Innovative technologies for the actuation of space manipulators

In questo lavoro si studiano tecnologie innovative per l'attuazione di sistemi robotici spaziali come possibili alternative ai motori elettrici tradizionali. Le attività di ricerca si sono focalizzate su attuatori ad elastomeri dielettrici (Dielectric Elastomer Actuators - DEA) a doppio cono. I risultati più importanti che si sono ottenuti sono modelli numerici per la predizione delle prestazioni statiche e dinamiche dei dipositivi citati e la validazione sperimentale sia dei singoli attuatori che di un prototipo di braccio robotico. L'obbiettivo generale della tesi è di valutare tecnologie innovative per attuatori robotici spaziali; il principale prodotto della ricerca è la prova di fattibilità di un sistema robotico spaziale basato su dispositivi a basso TRL (Technology Readiness Level). Questo fine è raggiunto dal compimento di due obbiettivi secondari: - sviluppo di modelli per la predizione delle prestazioni dell'attuatore e di strumenti matematici per il dimensionamento dello stesso; - valutazione sperimentale del prototipo di un manipulatore in ambiente di laboratorio. La motivazione alla base del lavoro deriva dall'ampio interesse per la robotica dimostrato recentemente dalla comunità scientifica del settore spaziale. Una grande varietà di missioni spaziali beneficia dall'implementazione di sistemi automatici per la riduzione di rischi, costi, ritardi ed errori derivanti dall'interazione umana (i.e. astronauti e operatori da terra) con veicoli e strutture spaziali. Le missioni di On-Orbit Servicing (OOS), in particolare, sono basate su veicoli robotici di servizio che eseguono compiti complessi su oggetti orbitanti consentendo la realizzazione di scenari senza precedenti. Il futuro sfruttamento efficiente ed efficace dello spazio dipende fortemente dallo sviluppo di tecnologie chiave in supporto di risorse orbitali esistenti o pianificate, con lo scopo di estendere la vita operativa dei satelliti e di incrementarne la flessibilità di missione. Lo studio di tecnologie innovative per l'attuazione è fondamentale per migliorare le prestazioni di sistemi robotici spaziali e consentire nuove applicazioni. L'avanzamento di TRL di giovani tecnologie sta alla base dello sviluppo di nuovi sistemi. Ad oggi un numero considerevole di rilevanti applicazioni robotiche sono state realizzate nello spazio; i compiti principali includono l'assemblaggio di strutture complesse, manipolazione di veicoli e supporto all'attività di astronauti. Cinque bracci robotici hanno equipaggiato lo Space Shuttle o la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), oltre ad una varietà di dimostratori sperimentali; tre esempi di astronauti robotici umanoidi sono stati testati ed hanno raggiunto diversi livelli di sviluppo; svariate missioni autonome di OOS sono state concepite e progettate, sono attualmente in sviluppo o, in alcuni casi, hanno volato con successo; varie sonde e veicoli di superficie hanno operato su corpi celesti extraterrestri come la Luna o Marte. Queste ed altre missioni costituiscono il contesto su cui si basa questo lavoro e ne consolidano le motivazioni. La tendenza passata e presente nel settore spaziale è quella di ricercare il miglioramento delle capacità, della flessibilità e dell'autonomia dei veicoli, assegnando un ruolo prominente alla robotica come tecnologia fondamentale. Gli attuatori di gran lunga più utilizzati in sistemi spaziali sono i motori a corrente continua come i motori passo-passo e senza spazzole: i primi sono utilizzati nei bracci robotici per la semplicità di controllo ed accuratezza di posizionamento, mentre i secondi sono l'opzione standard per le ruote di reazione. In alcuni casi sono stati utilizzati anche motori a spazzole a corrente continua (con involucro sigillato o in ambiente planetario) e, meno di frequente, motori voice coil. Tecnologie innovative, come i 'materiali intelligenti', sono adottate di rado principalmente per