Modellazione, simulazione e studio preliminare del controllo dei giunti del robot spaziale leggero DELIAN

Robotic technology has been always widely used in space exploration. The communication technologies, the distances and times involved in the exploration of the solar system imply the need to provide robots with high degree of autonomy and reliability. As well as high precision and reliability exigences, low weight and small dimentions requirements have to be complied. The problem in analysis is thus characterized by reduction rates at the joints on the order of 10.000 and by lightweight links with not entirely negligible flexibility, aspects that introduce peculiarities, such as important friction couples. The aim of this thesis work is to build a robust model of the joints of the anthropomorphic robotic arm DELIAN, a family of robots designed for ExoMars mission of ESA. After having experimentally verified the builded models, the possible limitations of the control system have been studied. The work was accomplished by the construction of suitably simplified models in Matlab, Simulink, and Simmechanics, in order to properly characterize the mechanical properties of the system and draw conclusions about the robot dynamic behavior. In this way a basis for a future optimal calibration of DELIAN control system has been provided, in order to obtain high system accuracy and repeatability.

L’esplorazione spaziale è un settore scientifico nel quale la tecnologia robotica vede un largo impiego. Le tecniche di comunicazione, le distanze e i tempi in gioco nell’esplorazione del sistema solare implicano la necessità di dotare i robot spaziali di un forte grado di autonomia e affidabilità. In questo lavoro di tesi si è costruito un modello dei giunti del braccio robotico antropomorfo spaziale DELIAN, una famiglia di robot progettata per la missione ExoMars di ESA. Oltre alle esigenze di elevata precisione e affidabilità, devono essere rispettati requisiti stretti di contenimento del peso e delle dimensioni. Il problema è pertanto caratterizzato da rapporti di trasmissione ai giunti dell’ordine di 10.000 e presenta link leggeri con cedevolezza non trascurabile, caratteristiche che introducono peculiarità quali, ad esempio, l’aumento delle coppie d’attrito in gioco. Dopo aver verificato sperimentalmente i modelli costruiti, includendo una modellizzazione analitica dell’elevata cedevolezza strutturale tanto dei giunti, quanto dei link del robot, sono state studiate le possibili limitazioni del sistema di controllo. Il lavoro si è compiuto mediante la costruzione di modelli in Matlab, Simulink e Simmechanics opportunamente semplificati, al fine di caratterizzare in maniera affidabile le proprietà meccaniche del sistema in analisi e dedurre conclusioni obiettive in merito al comportamento dinamico del robot. In questo modo è stata fornita una base per una calibrazione operativa ottimale del sistema di controllo, che permetta di ottenere elevate prestazioni di accuratezza e ripetibilità.