Early-stage design and trade-off analysis of hyper-redundant space manipulators for on-orbit servicing

This thesis inspects early-stage design and trade-off analysis of hyper-redundant manipulators for on-orbit servicing, with a focus on how architecture and motion execution influence dynamic coupling with a free-floating spacecraft base. A modular simulation and optimisation toolchain is developed to support repeatable comparisons across mission scenarios and design candidates. End-effector task trajectories representative of docking, inspection, refuelling, and repair operations are generated and discretised with consistent time scaling. Two spatial inverse kinematics solvers are implemented to compute joint trajectories for generic hyper-redundant chains, including numerical safeguards for ill-conditioned Jacobians and redundancy exploitation via null-space objectives (e.g., limit avoidance, minimum motion, and reduction of base reaction moments). The joint motion is coupled with dynamics evaluation through a Recursive Newton–Euler formulation in microgravity conditions, enabling the extraction of base reaction wrench histories and trajectory-level performance metrics. Design candidates are encoded in a compact decision vector combining link‑length scaling with geometry‑based mass and inertia variables. A multi‑objective optimisation framework explores trade‑offs among manipulator mass, base disturbance, and an energy‑like effort metric through evolutionary search with optional local refinement. An additional proof-of-concept co-design study is included, showing that limited trajectory-parameter tuning can notably change disturbance metrics and should be considered with geometry in early trade-offs. To validate modelling assumptions and capture multibody effects, optimised cases are reproduced in Simscape Multibody and MSC Adams, with closed‑loop PD control tracking and cross‑tool consistency checks. The results demonstrate that the proposed framework produces coherent trends across missions and configurations, provides practical guidance for early design choices, and establishes a basis for future extensions toward higher-fidelity models and fully coupled co-design of geometry and trajectory.

Questa tesi studia la progettazione nelle fasi preliminari e l’analisi dei trade-off di manipolatori iper-ridondanti per il servizio in orbita, con particolare attenzione a come l’architettura e il moto influenzino l’accoppiamento dinamico con una base libera di muoversi. Viene sviluppata una toolchain modulare di simulazione e ottimizzazione per supportare confronti ripetibili tra diversi scenari di missione e design. Sono generate e discretizzate traiettorie dell’end-effector rappresentative di operazioni di docking, ispezione, rifornimento e riparazione. Sono implementati due risolutori di cinematica inversa per calcolare le traiettorie ai giunti di generiche catene iper-ridondanti, con salvaguardie numeriche per Jacobiani mal condizionati e uso della ridondanza tramite obiettivi nello spazio nullo. Il moto ai giunti è accoppiato con una valutazione dinamica tramite una formulazione di Newton–Euler ricorsiva in microgravità, consentendo l’estrazione temporale della wrench di reazione sulla base e di metriche di prestazione a livello di traiettoria. Le variabili di design sono racchiuse in un vettore di decisione che combina fattori di scala delle lunghezze dei link con variabili geometriche di massa e inerzia. Un framework di ottimizzazione multi‑obiettivo esplora i compromessi tra massa del manipolatore, disturbo alla base ed effort energetico, attraverso una ricerca evolutiva con affinamento locale. È inoltre inclusa una proof-of-concept di co‑design, che mostra come una limitata regolazione dei parametri di traiettoria possa modificare in modo significativo le metriche di disturbo e debba quindi essere considerata insieme alla geometria nelle analisi preliminari dei trade-off. Per validare le assunzioni e catturare gli effetti multibody, i casi ottimizzati sono riprodotti in Simscape Multibody e MSC Adams, con tracking in retroazione tramite controllo PD e verifiche trasversali di coerenza. I risultati dimostrano che il framework proposto genera risultati coerenti tra missioni e configurazioni, fornisce indicazioni utili per le scelte progettuali iniziali e costituisce una base per future estensioni verso modelli a fedeltà più elevata e un co‑design completo di geometria e traiettoria.