motivi di affidabilità e di scarsa storia di utilizzo. In generale la comunità scientifica spaziale è molto conservativa e le nuove tecnologie devono dimostrarsi robuste ed a prova di fallimento, e vengono spesso preferite ad esse soluzioni meglio conosciute. Ciononostante, esistono esempi di implementazione di tecnologie intelligenti nello spazio che hanno operato bene in condizioni non nominali, dove sistemi tradizionali hanno mostrato dei limiti. Se ne citano i più significativi: attuatori e motori piezoelettrici, utilizzati nel posizionamento e puntamento di precisione; dispositivi a memoria di forma, impiegati in meccanismi di rilascio; attuatori bimetallici, utilizzati in sistemi a singolo azionamento e nel controllo termico; Electro-Active Polymers (EAP). Gli ultimi non sono ancora stati utilizzati estensivamente in sistemi spaziali, sebbene un grande interesse stia crescendo attorno ad essi a causa delle interessanti capacità che sono state provate in molti test di laboratorio. In letteratura è stata proposta un'ampia scelta di materiali e configurazioni EAP, per un ampio ventaglio di prestazioni. Gli attuatori ad elastomeri dielettrici (DEA) sono un ramo promettente della famiglia degli EAP, il cui TRL spaziale è attualmente 2-3. Gli elastomeri dielettrici sono probabilmente gli EAP con prestazioni migliori e, per questo motivo, i più interessanti. I DEA sono stati scelti per essere studiati in questo lavoro per tre ragioni principali: - sono un buon compromesso in termini di movimento/deformazione, forza/coppia e risposta temporale; - presentano caratteristiche interessanti come leggerezza e basso consumo di potenza, possibilità di migliorarne le prestazioni grazie alla flessibilità di impiego e la modularità, configurazioni a molti gradi di libertà, semplicità costruttiva, costi ridotti, attuazione a stato solido (nessun attrito), capacità di self-sensing; - sono una tecnologià altamente innovativa con basso TRL. Gli attuatori a doppio cono sono stati scelti per la loro flessibilità operativa e la configurazione a molti gradi di libertà. Per la determinazione dei requisiti preliminari del sistema robotico e del singolo attuatore, è stato concepito e simulato uno scenario di missione esemplificativo. Si è scelta una missione di rimozione attiva di detriti spaziali in quanto si tratta di un'importante applicazione dei sistemi robotici per OOS. Nello scenario considerato un grosso detrito (1400 kg) viene catturato da un piccolo satellite tramite un manipolatore a più gradi di libertà. Il detrito è dotato di velocità di rotazione relativa rispetto al satellite di servizio il quale è equipaggiato con un braccio robotico composto da un numero variabile di giunti (1-3). L'interfaccia di cattura è rigida e garantisce la connessione meccanica tra il manipolatore ed il detrito. Sono state eseguite varie simulazioni con differenti condizioni iniziali e strategie di cattura, compresa l'opzione di un satellite rigidamente controllato o libero di muoversi. I requisiti sono stati definiti in termini di forze/coppie e rotazioni ai giunti. La massima deflessione angolare richiesta all'intero braccio è 90 deg; coppie e forze dipendono molto dal momento angolare (relativo) iniziale del detrito ed è quindi possibile rilassare i requisiti sui giunti imponendo requisiti più stringenti alla selezione del detrito target o al sistema di navigazione relativa del veicolo di servizio. L'attuatore ad elastomeri dielettrici a doppio cono è basato su due membrane di elastomero circolari, pre-deformate ricoperte da elettrodi deformabili su entrambi i lati. Applicando alta tensione agli elettrodi, si generano forze elettrostatiche che schiacciano la membrana riducendone lo spessore ed espandendola nel piano. Questa deformazione del materiale viene sfruttata per muovere l'albero centrale dell'attuatore. Gradi di libertà multipli sono ottenuti selezionando uno schema di elettrodi appropriati; considerando l'applicazione robotica proposta è stata