Free-floating robot inertial parameter identification towards in orbit servicing

This master thesis work focuses on the inertial parameter identification of a space robot by exploiting an object of known inertial properties placed at the end-effector of the robotic arm and angular momentum conservation. On-orbit servicing tasks are becoming every day more crucial due to the exponential growth experienced by the space sector in the recent years. The accurate knowledge of the inertial parameters of a servicing platform is fundamental to accomplish complex mis- sions which require high precision. In this context the method developed in this research work, which was carried out at the DLR’s Institute of Robotics and Mechatronics in Oberpfaffenhofen (Germany), will extend the already well-covered topic of space manipulators in-orbit identification with algorithms tailored for platforms that do not have reaction wheels on board (e.g. ISS Astrobees). Besides validating the method with offline simulations, tests were performed for a free- floating robot with a 7 degrees of freedom arm on DLR’s OOS-SIM experimental facility, providing an onground validation in a close to representative environment. The identifi- cation results show that the full dynamic model of the free-floating robot can be identified with the known load at its end-effector, giving comparable results to those in the litera- ture, ready to be used in a model-based control framework.

Questo lavoro di tesi magistrale si occupa dell’identificazione dei parametri inerziali di un satellite equipaggiato con un braccio robotico, sfruttando un oggetto di proprietà inerziali note posto all’end-effector e la conservazione del momento angolare. Le operazioni da portare a termine in orbita stanno diventando ogni giorno più cruciali nella crescita esponenziale subita dal mercato spaziale negli ultimi anni. La conoscenza accurata dei parametri inerziali di una piattaforma adibita a queste operazioni è fonda- mentale per completare compiti difficili che richiedono alta precisione. In questo contesto il metodo sviluppato per questo lavoro di tesi, svolto all’Istituto di Robotica e Meccatronica del DLR di Oberpfaffenhofen (Germania), vuole estendere l’argomento già ben trattato dell’identificazione in orbita di satelliti equipaggiati con bracci robotici con algoritmi appositi per piattaforme sprovviste di ruote di reazione a bordo (come ad esempio gli Astrobee a bordo della ISS). Oltre a validare il nuovo metodo con simulazioni offline, sono stati fatti dei test su un robot flottante a sette gradi di libertà sulla piattaforma OOS-SIM del DLR, fornendo in questo modo una validazione a terra in un ambiente molto vicino a quello reale. I risultati mostrano che l’intero modello dinamico del robot flottante può essere identificato usando l’oggetto noto all’end-effector, dando risultati comparabili a quelli in letteratura, e pronti per essere usati in uno schema di controllo basato sul modello dinamico.