Capturing of orbital space systems by robots

Abstract

Space exploration and exploitation require enhancing of the human and robotic infrastructure on orbitand beyond. To this end, tasks like satellite servicing, space debris removal and construction of largeassemblies on Earth’s or other planetary orbits will be of critical importance in the near future. Thus,many space agencies such as NASA, ESA and JAXA have already incorporated OOS activities in theirroadmaps. Tο achieve these goals, prior extensive analysis of any OOS mission is required. Animportant part of such missions is reaching and capturing/ docking a Target (satellite or debris).Capturing and docking to the Target by a space robotic system (Chaser), consisting of a non-fixedsatellite base and of one or more manipulators mounted on it, is an especially demanding task, due tothe dynamic coupling between them. Additionally, these procedures are inevitably associated withimpact forces as these bodies come into contact. The challenges are higher when the robotic systemand the Target have comparable masses. In the case of passive docking, known as impact docking,these impact forces are also part of the procedure. Unsuccessful impacts may separate the servicerfrom the target, or damage critical subsystems, therefore the study of the behaviour of the participatingsystems under impact is vital. For all the above reasons, some of the aspects which need thoroughexamination during impacts in free-fall environment include: (a) adequate modelling of the procedure,(b) effects of mass and compliance parameters, (c) design and control of an effective approach of theChaser to the Target.In this work, an analysis of the modelling of impacts of two bodies in space is presented. Limitations ofcurrent viscoelastic models are described, and a novel viscoplastic model is developed which showsvery good correlation with experimental results found in the literature. Interestingly the generalization ofthis model to impacts that occur in terrestrial applications shows that this model has high potential ineveryday robotic applications. Simulations and examples are presented which support this statement.Next, the usual approaches during modeling of impact docking is presented and examined. Theseapproaches lack on accounting the effects of inertia and stiffness of the systems of masses that comeinto contact. A more generalized approach in modeling this free-floating impact by usingcomputationally fast methods stemming from rigid- body theory is shown. The effect of the mass ratioof the systems under impact is quantified. Insights to on-going research on the stiffness effects are alsopresented. Finally a method is proposed in order to reduce reaction forces during impacts. The exertedreactions can be minimized using the Center of Percussion (CoP) concept. After the two- and threedimensionalcases are presented, the performance of a robot under impact is assessed exploiting theCoP. The effects of parametric sensitivity on the joint reactions at a manipulator are examined. Αcontrol method to compensate the reaction forces is proposed. Implementation guidelines arediscussed and simulations of a planar space robot and a 3-D robot validate the analysis

Η εξερεύνηση κι η εκμετάλλευση του διαστήματος απαιτεί την ενίσχυση των ρομποτικών υποδομώνστην τροχιά της Γης αλλά και ακόμα παραπέρα. Πολλές διαστημικές υπηρεσίες όπως η NASA, η ESAκαι η JAXA έχουν ήδη εντάξει δραστηριότητες Τροχιακών Υπηρεσιών (ΤΥ) στα μελλοντικά τους σχέδια.Στον πυρήνα των ΤΥ βρίσκεται το πρόβλημα της προσέγγισης και σύλληψης/πρόσδεσης Στόχου(δορυφόρου ή διαστημικού θραύσματος).Η σύλληψη και πρόσδεση Στόχου από ένα Διαστημικό Ρομποτικό Σύστημα (Κυνηγό), ο οποίοςαποτελείται από μια μη σταθερή βάση και έναν ή περισσότερους βραχίονες, είναι μια ιδιαίτερααπαιτητική δραστηριότητα, λόγω της δυναμικής σύζευξης βάσης-βραχιόνων. Επιπλέον, αυτές οιδιαδικασίες είναι συνδεδεμένες με κρούσεις καθώς δύο σώματα έρχονται σε επαφή. Οι προκλήσειςείναι ακόμα μεγαλύτερες όταν ο Κυνηγός και ο Στόχος έχουν συγκρίσιμες μάζες. Στην περίπτωσημάλιστα της παθητικής πρόσδεσης, γνωστής και ως Κρουστική Πρόσδεση (impact docking), οιδυνάμεις που αναπτύσσονται κατά την κρούση είναι μέρος της διαδικασίας. Μη επιτυχείς κρούσειςμπορεί να απομακρύνουν Κυνηγό και Στόχο, ή να προκαλέσουν ζημιές σε κρίσιμα υποσυστήματα τους.Για τους ανωτέρω λόγους, χρειάζεται προσεκτική μελέτη των κρούσεων σε περιβάλλον έλλειψηςβαρύτητας και ειδικότερα απαιτείται: (α) επαρκής μοντελοποίηση της διαδικασίας, (β) μελέτη τηςεπίδρασης των αδρανειακών παραμέτρων και των παραμέτρων ενδοτικότητας και (γ) σχεδιασμός καιέλεγχος μιας αποτελεσματικής προσέγγισης Στόχου σε Κυνηγό.Σε αυτή τη διατριβή αρχικά μοντελοποιείται και αναλύεται η κρούση δύο σωμάτων στο διάστημα.Περιγράφονται οι περιορισμοί των υπαρχόντων βισκοελαστικών μοντέλων, και αναπτύσσεται έναπρωτότυπο βισκοπλαστικό μοντέλο που δείχνει πολύ καλή συσχέτιση με δημοσιευμένα πειραματικάαποτελέσματα. Το μοντέλο αυτό γενικεύεται σε εφαρμογές με επίγειες κρούσεις και μέσωπαραδειγμάτων και προσομοιώσεων, δείχνεται ότι το μοντέλο που αναπτύχθηκε είναι ιδιαίτερα χρήσιμοσε ρομποτικές εφαρμογές. Για συστήματα που έρχονται σε επαφή, παρουσιάζονται οι ισχύουσεςπροσεγγίσεις μοντελοποίησης κατά την Κρουστική Πρόσδεση. Με βάση αυτές, αναπτύσσεται μιαγενικευμένη προσέγγιση μοντελοποίησης συστημάτων σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, ενώ με τηνχρήση υπολογιστικά γρήγορων μεθόδων που αναπτύσσονται με χρήση θεωριών κρούσεως στερεώνσωμάτων, γίνεται εκτίμηση της συμπεριφοράς των σωμάτων μετά την κρούση τους.Αναπτύσσεται πρωτότυπη μέθοδος για την ελαχιστοποίηση των αντιδράσεων στις αρθρώσεις τωνβραχιόνων και τελικά στις ρομποτικές βάσεις, κατά την διάρκεια των κρούσεων. Οι αναπτυσσόμενες αντιδράσεις ελαχιστοποιούνται με τη χρήση του Κρουστικού Κέντρου (ΚΚ) και αναπτύσσεταιμεθοδολογία που εφαρμόζεται σε δισδιάστατες και τρισδιάστατες κρούσεις. Εκτιμάται η θετικήεπίδραση της χρήσης της θεωρίας του ΚΚ σε ρομποτικούς μηχανισμούς στο διάστημα και εξετάζεται ηευαισθησία των αποτελεσμάτων σε μεταβολές των παραμέτρων της κρούσης. Προτείνεται μία μέθοδοςελέγχου για την αντιστάθμιση των αντιδράσεων που επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων επίπεδουκαι τρισδιάστατου ρομπότ. Τέλος, προτείνονται οδηγίες σχεδιασμού και ελέγχου για την εφαρμογή τηςμεθόδου σε διαστημικά ρομποτικά συστήματα