Assembly and Nonlinear H Infinitye Control of Free-Floating Base Space Manipulators.

Robôs manipuladores espaciais serão aplicados, em um futuro próximo, em serviços de resgate e manutenção de naves e satélites em órbita. O estudo e o desenvolvimento de controladores para esse tipo de sistema é fundamental para que essas aplicações se tornem realidade. Nesta tese, uma plataforma experimental é construída para possibilitar a avaliação comportamental desse tipo de sistema. Baseada em um módulo de flutuação por colchões de ar, é composta por uma base livre, elos conectados por juntas e efetuadores. Duas possibilidades de flutuação foram definidas para tornar a estrutura mais versátil, a primeira utiliza uma câmara de ar na mesa de apoio e a segunda utiliza câmaras de ar na base e em cada junta do robô. Sua estrutura mecânica modular permite diversas configurações, com um ou dois braços compostos por elos rígidos ou flexíveis. Toda a eletrônica de comando e a alimentação dos componentes do robô são alocadas em sua base flutuante, baseando a comunicação do sistema com o computador remoto em um padrão de comunicação sem fio. O software de controle, desenvolvido em Matlab e residente no computador remoto, apresenta uma interface amigável e intuitiva, possibilitando a utilização tanto do UARM como do robô de base livre flutuante para testes simulados e experimentais de sistemas de controle. A principal característica dos manipuladores espaciais é o acoplamento dinâmico entre a base e o braço robótico. A fim de evitar as complicações envolvidas no mapeamento cinemático desses sistemas, o problema de acompanhamento de trajetória é formulado diretamente no espaço da tarefa. Assim as posições do efetuador do manipulador são diretamente controladas. O equacionamento dinâmico do manipulador de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do Manipulador Dinamicamente Equivalente. Propõe-se uma solução de controle adaptativo robusto baseado no critério H Infinito para lidar com o problema de acompanhamento de trajetória sujeito a incertezas no modelo e distúrbios externos. A adaptabilidade das redes neurais é aliada à robustez definida por um controlador H Infinito não linear, compondo diferentes técnicas desenvolvidas de acordo com o conhecimento e a disponibilidade do modelo do robô para o controlador. A análise de resultados de simulação e de experimentos realizados no UARM mostraram a aplicabilidade dos métodos, assim como sua capacidade de robustez. Gráficos ilustraram o procedimento do acompanhamento de trajetória realizado pelo efetuador do manipulador espacial identificando a ação das leis de controle propostas. Uma comparação numérica entre as estratégias foi estabelecida por índices de desempenho relacionados ao consumo de energia e ao erro de acompanhamentoSpace manipulators robots will be applied, in a near future, in rescue services and maintenance of spacecraft and satellites in orbit. The study and development of controllers for this type of system is crucial to ensure that those applications become reality. At this thesis, an experimental platform is built to enable behavioral assessment of this type of system. Based on a floating module by air bearings, it is composed by a free base, links connected by joints and end-effectors. Two possibilities of fluctuation were set to make the structure more versatile. The first uses an air chamber in the support desk and the second uses air chambers at the base and in each joint of the robot. Its modular mechanical structure allows a variety of configurations, with one or two arms which may be composed of flexible or rigid links. The entire command electronics and the power of the robots components are allocated in its floating base, basing the system communication with the remote computer in a wireless communication standard. The control software, developed in Matlab and residing on the remote computer, presents a friendly and intuitive interface, enabling the use of both the UARM and the free-floating base robot for simulated and experimental testing of control systems. The main characteristic of space manipulators is the dynamic coupling between the base and the robotic arm. In order to avoid the complications involved in kinematic mapping of these systems, the problem of trajectory tracking is formulated directly in task space. So the positions of the manipulator end-effector are directly controlled. The dynamic equation of the free-floating manipulator is described from the concept of Dynamically Equivalent Manipulator. A solution of adaptive robust control is proposed, based on H¥ criterion to deal with the problem of trajectory tracking subject to uncertainties in the model and external disturbances. The adaptability of neural networks is combined with robustness defined by a nonlinear H Infinite controller composing different techniques developed in accordance with the knowledge and the availability of the robots model to the controller. The analysis of results of simulation and experiments performed in UARM showed the applicability of the methods, as well as its capacity for robustness. Graphs have illustrated the trajectory tracking procedure conducted by the end-effector of the space manipulator identifying the action of control laws proposed. A numerical comparison between the strategies was provided by performance indices related to energy consumption and the tracking erro