Base Reaction Control of Space Manipulators

In questa tesi è presentato un lavoro di ricerca sulla dinamica ed il controllo di bracci robotici per applicazioni spaziali. In particolare, sono proposti dei principi di controllo cinematico adatti all'inseguimento di traiettorie nello spazio operativo del manipolatore in condizioni di ridondanza cinematica, le quali sono tipicamente disponibili negli attuali sistemi robotici spaziali. Caratteristica meccanica peculiare delle applicazioni di robotica orbitale è l'accoppiamento dinamico che si verifica tra il moto del braccio ed il moto della piattaforma satellitare sulla quale è montato, dovuto agli scambi di azione e reazione che i due sottosistemi si scambiano tra di loro ed alla natura non-olonomica del sistema. Tale accoppiamento è causa di disturbi dinamici esercitati dal manipolatore in fase di operazione, che è necessario controllare in modo da ottemperare sia ai requisiti di puntamento del satellite per quanto riguarda le comunicazioni, la strumentazione di bordo, e l'orientazione dei pannelli solari, sia alle restrizioni sui disturbi di accelerazione impartiti alla piattaforma, che in particolare possono essere imposte durante attività sperimentali in microgravità a bordo della stazione spaziale. Obiettivo fondamentale degli schemi di controllo cinematico sviluppati in questo lavoro, è quello di realizzare una ottimizzazione delle possibili traiettorie di giunto che comandano il movimento del braccio, in modo da minimizzare il disturbo dinamico esercitato sulla piattaforma, reso possibile attraverso la coordinazione dei movimenti interni del braccio, i quali compensino le variazioni di momento che si producono in questo durante l'inseguimento di traiettoria. Formulazioni originali di controllo delle reazioni sono presentate ed analizzate, attraverso il supporto matematico dei metodi ai minimi quadrati vincolati, mentre il controllo cinematico è risolto al livello delle accelerazioni di giunto, in modo da poter esprimere in maniera efficace le grandezze cinematiche e dinamiche coinvolte. I principi proposti si rivelano adatti per l'implementazione in tempo reale in applicazioni spaziali, grazie all'impostazione dei problemi in forma locale ed alla possibilità di utilizzo di algoritmi numerici stabili e consolidati. L'analisi e la validazione delle leggi proposte è stata effettuata attraverso prove sperimentali su un manipolatore planare sperimentale a tre gradi di libertà, sospeso su cuscinetti d'aria in modo da simulare l'ambiente di microgravità, con il quale sono state effettuate prove di inseguimento con misure dinamiche dei disturbi di reazione. L'analisi sperimentale è accompagnata dallo sviluppo di un ambiente di simulazione, il quale riproduce le caratteristiche geometriche ed inerziali del robot sperimentale. Le prestazioni delle leggi di controllo sono state valutate sia per le condizioni di vincolo a base fissa, che di base libera, ed in quest'ultimo caso sono state effettuate valutazioni rispetto all'influenza dei parametri inerziali coinvolti. Una parte indipendente del lavoro, riguarda infine l'applicazione di metodi di ottimizzazione per il controllo delle forze di adesione, adatti al controllo di robot arrampicatori, i quali sfruttano l'utilizzo di sistemi di adesione secca in modo da aumentare l'aderenza alla superficie. I principi di controllo sono testati attraverso un simulatore ed i risultati validati in un robot prototipo sperimentale.