Coordinated compliant control for the planar capture of a tumbling target by a free-flying space manipulator

Growing awareness around a more sustainable use of the space environment has encouraged the research on alternative solutions to ExtraVehicular Activities (EVAs) for On-Orbit Servicing. Within this context, autonomous space robots have emerged as a promising technology for capturing and manipulating malfunctioning satellites. Unlike their terrestrial counterparts, these robots face the unique challenge of managing the dynamic coupling between the base spacecraft and their robotic arms. Due to this specific property, space manipulators may necessitate a coordinated control system capable of regulating both the spacecraft's attitude and the position of the end effectors. This requirement becomes especially crucial when attempting to capture tumbling satellites, as this operation requires the actuation of the base to synchronize the rotation of the serviced satellite and the space robot. In this thesis, a trade-off between existing capture strategies is carried out to define the control problem. Subsequently, the primary focus of this work centers on the design and implementation of a coordinated compliant control system to capture a non-collaborative target. The objective is to achieve stable in-plane grasping of a tumbling satellite using two hemispherical claws as end effectors, starting from an initial offset of the two contact points.

L'aumento della consapevolezza riguardo all'importanza di un utilizzo più sostenibile dell'ambiente spaziale ha stimolato la ricerca di soluzioni alternative alle attività extraveicolari per i servizi in orbita. In questo contesto, i manipolatori spaziali autonomi sono emersi come una tecnologia promettente per la cattura e la manipolazione di satelliti guasti. A differenza dei loro omologhi terrestri, questi robot affrontano la sfida unica di gestire l'accoppiamento dinamico tra la base del veicolo spaziale e i loro bracci robotici. A causa di questa caratteristica, i manipolatori spaziali potrebbero necessitare di un sistema di controllo coordinato in grado di regolare sia l'assetto del veicolo spaziale che la posizione degli effettori finali. Questo bisogno diventa particolarmente critico quando si tenta di catturare satelliti rotanti, poiché questa operazione richiede l'attuazione della base per sincronizzare la rotazione del satellite e del robot spaziale. In questa tesi, viene prima condotto un confronto tra le strategie di cattura esistenti per definire il problema di controllo. Successivamente, il focus principale di questo lavoro è la progettazione ed implementazione di un sistema di controllo flessibile e coordinato per catturare un bersaglio non collaborativo. L'obiettivo è ottenere una presa stabile nel piano di un satellite in rotazione utilizzando due grinfie emisferiche come effettori finali, partendo da un disallineamento iniziale dei due punti di contatto.