Test of a gripper for autonomous in-orbit assembly with space robot

In recent years, the approach to both commercial and scientific space missions has been changing, and the need to reuse and renew existing resources is increasingly making its way. This happens both on the ground and in orbit, because there is a desire to reduce the development costs of a satellite, and to try to reduce the number of abandoned satellites and the growing number of space debris by space agencies and companies. These missions are called On-Orbit Servicing (OOS) and In-Orbit Assembly (IOA). Main servicing operation include refuelling, refurbishment, de-orbiting but also the assembling of a structure by means of modular elements. The IOA introduces a new way of developing a satellite project which will therefore be developed from the beginning to be able to receive this type of operation. It will be necessary to study and implement a whole series of standard mechanical, power, and data exchange interfaces, which will make the concept of automatic assembly, modularity, and reuse more and more appealing. OOS and IOA operations require the presence of two spacecraft: a chaser satellite, with one or more robotic arms, that performs servicing tasks on a target satellite. The chaser must perform a series of orbital transfer and phasing manoeuvres to allow rendezvous, initiate proximity operations, and finally execute target capture. This phase is the most critical phase because it involves various aspects, from orbital dynamics to the development of automated capture systems. But it is also the most important phase, because once the rigid connection between the two satellites has taken place, it is possible to start the servicing operations. The approach and capture phase is made possible by vision systems and proximity sensors that allow to control the pose of the target and the relative distance between the two satellites. This work continues the development of the AUTOMA project, a project founded by the Industrial Engineering department. The AUTOMA project is motivated by the high interest of the space community in IOA operations. Its purpose is to upgrade a capture system previously developed at the prototype level and to build an elementary auxiliary module to perform IOA experiments. The capture system is called SMArt Capture Kit (SMACK) and underlines the fact that it is equipped with sensors, actuators, and a computer, which makes it semi-independent from the satellite on which it is mounted. The elementary module is called Elementary Assembly Unit (EAU) and is a mock-up of an assembly module with basic functions, developed to have the standard dimensions of cube-sats. This work gives a general overview of the parts that compose SMACK and the EAU from the mechanical point of view, of the sensors, actuators, and the navigation algorithm that estimates the pose of the target. The work focused on the experimental tests on relative navigation sensors mounted on SMACK. These provide pose estimation and enable the autonomous assembly of modular structures and are applicable to IOA scenarios. These tests have the precise intention of evaluating the performance of the sensors chosen to have in-depth knowledge of the individual parts that make up the system. A functional test of the system was also carried out, essential for understanding the potential of SMACK, the validity of the mechanisms, and highlighting some future improvements.

Negli ultimi anni l'approccio alle missioni spaziali sia commerciali che scientifiche è iniziato a cambiare, e si fa strada sempre più la necessità di riutilizzare e rinnovare le risorse già esistenti. Questo accade sia a terra che in orbita, perchè c’è la volontà di ridurre i costi di sviluppo di un satellite, e cercare di ridurre il numero di satelliti abbandonati e il numero di detriti spaziali crescente da parte delle agenzie spaziali e le aziende. Queste missioni prendono il nome di On-Orbit Servicing (OOS) e In-Orbit Assembly (IOA). Le principali operazioni di servizio includono il rifornimento di carburante, il refurbishment, il de-orbiting ma anche l'assemblaggio di strutture per mezzo di elementi modulari. L'IOA introduce quindi un nuovo modo di sviluppare il progetto di un satellite, che verrà sviluppato prevedendo in partenza la possibilità di ricevere questo tipo di operazioni. Sarà necessario studiare e realizzare tutta una serie di interfacce standard di tipo meccanico, di scambio di potenza e di dati, che renderano sempre più interessante il concetto di assemblaggio automatico, modularità e riutilizzo. Le operazioni di OOS e IOA richiedono la presenza di due satelliti: un satellite chaser, dotato di una o più braccia robotiche, che esegue operazioni di servicing su un satellite target. Il chaser deve eseguire una serie di manovre orbitali di trasferimento e di phasing per permettere il rendezvous con il satellite target, per poi iniziare le operazioni in prossimità, l'approccio finale ed infine la cattura del target. Questa fase è la fase più critica perchè coinvolge diversi aspetti, dalla dinamica orbitale allo sviluppo di sistemi di cattura automatizzati. Ma è anche la fase più importante, perchè una volta avvenuta la connessione rigida tra i due satelliti è possibile iniziare le operazioni di servicing. La fase di approccio e cattura è resa possibile da sistemi di visione e sensori di prossimità che permette di controllare la posa del target e controllare la distanza relativa tra i due satelliti. Questo lavoro porta avanti lo sviluppo del progetto AUTOMA, progetto fondato dal dipartimento di Ingegneria Industriale. Il progetto AUTOMA è motivato dall'alto interesse della comunità spaziale nelle operazioni di IOA. Ha come scopo quello di effettuare l'upgrade di un prototipo di sistema di cattura precedentemente sviluppato, e realizzare un modulo ausialiare elementare per effettuare esperimenti di IOA. Il sistema di cattura si chiama SMArt Capture Kit (SMACK) per sottolineare il fatto che è provvisto di sensori, attuatori e computer che lo rende semi-indipendente dal satellite sulla quale è montato. Il modulo elementare è chiamato Elementary Assembly Unit (EAU) ed è un mock-up di un modulo di assembly con funzioni basilari, sviluppato per avere le dimensioni standard dei cube-sat. Questo lavoro dà una overview generale delle parti che compongono SMACK e l'EAU dal punto di vista meccanico, dei sensori, attuatori, e l'algoritmo di navigazione che stima la posa del target. Il lavoro si è concentrato sugli esperimenti sui sensori di navigazione relativa montati su SMACK. Questi forniscono la stima della posa e consentono l'assemblaggio autonomo di strutture modulari ed è applicabile agli scenari IOA. Questi test hanno la precisa intenzione di valutare le performance dei sensori scelti per avere una conoscenza approfondita delle singole parti che compongono il sistema. Un test funzionale di sistema è stato inoltre effettuato, essenziale per comprendere le potenzialità di SMACK, la validità dei meccanismi, e mettere in luce alcuni futuri miglioramenti.