scelta una configurazione a due gradi di libertà (uno rotazionale ed uno traslazionale). Sulla base dei risultati disponibili in letteratura, è stato selezionato l'elastomero poliacrilico commerciale denominato 3M VHB 4910. Sono stati identificati dei modelli elettromeccanici appropriati per il polimero considerato. Dopo aver identificato dei parametri di progetto, si eseguono simulazioni numeriche basate su modelli disponibili in letteratura e modelli ad elementi finiti in maniera tale da raccogliere un consistente mole di dati prestazionali. Delle relazioni interpolanti vengono ottenute dai dati raccolti e consentono di stimare le performance statiche dell'attuatore. Coppia/forza e rotazione/traslazione sono proporzionali al valore al quadrato della tensione applicata. Con le relazioni ricavate si calcola il guadagno per il quale deve essere moltiplicata la tensione al quadrato per stimare la grandezza desiderata. L'errore medio sulle stime è 6.1% per la rotazione angolare, 10.6% per la coppia, 22.5% per la traslazione e 11.8% per la forza. Un approccio differente è stato adottato per la modellazione del comportamento dinamico dell'attuatore: sono stati sviluppati dei modelli basati su funzioni di trasferimento ricavate da dati di test a lungo termine. L'elastomero considerato mostra un comportamento viscoelastico che influenza significativamente la risposta temporale degli attuatori. Il modello con funzioni di trasferimento è stato adottato per semplificare la stima della risposta tempovariante dell'attuatore e per fornire uno strumento pratico per la progettazione di applicazioni robotiche. Le capacità predittive delle funzioni di trasferimento sono state valutate confrontandole con dati sperimentali della risposta al gradino. L'errore medio sul tempo di salita al 70% è 15% per la rotazione, 9.5% per la coppia, 14% per la traslazione e 14% per la forza; l'errore medio in ampiezza per t > t_r è 4% per la rotazione, 4% per la coppia, 9% per la traslazione e 11% per la forza. I modelli sviluppati, sia statici che dinaimci, sono adatti alla progettazione di algoritmi di controllo e, quindi, di applicazioni robotiche. La capacità di controllare l'attuatore è provata sperimentalmente testando compensatori Singel Input / Single Output per l'attuazione indipendente di entrambi i gradi di libertà. La risposta al gradino degli attuatori a doppio cono controllati è valutata sperimentalmente tramite test di laboratorio. Si è ottenuto una buona corrispondenza tra la risposta temporale simulata e quella misurata, con errori compatibili alle inaccuratezza dei modelli descritti. In fine, si è progettata, realizzata e testata un'applicazione robotica degli attuatori a doppio cono in parallelo ad un algoritmo di controllo appropriato. Il braccio robotico è composto da due attuatori montati in serie. Ogni attuatore possiede due gradi di libertà ed il manipolatore si muove nel piano orizzontale. Si ottengono due gradi di ridondanza cinematica controllando solo la posizione nel piano dell'end-effector. Il prototipo di braccio è sospeso da un cavo inestensibile che riduce gli effetti della gravità sul moto. Il task sperimentale è quello di percorrere una semplice traiettoria lineare o ad arco. Un sistema di visione è utilizzato per monitorare la posizione dell'end-effector (marcatore ottico) e fornisce l'informazione di posizione at un computer di controllo che comanda la tensione di attuazione ai giunti tramite un algoritmo di controllo. La ridondanza cinematica è sfruttata per ottimizzare la traiettoria e raggiungere un obbiettivo dato: diversi schemi di controllo sono stati progettati e simulati numericamente per selezionarne il più performante. L'algoritmo selezionato ha lo scopo di minimizzare le variabili di giunto per ridurre il rischio di saturazione degli attuatori. Il sistema dà buoni risultati e il massimo errore sulla norma del vettore posizione è 6.4% della lunghezza totale per la traiettoria lineare e 6.8% per quella ad arco.