Innovative technologies for the actuation of space manipulators

In this work, innovative technologies for the actuation of space robotic systems are investigated as possible alternative to traditional motors. The research activity focused on double-cone Dielectric Elastomer Actuators (DEAs). The most notable results achieved are predictive models for the static and dynamic performances estimation of the mentioned devices and experimental validation of both single actuators and a robotic arm prototype. The general objective of the thesis is to evaluate innovative actuation technologies for space robotics; the main expected output of the research is the feasibility proof of a robotic space system based on low-TRL (Technology Readiness Level) devices. This objective is achieved by fulfilling two secondary goals: - development of models to predict the actuator performances and validation of ready-to-use design tools; - experimental evaluation of a multi-body manipulator prototype in laboratory environment. The motivation on which this work is based, comes from the wide interest on robotics that recently grew among the space community. A large variety of space missions can benefit from the implementation of automated systems reducing risks, costs, delays and errors deriving from human interaction (i.e. astronauts or ground operators) with space vehicles and structures. On-Orbit Servicing (OOS) missions, in particular, are based on robotic servicing vehicles that perform complex tasks on client objects enabling unprecedented scenarios of improved accessibility to space. Future effective and efficient exploitation of space is strongly dependent on the development of key technologies to support existing and planned orbital assets, aiming to extend spacecraft operational life and to boost mission flexibility. Investigation on innovative actuation technologies is critical to improve space robotics performances and enable new applications. The TRL advancement of young technologies is at the basis of the development of new systems. To date, a considerable number of relevant applications of robotics have been operated in space; main tasks include assembly of complex structures, manipulation of client vehicles and support to astronauts activities. Five human operated manipulators have equipped the Space Shuttle or the International Space Station (ISS), along with a variety of other experimental demonstrators; three examples of humanoid robotic astronauts have been tested and reached different levels of development; a wide range of autonomous demonstrative OOS missions have been conceived and designed, are currently under development or, in some cases, have been flown with success; several planetary probes and (partially) autonomous rovers have been operated on the surface of extraterrestrial bodies like the Moon or Mars. These missions and others constitute the solid background on which this work is based and consolidate the motivation behind the research. The past and present trend in the space sector is to seek improved capabilities, flexibility and autonomy of vehicles, assigning a prominent role to robotics as a key enabling technology. By far the most common actuators in space systems are conventional DC drives like stepper motors and brushless motors: the first are used in robotic arms for control simplicity and positioning accuracy, the second are the standard option in reaction wheels. In some cases brushed DC motors (in sealed or planetary environment) and, less often, voice coil motors have been used. Innovative technologies, like smart materials, are rarely adopted mainly due to reliability and heritage reasons. In general, the space community is very conservative and new technologies have to be proven fail safe and robust, and, for this reason, well-known solutions are often preferred. Nevertheless, implementation examples of smart technologies in space exist and they performed particularly well in off-nominal conditions, where traditional solutions show limitations. It is worth mentioning the most notable: piezo-electric actuators and motors, used in micro-positioning and precision pointing; shape memory devices, employed in release mechanisms; bimetallic actuators, implemented in single-shot systems and thermal control; Electro-Active Polymers (EAPs). The latter have not been extensively employed in space systems yet, although interest is growing around them on the basis of the appealing capabilities proved in many laboratory tests. A wide choice of alternative EAP materials and configurations have been proposed, with ample performance ranges. Dielectric Elastomer Actuators are a promising branch of EAPs family, whose space TRL is currently 2-3. Dielectric Elastomers are arguably the best performing EAPs and, for this reason, very appealing. DEAs have been selected to be investigated in this work for three main reasons: - good compromise performances in terms of stroke/deformation, force/torque and time response; - interesting characteristics like low mass and low power consumption, possibility to improve performances through design flexibility and modularity, multi-DoF configurations, simple manufacturing process, low costs, solid state actuation (no friction), self-sensing capability; - highly innovative technology with low TRL. Double-cone actuators are selected for their flexibility and multi-DoF architecture. An example mission scenario is conceived and simulated