимодействии роботов с объектами, что представляет угрозу как самому манипулятору, так и цели. Исследована проблема оптимизации конфигурации космических роботов. Предложено использовать концепцию интегрированной эффективной массы (IEM), чтобы снизить контактные усилия при захвате. Исследование показывает, что IEM - это практический показатель эффективности, который помогает прогнозировать безопасность захвата. Также показано, что оптимизация конфигурации является эффективным способом уменьшения силы удара в свободно летающих космических роботах. Для моделирования взаимодействия робота с объектами при разных конфигурациях манипулятора использовалась контактная модель Ханта - Кроссли с гистерезисным демпфированием. Смоделирован свободно плавающий робот с 7-ступенчатой передачей, а IEM рассчитан с помощью динамического анализа на основе матрицы Якоби. Коэффициент демпфирования настроили таким образом, чтобы сбалансировать отскок и стабильность захвата. Результаты показывают сильную нелинейную корреляцию между IEM и силой контакта. Конфигурации с низким IEM вызывали значительно меньшие усилия: например, при IEM в 0,0413 кг зафиксировано всего 442 Н, в то время как при IEM в 1,7199 кг усилия превышали 4142 Н. Оптимизация параметра демпфирующего коэффициента до значения порядка 0,8 позволила существенно минимизировать проявления эффекта рикошета, сохранив при этом требуемый уровень динамической устойчивости системы. Моделирование подтвердило, что оптимизация конфигурации способна уменьшить силы захвата почти на порядок величины, одновременно избегая сингулярностей. Таким образом, показано, что планирование конфигураций манипуляторов на основе анализа IEM является не только теоретическим инструментом, но и практическим средством для повышения безопасности и надежности операций по обслуживанию на орбите и удалению космического мусора. Эти выводы подтверждают важность оптимизации конфигурации как основы для следующего поколения космических роботизированных операций.