A new index-based approach for the preliminary design of robotic manipulators for space applications

In their long and successful history in space missions, robotic arms have often been designed with an architecture similar to a human arm. This was done mainly in order to increase the familiarity between the system and its teleoperator, easing operations and control, but also because the architecture of a human arm has well know characteristics and is fairly simple. However, modern advancements in robotics and automation are pushing towards the development of more sophisticated and autonomous manipulators and the human space infrastructure is growing, with a consequent increase in operations needed to maintain it. For this two reasons, also the design of robotic manipulators for space use is moving towards more autonomous systems and, without the need for them to be teleoperated, the main reason for making them similar to human arms falls and there is the need to find a new design methodology capable of producing an architecture that is optimized for its mission. In this work, a new approach for the design of fixed-base and floating-base manipulators for use in space is proposed, which involves a semi-automatic index-based method and can act as the first step of the entire design process. After some theoretical background is provided about fixed-base and floating-base manipulators, a collection of performance indices is introduced, covering different aspects of a robotic arm. The framework of the approach is then presented as a two-step framework. The first step sees the creation of an optimization problem using previously selected performance metrics, whose solution leads to a set of optimized architectures, while the second step involves the selection of a final solution between them and its analysis using again performance indices, in order to quantify its strengths and weaknesses and drive next stages of the design. To demonstrate its feasibility and potentiality, the approach is finally applied to two case studies: the design of a manipulator for a space station and the design of a robotic arm for in-orbit servicing.

Nel loro lungo e affermato utilizzo in missioni spaziali, molti manipolatori robotici sono spesso stati progettati partendo dall'architettura di un braccio umano. Ciò è stato fatto principalmente per far sì che gli operatori avessero più familiarità col sistema, migliorando capacità operative e di controllo, ma anche perché l'architettura di un braccio umano ha caratteristiche ben note ed è semplice. Progressi nel campo della robotica e dell'automazione stanno però spingendo verso lo sviluppo di manipolatori sempre più complessi e autonomi e, nel mentre, l'infrastruttura spaziale umana sta crescendo, con un conseguente aumento del numero di operazioni necessarie per manutenerla. Per questo, la progettazione di manipolatori robotici per uso spaziale si sta muovendo verso la realizzazione di sistemi autonomi e, senza la necessità di operatori umani, la ragione principale che giustifica la costruzione di bracci robotici simili a braccia umane non è più valida e vi è la necessità di trovare un nuovo metodo di progettazione capace di produrre una architettura ottimizzata rispetto alla sua missione. In questa tesi viene proposto un nuovo approccio di progettazione per manipolatori robotici a base fissa e mobile che prevede una procedura semi-automatica, basata su indici di merito, utilizzabile nelle prime fasi del progetto. Dopo aver introdotto alcune nozioni teoriche di robotica, viene presentata una collezione di indici, i quali quantificano diversi aspetti di un manipolatore. La struttura del metodo è quindi presentata nei suoi due stadi. Il primo prevede la creazione di un problema di ottimizzazione usando indici di merito, la cui soluzione permette di ottenere un insieme di architetture ottimizzate per la missione, mentre il secondo stadio prevede la selezione di una soluzione finale e la sua analisi usando sempre indici di merito, atta a quantificarne i punti di forza e debolezza e a guidare le successive fasi di design. Per dimostrarne la fattibilità e le potenzialità, il metodo è infine applicato a due casi studio: la progettazione di un manipolatore robotico per una stazione spaziale e la progettazione di un braccio robotico per manutenzione in orbita.