in order to determine preliminary requirements for the robotic system and the single actuator. An Active Debris Removal (ADR) mission is selected as a key OOS application of robotic systems. In the considered scenario a large piece of debris (1400 kg) is captured by a small spacecraft by means of a multi-DoF manipulator. The debris is spinning with respect to the servicing spacecraft which is equipped with a robotic arm composed by a variable number of joints (1-3). The capture interface is rigid and guarantees the mechanical connection between the manipulator and the client object. Several simulations are performed with different initial conditions and capture strategies, including the options of a rigidly controlled or free flying spacecraft. The requirements have been defined in terms of forces/torques and rotations at the robot joints. The maximum angular deflection required to the entire robotic arm is 90 deg; torque and forces are strongly dependent on the initial debris (relative) angular momentum, thus it is possible to relax the joint requirement imposing stricter constraints to the target selection or relative navigation system of the servicer. The double-cone DE actuator is based on two circular, pre-stretched membranes of elastomer coated with compliant electrodes on both sides. By applying high voltage to the electrodes, electrostatic forces squeeze the membrane reducing its thickness and, consequently, expanding the material in the plane. Such material deformation is exploited to displace the actuator shaft. Multiple DoF are obtained by selecting a proper electrode layout; a 2-DoF (one rotational and one translational) configuration is selected in view of the proposed robotic application. On the basis of the results available in literature, the commercial polyacrylic elastomer called 3M VHB 49XX is chosen. Proper electromechanical models are identified for the mentioned polymer. Once a set of geometrical and manufacturing parameters are defined, numerical simulations based on literature as well as newly developed FEM models are performed in order to collect a large number of performance data. Interpolating relations are obtained from the collected data and allow to estimate the steady-state performances of the actuator. Torque/force and rotation/stroke are proportional to the squared value of applied high-voltage. The mentioned relations allow to compute the gain to which squared voltage has to be multiplied to estimate the desired quantity. The mean error on estimations is 6.1% for angular rotation, 10.6% for torque, 22.5% for linear stroke and 11.8% for force. A different approach is adopted to model the dynamic behavior of DEAs: transfer function (TF) based models are developed from time dependent data collected through long term tests. The elastomeric material adopted in the device manufacturing shows a relevant viscoelastic behavior that considerably affects the time response of actuators. The TF approach is chosen to simplify the estimation of the transient behavior of DEAs and to provide a practical design tool for robotic applications. The prediction capabilities of TF models are evaluated by comparison with experimental step response. The mean error on the 70% rise time is 15% for angular rotation, 9.5% for torque, 14% for linear stroke and 14% for force; the mean error on amplitude for t > t_r is 4% for angular rotation, 4% for torque, 9% for linear stroke and 11% for force. The developed models, both static and dynamic, are suitable for the implementation of control algorithms and, consequently, for robotic applications. The capability to control the actuator is experimentally proven by testing Single Input / Single Output compensators to actuate both DoF independently. Laboratory tests are conducted in order to evaluate the step response of double-cone actuators. Good accordance is obtained between the simulated and the experimentally measured time response with errors compatible with the prediction inaccuracies of the mentioned models. Finally, a multi-body application of double-cone actuators is designed, manufactured and tested along with a proper control algorithm. The robotic arm is composed by two double-cone DEAs mounted in series. Each actuator has two DoFs and the manipulator moves in the horizontal plane. Two degrees of kinematic redundancy are achieved in the manipulator by controlling only the in-plane position of the end-effector. The arm prototype is suspended by an inextensible cable that reduces the effects of gravity on the motion. The experimental task is the tracking of simple linear and arc trajectories. A vision system monitors the position of the end-effector (optical marker) and feeds the position information to a control computer that commands the voltage actuation to the joints through a properly designed control algorithm. The kinematic redundancy is exploited by the controller to optimize the end-effector trajectory to achieve a given objective: several control schemes with alternative optimization functions are designed and simulated numerically in order to select the best performing option. The chosen control algorithm aims at the minimization of joint variables in order to reduce the risk of actuators saturation. The system performs well and the maximum position error norm is 6.4% of total path length for linear trajectory and 6.8% for arc trajectory.

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.