Wybór architektury manipulatora oraz analiza obciążeń

Początkowo zaproponowano cztery różne architektury manipulatora:

1:

2:

3:

4:

Jakie parametry bierze się pod uwagę oceniając daną architekturę manipulatora?

Pierwszym parametrem jest ocena kinematycznych osobliwości manipulatora. Są to takie położenia pracy manipulatora w których nie jest możliwe wygenerowanie ruchu końcówki z dowolną prędkością jaka wynika z chociażby z szybkości zastosowanych napędów. Inaczej mówiąc, aby przesunąć końcówkę manipulatora z punktu a do punktu b z niewielką nawet prędkością, należałoby wykonać ruchy członami manipulatora z nieskończenie dużą prędkością. Poniższy przykład wyjaśnia w czym rzecz.

Mamy dwa manipulatory. Jeden to pręt zamocowany na przegubie kulistym. Drugi to pręt zamocowany na dwóch przegubach obrotowych. Jeżeli zechcemy aby przegub kulisty przemieszczał końcówkę pręta w płaszczyźnie pomiędzy pozycją1 a 2, możemy to zrobić. Jeżeli będąc w pozycji 2 lub 1 zechcielibyśmy przy pomocy przegubu kulistego przemieszczać końcówkę pręta w płaszczyźnie wyznaczonej pozycjami 3 i 4 to też natychmiast możemy wykonać ten ruch. Im szybciej będzie pracował przegub kulisty tym szybciej wykonamy zadane przemieszczenie.

Inaczej mają się sprawy w przypadku dwóch przegubów obrotowych. Jeżeli zechcemy przemieszczać końcówkę pręta z pozycji 1 do pozycji 2, to wygląda to tak samo jak w przypadku przegubu kulistego. Natomiast jeżeli chcielibyśmy przemieszczać końcówkę pręta pomiędzy pozycjami  1 i 3 to najpierw należałoby obrócić podstawę o 90 stopni a dopiero później wykonywać zadane ruchy. Obrót podstawy spowoduje opóźnienie manipulatora w stosunku do tego z przegubem kulistym. Manipulator o obrotowej podstawie musiałby się obrócić nieskończenie szybko aby wykonać ruch natychmiast w płaszczyźnie prostopadłej do poprzedniej.

Wydaje się, że zwracanie uwagi na tego typu parametry to robienie z igły widły. Problem jest znaczący w trakcie gdy próbujemy zaprogramować manipulator aby pracował samodzielnie. Algorytmy sterowania takim manipulatorem przy wejściu w obszar osobliwości, gubią się i nie są w stanie przeprowadzić operacji. Dlatego też ważne jest znać miejsca osobliwości danego manipulatora i albo starać je omijać, jak to zostało przyjęte dla WMS-Lemur albo stosować specjalne algorytmy do wychodzenia lub przechodzenia przez obszary osobliwości. Poniżej znajduje się przykładowy wykres który przedstawia obszary przestrzeni w których występują osobliwości. 

Poza osobliwościami kinematycznymi są jeszcze osobliwości dynamiczne. Różnią się one od kinematycznych tym, że pod uwagę bierzemy fakt iż baza do której zamocowany jest manipulator jest ruchoma i poruszanie manipulatorem ma wpływ na położenie bazy w przestrzeni.

Drugim parametrem jest określenie przestrzeni roboczej manipulatora. Jest to taka przestrzeń w której dowolnym punkcie może znaleźć się końcówka manipulatora.

Trzecim parametrem jest określenie obciążeń jakie wystąpią w trakcie wykonywania poszczególnych scenariuszy.

Dokowanie do satelity:

 

 

Obserwacja satelity:

Zmiana orbity:

Dokowanie do obiektu o skomplikowanym kształcie np. do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej:

Praca w warunkach grawitacji:

Z analiz wynika że obciążenia powstałe na skutek zmiany orbity są zbyt duże, aby manipulator jako jedyne połączenie dwóch satelitów mógł wytrzymać. Jeżeli kiedykolwiek WMS-Lemur miałby przeprowadzać tego typu operację, musiałby służyć tylko do tego aby przechwycić satelitę i doprowadzić go do sztywnego, odpowiednio wytrzymałego portu znajdującego się na satelicie serwisowym.

Biorąc pod uwagę pozostałe scenariusze, to manewr przechwytywania a zwłaszcza wyhamowywanie koziołkowania satelity przechwytywanego, generuje największe obciążenia. To one są wymiarujące dla przyszłej struktury mechanicznej WMS-Lemur.

Scenariusz opisujący pracę w warunkach grawitacji jest przypadkiem odwrotnym. Chodzi o to aby znaleźć taki sposób podwieszenia manipulatora by powstałe siły nie przekroczyły wartości określonych dla wariantu wymiarującego oraz marginesów bezpieczeństwa przyjętych dla konstrukcji manipulatora.

Ostatecznie wybrano architekturę nr 2.