Dynamic model comparison of a flexible manipulator

This study explores the area of In-Orbit Servicing (IOS), which includes critical space operations such as orbital assembly, refuelling, docking, debris removal, maintenance, and system upgrades. Robotic systems have been a key component of IOS missions since the 1980s; notable examples are Japan's ISS robotic arms and the Shuttle Remote Manipulator System (Canadarm). Industry participants are concentrating on creating scalable, adaptable solutions, even though the market for IOS is still unknown because to concerns about cost-effectiveness. The main goal of this research is to develop a high-fidelity simulator that can faithfully simulate IOS mission scenarios, particularly in environments that closely resemble the distinct elastic dynamics seen in space. This study significantly improves the realism of an existing rigid dynamics simulator by incorporating elastic and viscous factors into the model. The study enables a more realistic representation of how robotic manipulators function under IOS tasks when impacted by structural deformations and oscillations by adding flexibility to the simulation. The study offers several simulator models that use various elasticity strategies, such as varying joint flexibility and damping property settings, to simulate these dynamics. Each model is developed to reflect various elastic responses, allowing the simulator to represent the range of deformations, delayed movements, and energy dissipation typical of flexible systems in orbit. These advanced models enable IOS mission planners to observe how different levels of flexibility affect the manipulator’s stability, responsiveness, and control accuracy during critical operations. The performance of each simulator model is evaluated rigorously across key criteria, such as computational efficiency, dynamic stability, and accuracy in representing IOS scenarios.

Questo studio esplora l'argomento dell'In-Orbit Servicing (IOS), che comprende operazioni spaziali fondamentali come assemblaggio orbitale, rifornimento, attracco, rimozione di detriti, manutenzione e aggiornamento dei sistemi. I sistemi robotici sono stati un componente chiave delle missioni IOS fin dagli anni '80; esempi significativi includono i bracci robotici della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) del Giappone e il Sistema di Manipolazione Remota dello Shuttle (Canadarm). Anche se il mercato per l'IOS è ancora incerto a causa delle preoccupazioni sui costi, i partecipanti del settore si stanno concentrando sulla creazione di soluzioni scalabili e adattabili. L'obiettivo principale di questa ricerca è sviluppare un simulatore ad alta fedeltà in grado di riprodurre fedelmente gli scenari di missioni IOS, in particolare in ambienti che rispecchiano le particolari dinamiche elastiche presenti nello spazio. Questo studio migliora significativamente il realismo di un simulatore di dinamica rigida esistente, integrando nel modello fattori elastici e viscosi. Aggiungendo la flessibilità al simulatore, lo studio consente una rappresentazione più realistica del funzionamento dei manipolatori robotici nelle attività IOS, influenzato da deformazioni strutturali e oscillazioni. Lo studio propone diversi modelli di simulatori, che utilizzano varie strategie di elasticità, come l'impostazione della flessibilità dei giunti e delle proprietà di smorzamento variabili, per simulare queste dinamiche. Ogni modello è progettato per riflettere diverse risposte elastiche, permettendo al simulatore di rappresentare l'intervallo di deformazioni, movimenti ritardati e dissipazione energetica tipici dei sistemi flessibili in orbita. Questi modelli avanzati consentono ai pianificatori di missioni IOS di osservare come differenti livelli di flessibilità influiscano sulla stabilità, reattività e accuratezza del controllo del manipolatore durante operazioni critiche. Le prestazioni di ciascun modello di simulatore sono valutate rigorosamente in base a criteri chiave, come efficienza computazionale, stabilità dinamica e accuratezza nella rappresentazione degli scenari IOS.