Impedance control design of a space robot compliant joint

DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN) is a robotic arm requested by the Robotics and Rover Technologies section of program MREP, and realized by companies guided by Leonardo s.p.a. DELIAN aims to be applied in extraterrestrial applications, particularly in the Mars sample and return program. The thesis aims to support Leonardo s.p.a. in re-designing the control law of DELIAN to obtain an impedance control. The impedance control is a hybrid control between the position and force control, which aims to impose a target relation between those variables allowing DELIAN to operate in a larger range of applications. The thesis starts with the impedance control for industrial manipulators and amplifies it to DELIAN. To do so it is necessary to create a model of the joint and approximate the transfer functions needed. Original methods for selecting the impedance gains are intro duced to maximize the performances. A stability analysis supports the controller’s study, to define the limits on the controller’s applications. Finally, the controller is simulated in the SIMULINK models of the joint.

DELIAN (DExterous LIghtweight Arm for exploratioN) è un braccio robotico voluto dalla sezione Robotics and Rover Technologies del programma MREP, e realizzato da un con sorzio di aziende europee guidato da Leonardo S.p.A. La progettazione di DELIAN è rivolta ad un impiego extraterrestre, in particolare, nel Mars sample and return program. L’obiettivo della tesi è quello di supportare Leonardo S.p.A. nella ri-progettazione del controllo di DELIAN per ottenere un controllo di impedenza. Il controllo di impedenza è un controllo ibrido tra controllo in posizione e in forza, il cui scopo è quello di imporre una relazione target tra queste due variabili. Questo tipo di controllo permette di ampliare le possibili applicazioni di DELIAN. La tesi parte dal controllo di impedenza per i manipolatori industriali e lo amplia al caso di DELIAN, per riuscirci è stato necessario creare un modello del braccio e approssimare le funzioni di trasferimento necessarie. Si sono introdotti inoltre dei metodi originali per la selezione dei guadagni di impedenza in modo da massimizare le performance. Lo studio del controllo è stato supportato da una studio di stabilità in funzione della rigidezza am bientale, in modo da definire dei limiti sulle applicazioni del controllo. Infine il controllore è stato simulato su due modelli del giunto in SIMULINK.