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

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.