Modeling and control of a joint of a space lightweight robotic arm

In recent decades, robotic technology has been widely used in many application areas, such as space exploration. The Solar System exploration and in particular the scientific depth study of celestial bodies, imply the need of more autonomy for space robotics taking into account the distances, the communication technologies and the difficult operational conditions. This thesis work is related to ESA's program MREP and in particular to DELIAN project, an anthropomorphous robotic arm under development by Selex ES S.p.a that will be exploited is such program. High level requirements in terms of dimensions and minimum resources consumption of mass and electrical power, have implied the development of a family of lightweight robotic arms able to handle masses equal or greater than theirs own in a low gravity environment. These requirements leaded to design joints characterized by a small size electrical motor coupled with a high gear ratio ( more than 18000) in order to provide the operational forces required. The thesis work focuses on the modeling of a joint and on the implementation of a numerical model in Simulink able to well reproduce the dynamic behaviour of the system taking also into account the acting disturbances. This model has been validated through a comparison with experimental tests, once the main mechanical parameters have been identified. The work proceeded studying the main performance limitations of the control. Through a sensitivity analysis, it has been assessed which components mainly influence the first natural frequency limiting the performance of the control system. The control bandwidth limitations have been highlighted and the influence of the disturbances on the control system has been studied. Finally, two possible variations of the control scheme has been shown in order to overcome some control limitations and increase the performance.

In questi ultimi decenni, la robotica ha avuto un ampio sviluppo in molti settori, tra i quali quello dell'esplorazione spaziale. Infatti, l'esplorazione del Sistema Solare e in particolare lo studio scientifico approfondito dei corpi celesti, richiedono una sempre maggior autonomia dei robot spaziali considerando le distanze, la tecniche di comunicazione e le difficili condizioni operative in cui si trovano ad operare. Questo lavoro di tesi si inserisce nello sviluppo del programma MREP di ESA e in particolare nel progetto di DELIAN, un braccio robotico antropomorfo sviluppato da Selex ES S.p.a, che verrà impiegato in tale programma. I requisiti sempre più stringenti in termini di dimensioni, massa e consumo di potenza elettrica hanno portato alla progettazione di una famiglia di bracci robotici ultraleggeri in grado di manipolare pesi uguali o superiori al proprio in un ambiente a bassa gravità. Questi requisiti hanno condotto alla progettazione di giunti caratterizzati da un motore elettrico di piccole dimensioni, accoppiato ha un elevato rapporto di trasmissione (oltre 18000) per poter fornire le coppie necessarie. Il lavoro di tesi si è pertanto focalizzato sulla modellazione di un giunto e sull'implementazione di un suo modello numerico in Simulink in grado di riprodurre il comportamento dinamico del sistema, andando inoltre a considerare i principali disturbi in gioco. Tale modello è stato validato tramite il confronto con prove sperimentali, dopo aver identificato i principali parametri meccanici. Il lavoro è proseguito andando a studiare le principali limitazione del controllo. Attraverso un'analisi di sensibilità si sono individuati i componenti che influiscono maggiormente sulla prima frequenza di risonanza, che è limitante delle prestazioni del sistema di controllo. Si sono evidenziati i limiti delle bande di controllo e si sono studiati gli effetti dei disturbi sul controllo. Infine, sono state considerate due possibili modifiche dello schema di controllo per poterne migliorare le prestazioni.