Impedance-Based Control of Space Robotic Manipulators. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF KFUPM_Thesis_desertation.pdf - Draft Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (13MB)

Arabic Abstract

تُعدّ مهام الخدمة على المدار، مثل إزالة الحطام الفضائي وصيانة الأقمار الصناعية، من المهام المعقدة التي تتطلب أساليب تحكم آمنة وذاتية. تتميّز هذه الأنظمة بديناميكيات غير خطية، وترابط قوي بين قاعدة المركبة الفضائية والذراع المناور، والعمل في بيئة الجاذبية الصغرى، بالإضافة إلى الحاجة إلى توزيع فعّال لقوى التحكم. تتناول هذه الأطروحة نمذجة نظام مركبة فضائية ذات قاعدة حرة مزوّدة بذراع مناور على فضاء التهيئة (SE(3)\times R^6) مع استخدام خريطة توزيع قوى خارجية-داخلية لفصل ديناميكيات زخم مركز الكتلة عن حركة طرف الذراع. كما يتم تطوير متحكم توافق يعتمد على تشكيل الطاقة وحقن التخميد بطريقة متسقة هندسيًا على هذا الفضاء. يمتد هذا العمل من التحكم التنظيمي إلى تتبع المسارات الزمنية المتغيرة، مما يتيح تحقيق توافق دقيق في الحركة بين طرف الذراع والأهداف غير المتعاونة ذات الحركة الدورانية قبل الالتقاط. وقد تم إثبات استقرار النظام وضمان خاصية السلبية أثناء التفاعل، دون الحاجة إلى معرفة مسبقة بخصائص الهدف مثل الكتلة أو العطالة. ولضمان تفاعل مستقر، تم تطوير بنية قائمة على المنافذ لاشتقاق قوى تماس توافقية سداسية الأبعاد انطلاقًا من طاقة التشوه، بما يضمن تفاعلًا مستقرًا ومتسقًا من ناحية الطاقة أثناء التلامس. تُظهر نتائج المحاكاة أن تتبع المسار يتفوق على التحكم التنظيمي، حيث يحقق تقاربًا أسرع وأخطاء أقل واستقرارًا أفضل لقاعدة المركبة. كما يتبين أن التحكم التنظيمي وحده غير كافٍ لالتقاط الأهداف الدوّارة، لعدم القدرة على إزالة الحركة النسبية بين الهدف وطرف الذراع. تهدف هذه الأطروحة إلى تقديم بنية تحكم موحّدة ومتسقة هندسيًا، قابلة للتطبيق في جميع مراحل المهمة، بدءًا من الاقتراب، مرورًا بالتفاعل، وصولًا إلى تثبيت النظام بعد الالتقاط في مهام الخدمة على المدار وإزالة الحطام الفضائي.

English Abstract

On-orbit servicing missions, such as debris removal and satellite repair, are becoming increasingly complex and demand safe, autonomous manipulation strategies. These systems are characterized by nonlinear dynamics, strong coupling between the spacecraft base and manipulator, operation in microgravity, and the need for effective control allocation. This thesis models a free-floating spacecraft–manipulator system on the configuration manifold (\mathrm{SE}(3) \times \mathbb{R}^6), employing an external–internal actuation mapping to decouple centroidal momentum dynamics from end-effector motion. A geometrically consistent compliance controller is formulated using Hamiltonian shaping and damping injection on (\mathrm{SE}(3)). This work extends from regulation to time-varying trajectory tracking, enabling precise twist matching with non-cooperative tumbling targets prior to capture. The stability of the closed-loop system is established, and passivity of the interaction is guaranteed, without requiring prior knowledge of the target inertia or mass. To ensure stable interaction, a port-based interconnection structure is used to derive a six-dimensional compliant contact wrench from a deformation energy function, ensuring passivity and energy-aware exchange during contact. Numerical simulation results demonstrate that trajectory tracking significantly outperforms regulation for motion control, achieving faster convergence, smaller transient errors, and improved base stabilization. Furthermore, in the case of a tumbling target, it is shown that regulation alone is insufficient for capture, as the relative twist between the end-effector and the target cannot be nullified. While most of the literature focuses on isolated phases of space manipulator missions, the purpose of this thesis is to introduce a unified, geometrically consistent control architecture applicable across the approach, interaction, and post-capture stabilization phases of on-orbit servicing and debris removal missions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Syed Saad Ali,
Thesis Committee Members:	Mohamed Ismail, Ramy Rashad,
Depositing User:	PANSIE KHODARY (g202392110)
Date Deposited:	20 May 2026 07:27
Last Modified:	20 May 2026 07:27
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144387