Modelling and control of a robotic arm flight model for Mars sample return mission

The exploration of Mars has always sparked a particular interest. The possibility to take samples to be analyzed on Earth has become plausible only in our days. This is the aim of the Mars Sample Return mission. To do this, it is necessary to implement robotic manipulators, designed to simulate a human arm, allowing the use of different kinds of tools. The DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN) is a robotic arm requested by the Robotics and Rover Technologies section of the MREP program, launched by ESA, and developed by a consortium of European companies led by Leonardo S.p.A. The peculiarity that distinguishes it from manipulators used in the industrial sector is its structural lightness. This results in a high overall flexibility, which affects the performances of the positioning and control. The thesis aim is to support Leonardo S.p.A. in the re-designing of the engineering model (DELIAN) to obtain a flight model able to operate on Mars. Due to the criticality of this new environment, which in particular requires the use of electronic components resistant to radiation and of limited performance, compared to those for industrial use, it was necessary to review the current project to highlight problems and obtain improvements for the mission Mars Sample Return. The first part of the thesis focuses on the modelling of the single joint and the analysis and design of the related speed and position controller. A linear model was considered to develop this control. The system nonlinearities were introduced to evaluate the control limits. In the second part, the complete arm was modelled to highlight the interactions between the various joints and the behaviour of the robot in conditions of Martian gravity. The mechanical model has been developed in Dymola, then exported into an FMU (Functional Mockup Unit) file, in order to be imported into Simulink. In this way it was possible to verify the behaviour studied on the single joint and underline the effects of the compliance of the main elements on the positioning performance of the robot. The accurate modelling and analysis of the joint behaviour have also allowed to highlight the mechanical and control limits of DELIAN, and, indirectly, to provide indications on the mechanical and structural design choices necessary to overcome them. Furthermore, the position and speed control of the robotic joints of the Delian flight model have been analyzed and designed, also outlining a design methodology that will allow in the final tuning phase to find an optimal compromise between tracking performance, on the motor side, and the tendency of the arm to oscillate.

L’esplorazione di Marte ha suscitato sempre particolare interesse. La possibilità di prelevare dei campioni da analizzare sulla Terra è diventata possibile solo ai giorni nostri. Questo è lo scopo della missione Mars Sample Return. Per far ciò è necessaria l’implementazione di manipolatori robotici, atti a emulare un braccio umano, che consentano l’uso di utensili di diversa natura. Il DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN) è un braccio robotico che è stato voluto dalla sezione Robotics and Rover Technologies del programma MREP, lanciato dall’ESA, e realizzato da un consorzio di aziende europee guidato da Leonardo S.p.A. La peculiarità che lo contraddistingue dai manipolatori utilizzati nel settore industriale è la leggerezza strutturale. Da ciò ne consegue un’alta cedevolezza complessiva, che influisce negativamente sulle performance di posizionamento e di controllo. L’obiettivo della tesi è quello di supportare Leonardo S.p.A. nella ri-progettazione del modello ingegneristico (DELIAN) per ottenere un modello di volo in grado di operare sul suolo marziano. Data la criticità delle condizioni ambientali, che in particolare obbligano ad utilizzare componenti elettronici resistenti alle radiazioni e dalle prestazioni molto limitate, rispetto a quelli di impiego industriale, è stato necessario rivedere l’attuale progetto per evidenziare problematiche e ottenere spunti di miglioramento per la missione Mars Sample Return. La prima parte della tesi si concentra sulla modellizzazione del singolo giunto e sull’analisi e progetto del relativo controllore di velocità e posizione. Per sviluppare tale controllo è stato preso in considerazione un modello lineare. Successivamente sono state introdotte le non linearità del sistema, al fine di valutare i limiti di controllo. Nella seconda parte è stato modellizzato il braccio completo, al fine di mettere in evidenza le interazioni tra i vari giunti e il comportamento del robot in condizioni di gravità marziana. Il modello meccanico è stato sviluppato in Dymola, poi esportato in un file FMU (Functional Mockup Unit), al fine di importarlo in Simulink. In questa maniera, è stato possibile verificare il comportamento studiato nel singolo giunto e sottolineare gli effetti della cedevolezza degli elementi principali sulle prestazioni di posizionamento del robot. L’accurata modellizzazione ed analisi del comportamento del giunto ha permesso inoltre di evidenziare i limiti meccanici e di controllo di DELIAN, e, anche, di fornire indicazioni sulle scelte di progetto meccanico e strutturale necessarie per superarli. Inoltre, è stato analizzato e progettato il controllo di posizione e velocità dei giunti robotici del modello di volo di DELIAN, delineando altresì una metodologia di progetto che permetterà, in fase di messa a punto finale, di trovare un compromesso ottimale tra prestazioni di tracking lato motore e la tendenza ad oscillare del braccio.