Modelling, validation and control of Delian flexible manipulator

In the last decades, the number of missions aiming to the space exploration has been growing dramatically. In particular, the study of the Martian environment has become of primary interest after the recent discovery of liquid water on the planet. In this context, many innovative technologies and applications have been developed, including the implementation of particular robotic arms to be mounted on the exploration rovers. The peculiarity of these manipulators is the light weight which meets the stringent limitations of space applications. In this scenario, DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN) project belongs to the theme of Robotics and Rover Technologies of the MREP program, launched by ESA. The adoption of ultralight manipulators offers several positive aspects in contrast to the heavy traditional robots. Generally, the use of lightweight robots leads to faster system response, lower energy consumption, smaller actuators and lower mass and costs. However, some issue is introduced by the flexibility of these systems as vibrations and low positioning accuracy. It is not easy to properly represent the end-effector oscillations introduced by the low structural stiffness of the flexible systems. This thesis work aims to provide an accurate model of the Delian lightweight robot taking into account the extremely high gear ratio (from 21750 to 44340) of the compliant joints and links flexibility, which is represented by exploiting the classic Newton-Euler formulation to compute the dynamics in a numerically efficient way. Implemented the Delian flexible model, the second part of the thesis is dedicated to the identification of the model parameters. A Least Square procedure designed to accurately estimate all the joint parameters is proposed and applied. The accuracy of the simulation model is verified through a validation stage based on experimental results. Starting form the validated model, some interesting tests concerning the flexibility of each elastic component are carried out, highlighting how the links stiffness mostly affects the total flexibility of the system. Finally, besides the description and Simulink implementation of the real decentralized controller used in the experimental tests, a Wave-Based control is implemented on the model. This innovative control technique is developed exactly with the aim to remove the residual vibration at the end-effector of flexible manipulators. To conclude, a new version of the classical algorithm is introduced by the authors, resulting more effective than the original one in the reported application case since substantial improvements are achieved in terms of vibrations reduction and response time.

Negli ultimi decenni, il numero di missioni finalizzate all'esplorazione dello spazio è aumentato sensibilmente. In particolare, lo studio del territorio Marziano è diventato di primario interesse in seguito alla recente scoperta di acqua allo stato liquido al di sotto della superficie del pianeta. In questo contesto sono state sviluppate numerose tecnologie e applicazioni innovative, tra cui l'implementazione di particolari bracci robotici da montare a bordo dei rover esplorativi. La peculiarità di questi manipolatori risulta essere la leggerezza della struttura, dovuta alle stringenti limitazioni che caratterizzano le applicazioni spaziali. In questo scenario si inserisce il progetto DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN), che nasce dalla sezione Robotics and Rover Technologies del programma MREP, lanciato dall'ESA. L'adozione di manipolatori ultraleggeri comporta diversi benefici rispetto all'utilizzo dei pesanti robot tradizionali. Generalmente, i manipolatori ultraleggeri risultano vantaggiosi in termini di velocità di risposta, diminuzione delle dimensioni degli attuatori, riduzione complessiva della massa del sistema, che si traduce in minor consumo di energia e contenimento dei costi. D'altra parte, la flessibilità del sistema introduce problemi relativi alla vibrazione del robot e dunque alla accuratezza di posizionamento. Inoltre, risulta complesso rappresentare con precisione le oscillazioni rilevate all'end-effector dovute alla bassa rigidezza del sistema. Questo lavoro di tesi mira alla implementazione di un modello accurato del manipolatore ultraleggero Delian, considerando i valori estremamente alti (da 21750 a 44340) dei rapporti di riduzione dei giunti elastici oltre alla flessibilità dei link. Questa viene descritta sfruttando la formulazione classica del metodo Newton-Eulero per il calcolo delle dinamiche in una maniera numericamente efficiente. Implementato il modello flessibile di Delian, la seconda parte dell'elaborato è dedicata alla identificazione dei parametri del sistema. Per una precisa stima dei parametri di giunto, viene proposta e implementata una procedura di identificazione ai minimi quadrati. L'accuratezza del modello flessibile è in seguito verificata attraverso una sessione di validazione basata su risultati ottenuti tramite le prove sperimentali. Partendo dal modello validato, possono essere effettuati alcuni interessanti test relativi alla flessibilità di ciascun componente elastico, evidenziando come a influire maggiormente sulla flessibilità totale del sistema sia la rigidezza dei due link. Infine, oltre a fornire una descrizione e un'implementazione Simulink del controllo decentralizzato impiegato nelle prove sperimentali, una regolazione Wave-Based viene introdotta nel modello. Questa innovativa tecnica di controllo è sviluppata con lo scopo di eliminare le vibrazioni sull'end-effector dei manipolatori flessibili. Per concludere, gli autori presentano una nuova versione dello stesso algoritmo che introduce nel caso in analisi sostanziali miglioramenti in termini di riduzione delle vibrazioni e tempo di risposta del sistema.