Capturing of Orbital Space Systems by Robots

Paraskevas, Iosif S.; Παρασκευάς, Ιωσήφ Σ.

dc.contributor.author	Paraskevas, Iosif S.	en
dc.contributor.author	Παρασκευάς, Ιωσήφ Σ.	el
dc.date.accessioned	2016-03-22T10:30:17Z
dc.date.available	2016-03-22T10:30:17Z
dc.date.issued	2016-03-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42216
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1930
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	On-Orbit Servicing	en
dc.subject	Impact Model	en
dc.subject	Center of Percussion	en
dc.subject	Dynamics and Control	en
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Τροχιακές Υπηρεσίες	el
dc.subject	Μοντέλο Κρούσης	el
dc.subject	Κρουστικό Κέντρο	el
dc.subject	Δυναμική και Έλεγχος	el
dc.title	Capturing of Orbital Space Systems by Robots	en
dc.contributor.department	Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών & Αυτομάτου Ελέγχου, Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Σύλληψη Διαστημικών Συστημάτων σε Τροχιά από Ρομποτικά Συστήματα	el
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-26
heal.abstract	Space exploration and exploitation require enhancing of the human and robotic infrastructure on orbit and beyond. To this end, tasks like satellite servicing, space debris removal and construction of large assemblies 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 their roadmaps. Tο achieve these goals, prior extensive analysis of any OOS mission is required. An important 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-fixed satellite base and of one or more manipulators mounted on it, is an especially demanding task, due to the dynamic coupling between them. Additionally, these procedures are inevitably associated with impact forces as these bodies come into contact. The challenges are higher when the robotic system and 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 servicer from the target, or damage critical subsystems, therefore the study of the behaviour of the participating systems under impact is vital. For all the above reasons, some of the aspects which need thorough examination 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 the Chaser to the Target. In this work, an analysis of the modelling of impacts of two bodies in space is presented. Limitations of current viscoelastic models are described, and a novel viscoplastic model is developed which shows very good correlation with experimental results found in the literature. Interestingly the generalization of this model to impacts that occur in terrestrial applications shows that this model has high potential in everyday robotic applications. Simulations and examples are presented which support this statement. Next, the usual approaches during modeling of impact docking is presented and examined. These approaches lack on accounting the effects of inertia and stiffness of the systems of masses that come into contact. A more generalized approach in modeling this free-floating impact by using computationally fast methods stemming from rigid- body theory is shown. The effect of the mass ratio of the systems under impact is quantified. Insights to on-going research on the stiffness effects are also presented. Finally a method is proposed in order to reduce reaction forces during impacts. The exerted reactions can be minimized using the Center of Percussion (CoP) concept. After the two- and three-dimensional cases are presented, the performance of a robot under impact is assessed exploiting the CoP. The effects of parametric sensitivity on the joint reactions at a manipulator are examined. Α control method to compensate the reaction forces is proposed. Implementation guidelines are discussed and simulations of a planar space robot and a 3-D robot validate the analysis.	en
heal.abstract	Η εξερεύνηση κι η εκμετάλλευση του διαστήματος απαιτεί την ενίσχυση των ρομποτικών υποδομών στην τροχιά της Γης αλλά και ακόμα παραπέρα. Πολλές διαστημικές υπηρεσίες όπως η NASA, η ESA και 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 οποίος αποτελείται από μια μη σταθερή βάση και έναν ή περισσότερους βραχίονες, είναι μια ιδιαίτερα απαιτητική δραστηριότητα, λόγω της δυναμικής σύζευξης βάσης-βραχιόνων. Επιπλέον, αυτές οι διαδικασίες είναι συνδεδεμένες με κρούσεις καθώς δύο σώματα έρχονται σε επαφή. Οι προκλήσεις είναι ακόμα μεγαλύτερες όταν ο Κυνηγός και ο Στόχος έχουν συγκρίσιμες μάζες. Στην περίπτωση μάλιστα της παθητικής πρόσδεσης, γνωστής και ως Κρουστική Πρόσδεση (impact docking), οι δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά την κρούση είναι μέρος της διαδικασίας. Μη επιτυχείς κρούσεις μπορεί να απομακρύνουν Κυνηγό και Στόχο, ή να προκαλέσουν ζημιές σε κρίσιμα υποσυστήματα τους. Για τους ανωτέρω λόγους, χρειάζεται προσεκτική μελέτη των κρούσεων σε περιβάλλον έλλειψης βαρύτητας και ειδικότερα απαιτείται: (α) επαρκής μοντελοποίηση της διαδικασίας, (β) μελέτη της επίδρασης των αδρανειακών παραμέτρων και των παραμέτρων ενδοτικότητας και (γ) σχεδιασμός και έλεγχος 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 ένα πρωτότυπο βισκοπλαστικό μοντέλο που δείχνει πολύ καλή συσχέτιση με δημοσιευμένα πειραματικά αποτελέσματα. Το μοντέλο αυτό γενικεύεται σε εφαρμογές με επίγειες κρούσεις και μέσω παραδειγμάτων και προσομοιώσεων, δείχνεται ότι το μοντέλο που αναπτύχθηκε είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε ρομποτικές εφαρμογές. Για συστήματα που έρχονται σε επαφή, παρουσιάζονται οι ισχύουσες προσεγγίσεις μοντελοποίησης κατά την Κρουστική Πρόσδεση. Με βάση αυτές, αναπτύσσεται μια γενικευμένη προσέγγιση μοντελοποίησης συστημάτων σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, ενώ με την χρήση υπολογιστικά γρήγορων μεθόδων που αναπτύσσονται με χρήση θεωριών κρούσεως στερεών σωμάτων, γίνεται εκτίμηση της συμπεριφοράς των σωμάτων μετά την κρούση τους. Αναπτύσσεται πρωτότυπη μέθοδος για την ελαχιστοποίηση των αντιδράσεων στις αρθρώσεις των βραχιόνων και τελικά στις ρομποτικές βάσεις, κατά την διάρκεια των κρούσεων. Οι αναπτυσσόμενες αντιδράσεις ελαχιστοποιούνται με τη χρήση του Κρουστικού Κέντρου (ΚΚ) και αναπτύσσεται μεθοδολογία που εφαρμόζεται σε δισδιάστατες και τρισδιάστατες κρούσεις. Εκτιμάται η θετική επίδραση της χρήσης της θεωρίας του ΚΚ σε ρομποτικούς μηχανισμούς στο διάστημα και εξετάζεται η ευαισθησία των αποτελεσμάτων σε μεταβολές των παραμέτρων της κρούσης. Προτείνεται μία μέθοδος ελέγχου για την αντιστάθμιση των αντιδράσεων που επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων επίπεδου και τρισδιάστατου ρομπότ. Τέλος, προτείνονται οδηγίες σχεδιασμού και ελέγχου για την εφαρμογή της μεθόδου σε διαστημικά ρομποτικά συστήματα.	el
heal.sponsor	This research has been co-financed by the European Union (European Social Fund – ESF) and Greek national funds through the Operational Program "Education and Lifelong Learning" of the National Strategic Reference Framework (NSRF) - Research Funding Program: Heracleitus II. Investing in knowledge society through the European Social Fund.	en
heal.sponsor	H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) – Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: Ηράκλειτος ΙΙ. Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κρικέλης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Βλάχος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τζαφέστας, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τζες, Αντώνιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	252
heal.fullTextAvailability	true