Modeling and evaluation of a new parallel mechanism as a flight simulator motion base

In this thesis, a novel 6 degree-of-freedom parallel mechanism is evaluated as a flight simulator motion base. The mechanism consists of three fixed-length legs, each supported by a three-wheeled mobile robot. The three legs support a platform, which acts as the end-effector of the mechanism. Thus, the mechanism has the advantage of portability and simple design, because of the specific actuating system. Two different designs are evaluated: one with ball joints at the upper ends of the legs and revolute joints at the lower ends and one with the opposite configuration. The inverse kinematics and inverse dynamics analysis of the mechanism, including its actuation system, is conducted. Our simulations lead us to conclude that the configuration with the ball joints at the lower ends of the legs performs better. The mechanism is then evaluated as a motion base for a flight simulator, using typical aircraft maneuvers. Certain problems are observed that make this application questionable. However, the mechanism shows potential as a motion base for a driving simulator, which is certainly worth exploring further

Σχεδιασμός κίνησης και ελέγχου συνεργαζόμενων ρομποτικών συστημάτων σε τροχιά

Both interplanetary traveling crafts and stationary systems will be in need of servicing, such as assembly, maintenance, replacement of broken/expendable modules, refueling, inspection and repair. To relieve astronauts from dangerous extra-vehicular activities, enhance performance and extend the feasible tasks range, the international research community has been focusing on the realization of autonomous robotic servicing. While important tasks, such as orbital assembly and debris handling, require passive object handling capabilities, the actual handling of a secured passive object by a number of free-flying robotic servicers, has not been studied adequately, with several issues still open.On-orbit object handling has similarities to cooperative manipulation of passive objects on earth, with the additional complexities that in space no fixed ground to support the manipulators exists, thus letting momentum changes to play a key role in body motion, and that orbital system thrusters are of on-off control nature. In order to protect the thruster valves from the extreme space conditions, proportional or pulse-width-modulation (PWM) thrusters are not used in space, thus reducing system positioning capabilities, when only thrusters are used.The introduction of a number of manipulator-equipped free-flying servicers, where both on-off thruster propulsion and manipulator continuous forces/ torques are used for passive object handling, both for the case of firm grasp and in the more general case of point contact, between the servicer manipulator end-effectors and the passive object, is presented in this thesis.The design of a controller for the free-flying servicer manipulators that enables the stable handling of the passive object by the servicers, in trajectory tracking scenarios, as well as the design of a controller for the free-flying servicer bases that enables them to move within the workspace of their manipulators, under the influence of the reaction generalized forces from their manipulator bases, is also presented. An initial comparison between the choice of three small free-flying robotic servicers and a single, larger one is also conducted.A spatial system of robotic servicers handling a passive object is highly non-linear. Unfortunately, there is not much generally applied theory on the field of non-linear system robustness. One method is to use linearization, under certain assumptions, in order to be able to use linear systems robustness tools. The sensitivity of the controller for the 3D motion of the handled passive object in space in terms of parameter estimation is also studied in this work.Finally, the design of a two-layer optimization process that allows for i) optimal selection of contact points between the manipulator end-effectors and the passive object, for both contact cases and ii) force distribution so that the required control generalized force for the passive object motion, is applied by the manipulator end-effectors, is also presented.Τόσο τα διαπλανητικά σκάφη, όσο και τα στατικά διαστημικά συστήματα, θα χρειαστούν «υπηρεσίες εξυπηρέτησης» όπως κατασκευές, συντήρηση, αντικατάσταση χαλασμένων ή και αναλώσιμων μονάδων, ανεφοδιασμό, επιθεώρηση και αποκατάσταση. Για να απαλλάξει τους αστροναύτες από τις επικίνδυνες εργασίες έξω από τα διαστημικά οχήματα, να βελτιώσει την απόδοση των εργασιών αυτών, αλλά και να διευρύνει το εύρος των δυνατών εργασιών, η διεθνής επιστημονική κοινότητα έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της στην έρευνα και υλοποίηση αυτόνομων, ρομποτικών «υπηρεσιών εξυπηρέτησης». Παρότι σημαντικές εργασίες, όπως η κατασκευές σε τροχιά ή η διαχείριση των τροχιακών απορριμμάτων, περιλαμβάνουν την διαχείριση και μετακίνηση παθητικών σωμάτων, εντούτοις αυτός καθαυτός ο έλεγχος και η μετακίνηση ενός παθητικού σώματος από ένα πλήθος ρομπότ-εξυπηρέτησης με βραχίονες και ελεύθερες βάσεις με προωθητήρες, δεν έχει μελετηθεί αρκετά, και πολλά προβλήματα στο πεδίο αυτό είναι ακόμα ανοιχτά.Ο τροχιακός έλεγχος και μετακίνηση παθητικού αντικειμένου έχει πολλές ομοιότητες με τον συνεργατικό χειρισμό παθητικού σώματος στη Γη, με τις επιπρόσθετες επιπλοκές ότι στο διάστημα δεν υπάρχει κάποιο σταθερό έδαφος στο το οποίο να πατάει ο βραχίονας χειρισμού, οπότε οι διαταραχές σε ορμή και στροφορμή παίζουν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο σε τέτοια συστήματα καθώς και ότι οι προωθητήρες τροχιακών (και γενικά διαστημικών) συστημάτων είναι on-off τύπου. Για να προστατευτούν οι προωθητήρες από τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν στο διάστημα, αναλογικοί προωθητήρες ή τύπου Διαμόρφωσης Εύρους Παλμού (PWM), δεν χρησιμοποιούνται στο διάστημα, μειώνοντας τις δυνατότητες ελέγχου όταν χρησιμοποιούνται μόνο προωθητήρες για την εφαρμογή δυνάμεων.Στην εργασία αυτή, παρουσιάζεται και μελετάται η εισαγωγή ενός αριθμού ρομπότ ελεύθερης βάσης, με βραχίονες και προωθητήρες, όπου ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται τόσο οι on-off δυνάμεις των προωθητήρων, όσο και οι αναλογικές δυνάμεις/ροπές από τους βραχίονες, κατά την διάρκεια συνεργατικού χειρισμού παθητικού σώματος στο διάστημα.Επίσης παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός ελεγκτή για τους βραχίονες των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος οδηγεί σε ευσταθή χειρισμό του παθητικού σώματος, σε περιπτώσεις παρακολούθησης επιθυμητής τροχιάς (trajectory tracking). Παράλληλα παρουσιάζεται και ο σχεδιασμός ελεγκτή για τις βάσεις των ρομπότ-εξυπηρέτησης με προωθητήρες, ο οποίος τα υποχρεώνει να κινούνται μέσα στο χώρο εργασίας (workspace) των βραχιόνων τους, υπό της επήρεια των δυνάμεων/ροπών αντίδρασης από τους ίδιους τους βραχίονες.Τέλος, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός ενός αλγορίθμου βελτιστοποίησης δύο επιπέδων, ο οποίος επιτρέπει i) την βέλτιστη επιλογή σημείων επαφής ανάμεσα στα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ-εξυπηρέτησης και το παθητικό σώμα (και για τις δύο περιπτώσεις επαφής που μελετώνται) και ii) τον διαμοιρασμό της επιθυμητής για το παθητικό σώμα δύναμης/ροπής (force distribution), έτσι ώστε αυτή να μπορεί να εφαρμοστεί από τα άκρα εργασίας των βραχιόνων των ρομπότ

