Contact dynamics for non-collaborative object capture

Space robotics is considered one of the most promising approaches for Active Debris Removal (ADR) and on-orbit servicing (OSS) missions, currently hot topics in space research due to both the high density of debris in most populated near Earth orbits and the refueling requirements to extend the end-of-life of satellite operations. The challenges to be faced are various and range from Guidance, Navigation and Control (GNC) up to capture technologies and de-orbiting strategies required to reduce the in-orbit collision probability with other objects. Furthermore, all previous technology demonstration mission is designed to remove or service cooperative targets only. Among several approaches available, in this work the robotic capture is analyzed and peculiar attention is devoted to the contact dynamics resolution between the end-effector of a robotic arm and the launch adapter of a tumbling Target vehicle in order to propose a numerical model to be then validated in a relevant environment (parabolic flights and air bearing facilities). A collision detection and a contact algorithm is been developed between rigid bodies and validated in the peculiar known in-orbit scenario. Finally, an experimental roadmap is proposed to perform the grasping operations and validate the simulation developed by the means of tuning model coefficients. Software architecture, model validation and criticalities are all detailed in this work.

La robotica spaziale è considerata uno degli approcci più promettenti per le missioni di rimozione attiva dei detriti (ADR) e la riparazione dei satelliti in orbita (OOS), attualmente temi caldi nella ricerca in ambito spaziale a causa sia dell'alta densità di detriti nelle orbite più popolate vicino la Terra, sia per le necessità di rifornimento o manutenzione necessarie per estendere la fine della missione di un satellite. Le sfide da affrontare sono diverse e spaziano dalla guida, navigazione e controllo (GNC) fino alle tecnologie di cattura e alle strategie di allonamento e messa in sicurezza del satellite, necessarie per ridurre la probabilità di collisione in orbita con altri oggetti. Inoltre, tutte le precedenti missioni di dimostrazione tecnologica sono state progettate per rimuovere o mantenere in orbita solo satelliti controllati. Tra i vari approcci disponibili, in questo lavoro viene analizzata la cattura robotica e viene dedicata una particolare attenzione al fenomeno della dinamica del contatto tra l'estensore finale di un braccio robotico e l'adattatore di lancio di un satellite da rimuovere, allo scopo di proporre un modello numerico pronto per essere validato in un ambiente rilevante (voli parabolici e tavoli a basso attrito). È stato sviluppato un algoritmo di collisione e di contatto tra corpi rigidi, validato in specifci scenarii orbitali noti. Infine, si propone una roadmap sperimentale per eseguire le operazioni di cattura e convalidare la simulazione sviluppata attraverso i coefficienti sperimentali del modello. L'architettura del software, la validazione del modello e le criticità sono tutte dettagliate in questo lavoro.