Analisi cinematica e dinamica di un braccio robotico meccanicamente disaccoppiato dall'UAV in operazioni di manipolazione aerea

In this thesis, the topic of aerial manipulation is addressed, which has garnered significant interest in the scientific community in recent years. This research area focuses on the development of UAVs not only for observation and monitoring but also as systems capable of actively interacting with the surrounding environment. The implementation of interaction systems on a mobile platform poses several challenges for the proper control of both the drone and the manipulator, as the behavior of the UAV affects the state of the manipulator and vice versa. The thesis aims to propose a type of manipulator that minimally disturbs the stability of the drone. The proposed system involves the use of a mechanically decoupled robotic arm from the UAV through a revolute joint. This way, the moment applied to the base is nearly zero, and the aircraft remains stable. Manipulator trajectories will be exclusively addressed in the vertical plane, resulting in the mobile base having three degrees of freedom: horizontal translation, vertical translation, and rotation (roll). In Matlab, the inverse kinematics are solved using the concept of Generalized Jacobian, and subsequently, the model is validated through dynamic simulations in the multibody software Adams.

In questa tesi viene affrontato il tema della manipolazione aerea che negli ultimi anni ha stimolato un notevole interesse nella comunità scientifica. Questo ambito di ricerca si focalizza sullo sviluppo di velivoli UAV non più con il solo scopo di osservazione e monitoraggio ma anche come sistemi che possono interagire attivamente con l’ambiente circostante. L’implementazione di sistemi di interazione su una base mobile porta con sé diverse sfide per il corretto controllo del drone e del manipolatore in quanto il comportamento dell’UAV modifica lo stato del manipolatore e viceversa. Obiettivo della tesi sarà proporre una tipologia di manipolatore che vada a disturbare il meno possibile la stabilità del drone. Il sistema in questione consiste nell’utilizzo di un braccio robotico disaccoppiato meccanicamente dall’UAV tramite una coppia rotoidale; in questo modo il momento applicato alla base è pressoché nullo e il velivolo rimane stabile. Verranno trattate traiettorie del manipolatore esclusivamente nel piano verticale quindi la base mobile sarà caratterizzata da tre gradi di libertà: traslazione orizzontale, traslazione verticale e rotazione (rollio). La cinematica inversa viene risolta in Matlab utilizzando il concetto di Jacobiano Generalizzato e successivamente il modello viene validato con simulazioni dinamiche nel software multibody Adams.