Modellazione e simulazione del braccio spaziale leggero DELIAN

In space, mechatronics and robotics have an indispensable importance due to the impossibility for man to intervene directly in most operational situations: different types of robotic arms are in fact used, for example, on board rovers employed in 'planetary exploration, or on-board satellites, to make orbit connections. This dissertation is part of the development of the Dexterous Lightweight Arm for Exploration (DELIAN) project, a family of robotic anthropomorphic arms developed by Leonardo-Finmeccanica. All of DELIAN's different applications are combined with very stringent basic requirements in terms of size, mass and power consumption. These requirements led to the design of particular joints, each one equipped with a small size electric motor capable of reaching high rotational speeds (up to 18,000 rpm) coupled to the load by a significant ratio transmission (over 18,000), resulting in inertia ratios much lower than the unit, therefore strong limitations for the control band. The following thesis work has the purpose to integrate the characterization work of the single joint discussed in previous thesis work into the modeling and control of the full arm, so it will begin by presenting the previous work done in the Matlab / Simulink® environment with regard to the control part and the dynamics of motors, transmissions and sensors, and in the Modelica environment, in which the remaining physical components of the arm were realized such as inertia of joints, flanges, connections and end-effectors. Then the code used to connect these two modeling environments will be presented, with the aim to make the simulation smoother and to overcome the need to use a commercial license. Finally, the Simulink blocks needed to generate the end-effector trajectory will be implemented, which, combined with the arm kinematic inversion, will produce the joints position setpoints, thus closing the problem.

In ambito spaziale la meccatronica e la robotica hanno un’importanza imprescindibile, dovuta all’impossibilità per l’uomo di intervenire direttamente nella gran parte delle situazioni operative: diverse tipologie di arti robotici trovano infatti applicazione, ad esempio, a bordo di rover impiegati nell’esplorazione planetaria, oppure a bordo di satelliti, per realizzare collegamenti in orbita. Questo lavoro di tesi si inserisce nello sviluppo del progetto di DELIAN (Dexterous Lightweight Arm for Exploration), una famiglia di bracci robotici antropomorfi, sviluppato da Leonardo-Finmeccanica. Tutte le diversificate applicazioni di DELIAN sono accomunate da requisiti di base molto stringenti in termini di dimensioni, massa e consumo di potenza elettrica. Questi requisiti hanno condotto alla progettazione di giunti attuati ognuno da un motore elettrico di dimensioni contenute, capace di raggiungere elevate velocità di rotazione (fino a 18000 rpm), accoppiato al carico mediante una trasmissione dal rapporto considerevole (oltre 18000), comportando rapporti di inerzia molto inferiori all’unità, dunque forti limitazioni per la banda di controllo. Il seguente lavoro di tesi vuole integrare nella modellazione e nel controllo del braccio completo il lavoro di caratterizzazione del singolo giunto trattato in lavori di tesi precedenti, perciò si inizierà presentando il lavoro pregresso realizzato in ambiente Matlab/Simulink® per quanto riguarda la parte di controllo e la dinamica di motori, trasmissioni e sensori, ed in ambiente Modelica, in cui sono state realizzate le restanti componenti fisiche del braccio quali inerzie dei giunti, flange, collegamenti ed end effector. In seguito verrà illustrato il codice necessario a far dialogare in maniera più diretta questi due ambienti, in modo da rendere più fluida la simulazione e superare la necessità di fare uso di una licenza commerciale. Infine verranno implementati i blocchi Simulink necessari alla generazione della traiettoria dell’end effector, che, combinata con l’inversione della cinematica del braccio, produrrà i setpoints di posizione dei giunti, chiudendo così il problema.