Design of an impedance control for a lunar robotic arm

The Moon is a difficult place to reach, where living and working is challenging. The ambitious Japanese space program Moonshot 2050 final goal is to create a stable human settlement on the Moon. A stable human settlement requires a larger number of astronauts to perform all the needed tasks to permit the people to live on the Moon surface. Sending a large number of astronauts on the lunar surface is dangerous, difficult and expensive. It would be more convenient to increase the safety, the efficiency, the flexibility and the range of activities of a smaller number of astronauts working on the Moon. A robotic arm would help in achieving such goals and would help the astronauts in accomplishing their tasks. The human’s safety and the risk of damaging a component manipulated by the arm or the arm due to an arm incorrect programming would be still real. A collaborative manipulator would be a better solution to achieve all the mentioned properties and not break neither the component nor the arm. A control architecture permitting to implement a collaborative behaviour is the impedance control. The objective of this thesis is the design of a positional impedance control for the arm. The arm inertial parameters are experimentally estimated and they are used to define the dynamic model of the manipulator. The dynamic model is validated through a comparison between a simulation of the arm dynamic behaviour and the real arm dynamic behaviour. The dynamic model is used in the implementation of the impedance control, which is partially tested, and the tests show the good control system performance.

La Luna è un luogo difficile da raggiungere, dove vivere ed operare è impegnativo. L’obiettivo finale dell’ambizioso programma spaziale giapponese "Moonshot 2050" è di creare un insediamento umano stabile sulla Luna, il quale richiede un maggior numero di astronauti per svolgere tutte le mansioni necessarie alle persone per vivere sulla superficie lunare. Invece di inviare un maggior numero di astronauti sulla superficie lunare, che risulterebbe essere pericoloso, difficile e costoso, sarebbe conveniente aumentare la sicurezza, l’efficienza, la flessibilità e la gamma di attività di un numero minore di astronauti operenanti sulla Luna. Un braccio robotico permetterebbe di raggiungere questi obiettivi e potrebbe aiutare gli astronauti a svolgere i loro compiti. La sicurezza dell’uomo e il rischio di rompere un componente manipolato dal braccio o il braccio stesso, a causa di una programmazione errata del braccio, rimarrebbero però reali. Un manipolatore collaborativo sarebbe una soluzione migliore per raggiungere le proprietà menzionate e non rompere né il componente, né il braccio. Un’architettura di controllo che permette di implementare un comportamento collaborativo è il controllo di impedenza. L’obiettivo di questa tesi è la progettazione di un controllo di impedenza posizionale per il braccio robotico. I parametri inerziali del braccio sono stimati sperimentalmente e sono utilizzati per definire il modello dinamico del manipolatore, che è validato attraverso un confronto tra una simulazione del comportamento dinamico del braccio e il comportamento dinamico del braccio reale. Il modello dinamico viene utilizzato nell’implementazione del controllo di impedenza, che viene parzialmente testato, e i test dimostrano le prestazioni del sistema di controllo.