Abstract This paper presents the manipulability analysis of free-floating multi-arm space robots. Evaluation of manipulator capability is useful both in the design and in the operation phase. After capturing a target, closed kinematic chains are formed with multi-arm cooperative manipulating a common object. Owing to the dynamic coupling effect, the manipulability analysis of free-floating systems is more complex than that of ground-fixed closed chain systems. To analyze the cooperative manipulability, kinematic and dynamic formulations for the free-floating closed chain systems are firstly derived. The formulations describe the mapping of joint velocities and torques, respectively, to task velocities and forces, as well as joint torques to task accelerations and forces, by using the generalized Jacobian matrices. Next, the well-known concepts of manipulability ellipsoid, manipulability measure and task compatibility of the free-floating closed chain system are formally extended. Besides, a new approach called scaling factor method is used in the analysis of the task compatibility, which is more accurate compared with the manipulability ellipsoid method. Three applications of the performance indices are considered: (1) the feasibility analysis for a given task, (2) the trajectory planing giving a desired task path, and (3) configuration optimization with different task requirements. The proposed index is proved a very efficient tool that can be utilized in the cooperative manipulation tasks for free-floating space robotic systems.

中文翻译：

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具有闭链约束的自由浮动空间机器人的运动学和动态操纵性分析

摘要 本文介绍了自由浮动多臂空间机器人的可操纵性分析。机械手能力的评估在设计和操作阶段都很有用。捕获目标后，多臂协同操作共同物体形成闭合运动链。由于动态耦合效应，自由浮动系统的可操纵性分析比地面固定闭链系统的可操纵性分析更复杂。为了分析协同操纵性，首先推导出自由浮动闭链系统的运动学和动力学公式。通过使用广义雅可比矩阵，这些公式分别描述了关节速度和扭矩到任务速度和力的映射，以及关节扭矩到任务加速度和力的映射。下一个，对自由浮动闭链系统的可操纵性椭球、可操纵性测度和任务兼容性等众所周知的概念进行了形式化扩展。此外，在任务兼容性分析中使用了一种称为比例因子法的新方法，与可操纵性椭球法相比，该方法更准确。考虑了性能指标的三个应用：（1）给定任务的可行性分析，（2）给出所需任务路径的轨迹规划，以及（3）不同任务要求的配置优化。所提出的指标被证明是一种非常有效的工具，可用于自由浮动空间机器人系统的协作操作任务。此外，在任务兼容性分析中使用了一种称为比例因子法的新方法，与可操纵性椭球法相比，该方法更准确。考虑了性能指标的三个应用：（1）给定任务的可行性分析，（2）给出所需任务路径的轨迹规划，以及（3）不同任务要求的配置优化。所提出的指标被证明是一种非常有效的工具，可用于自由浮动空间机器人系统的协作操作任务。此外，在任务兼容性分析中使用了一种称为比例因子法的新方法，与可操纵性椭球法相比，该方法更准确。考虑了性能指标的三个应用：（1）给定任务的可行性分析，（2）给出所需任务路径的轨迹规划，以及（3）不同任务要求的配置优化。所提出的指标被证明是一种非常有效的工具，可用于自由浮动空间机器人系统的协作操作任务。(2) 轨迹规划给出所需的任务路径，以及 (3) 不同任务要求的配置优化。所提出的指标被证明是一种非常有效的工具，可用于自由浮动空间机器人系统的协作操作任务。(2) 轨迹规划给出所需的任务路径，以及 (3) 不同任务要求的配置优化。所提出的指标被证明是一种非常有效的工具，可用于自由浮动空间机器人系统的协作操作任务。