Towards a Standardized Grasping and Refuelling On-Orbit Servicing for GEO Spacecraft

Exploitation of space must benefit from the latest advances in robotics. On-orbit servicing is a clear candidate for the application of autonomous rendezvous and docking mechanisms. However, during the last three decades most of the trials took place combining extravehicular activities (EVAs) with telemanipulated robotic arms. The European Space Agency (ESA) considers that grasping and refuelling are promising near-mid-term capabilities that could be performed by servicing spacecraft. Minimal add-ons on spacecraft to enhance their serviceability may protect them for a changing future in which satellite servicing may become mainstream. ESA aims to conceive and promote standard refuelling provisions that can be installed in present and future European commercial geostationary orbit (GEO) satellite platforms and scientific spacecraft. For this purpose ESA has started the ASSIST activity addressing the analysis, design and validation of internal provisions (such as modifications to fuel, gas, electrical and data architecture to allow servicing) and external provisions (such as integrated berthing fixtures with peripheral electrical, gas, liquid connectors, leak check systems and corresponding optical and radio markers for cooperative rendezvous and docking). This refuelling approach is being agreed with European industry (OHB, Thales Alenia Space) and expected to be consolidated with European commercial operators as a first step to become an international standard; this approach is also being considered for on-orbit servicing spacecraft, such as the SpaceTug, by Airbus DS. This paper describes in detail the operational means, structure, geometry and accommodation of the system. Internal and external provisions will be designed with the minimum possible impact on the current architecture of GEO satellites without introducing additional risks in the development and commissioning of the satellite. Endeffector and berthing fixtures are being designed in the range of few kilos and linear dimensions around 15cm. A central mechanical part is expected to perform first a soft docking followed by a motorized retraction ending during a hard docking phase using aligning pins. Mating and de-mating will be exhaustively analysed to ensure robustness of operations. Leakage-free valves would allow for the transfer of fuel to the serviced spacecraft. The validation of the ASSIST system through dedicated environmental tests in a vacuum chamber together with dynamic testing using an air-bearing table will allow for the demonstration of concept feasibility and its suitability for becoming a standard of the on-orbit space industry