Design of a robotic arm for laboratory simulations of spacecraft proximity navigation and docking

The increasing number of human objects in space has laid the foundation of a novel class of orbital missions for servicing and maintenance. The main goal of this thesis is the development, building and testing of a robotic manipulator for the simulation of orbital maneuvers, with particular attention to Active Debris Removal (ADR) and On-Orbit Servicing (OOS). There are currently very few ways to reproduce microgravity in a non-orbital environment: among the main techniques, it is worth mentioning parabolic flights, pool simulations and robotic facilities. Parabolic flights allow to reproduce orbital conditions quite faithfully, but simulation conditions are very constraining. Pool simulations, on the other hand, have fewer constrictions in terms of cost, but the drag induced by the water negatively affects the simulated microgravity. Robotic facilities, finally, permit to reproduce indirectly (that is, with an appropriate control system) the physics of microgravity. State of the art on 3D robotic simulations is nowadays limited to industrial robots facilities, that bear conspicuous costs, both in terms of hardware and maintenance. This project proposes a viable alternative to these costly structures. Through dedicated algorithms, the system is able to compute in real time the consequences of these contacts in terms of trajectory modifications, which are then fed to the hardware in the loop (HIL) control system. Moreover, the governing software can be commanded to perform active maneuvers and relocations: as a consequence, the manipulator can be used as the testing bench not only for orbital servicing operations but also for attitude control systems, providing a faithful, real-time simulation of the zero-gravity behavior. Furthermore, with the aid of dynamic scaling laws, the potentialities of the facility can be exponentially increased: the simulation environment is not longer bounded to be as big as the robot workspace, but could be several orders of magnitude bigger, allowing for the reproduction of otherwise preposterous scenarios. The thesis describes the detailed mechanical design of the facility, corroborated by structural modeling, static and vibrational finite element verification. A strategy for the simulation of impedance-matched contacts is presented and an analytical control analysis defines the set of allowable inertial properties of the simulated entities. Focusing on the simulation scenarios, an innovative information theoretic approach for simultaneous localization and docking has been designed and applied for the first time to a 3D rendezvous scenario. Finally, in order to instrument the facility’s end effector with a consistent sensor suite, the design and manufacturing of an innovative Sun sensor is proposed.

Il crescente numero di oggetti umani nello spazio ha posto le basi per una nuova classe di missioni orbitali per l'assistenza e la manutenzione. L'obiettivo principale di questa tesi è lo sviluppo, la costruzione e la verifica sperimentale di un manipolatore robotico per la simulazione di manovre orbitali, con particolare attenzione alla rimozione di detriti (ADR) e la manutenzione in orbita (OOS). Allo stato dell'arte, sono poche le modalità utilizzate per la riproduzione della microgravità in un ambiente non-orbitale: fra le tecniche principali, vale la pena ricordare voli parabolici, simulazioni in piscina e simulatori robotici. I voli parabolici consentono di riprodurre le condizioni orbitali abbastanza fedelmente, ma le condizioni di simulazione sono pesantemente vincolanti. Le simulazioni in piscina, d'altra parte, hanno meno costrizioni in termini di costo, ma la resistenza indotta dall'acqua influisce negativamente sulla qualità della microgravità simulata. Gli impianti robotizzati, infine, permettono di riprodurre indirettamente (cioè attraverso un adeguato sistema di controllo) la fisica della microgravità. Lo stato dell'arte sulle simulazioni robotiche 3D è oggi limitato a robot industriali, caratterizzati da notevoli costi sia in termini di hardware che di manutenzione. Questo progetto propone un'alternativa a queste strutture: attraverso algoritmi dedicati, il sistema è in grado di calcolare in tempo reale le conseguenze dei contatti tramite le opportune modifiche alla traiettoria, che vengono poi fornite al sistema di controllo "hardware in the loop" (HIL). Inoltre, il software può essere comandato per eseguire manovre attive e di "relocation": di conseguenza, il manipolatore può essere utilizzato come test-bed non solo per operazioni di manutenzione orbitale, ma anche per sistemi di controllo di assetto, fornendo una fedele simulazione in tempo reale del rispettivo comportamento in assenza di gravità. La tesi descrive la progettazione meccanica dettagliata della struttura, corroborata dalla rispettiva modellazione strutturale, e dalla verifica agli elementi finiti delle prestazioni statiche e vibrazionali. Viene successivamente presentata una strategia per la simulazione di contatti tramite il matching tra le impedenze e un controllore dedicato definisce l'insieme delle proprietà inerziali simulabili tramite la struttura. Concentrandosi sugli scenari di simulazione, viene poi presentato un innovativo approccio SLAM (simultaneous localization and mapping) che utilizza metodi stocastici per il design di traiettorie di ispezione e riconoscimento markers applicato ad un task di rendez-vous 3D. Infine, con l'obiettivo di fornire una sensor-suite capace di stimare in real-time l'assetto dell'end-effector, viene descritto un innovativo sensore di Sole miniaturizzato. Ne vengono discusse la progettazione e la fabbricazione, corroborate dalle necessarie verifiche sperimentali.