Multi-functional SElf reconfigurable robotic arm (RAMSEs) and adjoined solar panel preliminary design for lunar entry approach platform for research on ground

As space technologies are advancing the next challenging mission is to bring humans to Mars, paving the way for other deep-space destinations. Work on the Moon is a good test-bed for Mars as it can provide an opportunity to demonstrate new technologies that could help build self-sustaining outposts: the key success lies in international collaboration to achieve sustainability through the use of reusable architectures, and the capability to utilize Moon resources to create a permanent Lunar base. In this context, a reusable and completely autonomous lander capable of performing multiple tasks on the Moon’s surface can help to accomplish the aforementioned objective. One of the projects exploring this new construct is from USC’s Space Engineering Research Center (SERC) in its Lunar Entry and Approach Platform for Research on Ground (LEAPFROG) testbed. This is a hands-on project for students to simulate flight and ground activities for the lunar environment through tech generations as a repeatable flight system that uses a jet engine to simulate flight in lunar gravity on Earth. LEAPFROG Generation-II goal is to re-think the function of a lander so that it can perform multiple activities with the same mass after landing. A Master of Science research thesis in exploiting the capability of changing a single monolithic functioning lunar lander into a multi-functional platform is presented. This thesis will focus on the design of Multi-functional SElf-reconfigurable Robotic Arm (RAMSEs) with 7 degrees of freedom (DOF) as well as a unique adjoined solar panel design. RAMSEs will be capable of performing different soil activities after landing (i.e. to take samples, to drill, to dig, etc.), and before landing acting as a secondary structure on fuel tanks during the flight mode. A kirigami inspired solar panel design is also presented that is manipulated by the arm, which also serves two functions. The research aim is to find the most suitable configuration of RAMSEs as well as the most compact and functional design for the on-board solar panel. Matlab Simulink® simulations will prove the RAMSEs capability to follow a prescribed trajectory which links tools allocated onboard points and their final point to perform the pre-selected activity. To deploy the dual function solar panel, an origami-based structure is used to extends six times its folded configuration to save space on-board while its usage is not required. This high utility low-cost concept will be proven through a 3D-printed testbed described in the thesis.

Con l'avanzare delle tecnologie spaziali, la prossima sfida è portare gli esseri umani Marte, consentendo il raggiungimento di altre destinazioni nello spazio profondo. La Luna è considerata un banco di prova per raggiungere Marte in quanto può fornire un'opportunità per testare nuove tecnologie che potrebbero aiutare a costruire sistemi autosufficienti: la chiave del successo sta in una collaborazione internazionale per garantire la sostenibilità grazie ad architetture riutilizzabili e nella capacità di utilizzare le risorse lunari per creare una base permanente. In questo contesto, un lander riutilizzabile e completamente autonomo in grado di eseguire molteplici compiti sulla superficie della Luna servirebbe a raggiungere questo obiettivo. Uno dei progetti che esplorano questo nuovo costrutto proviene dallo Space Engineering Research Center (SERC) della USC ossia il Lunar Entry and Approach for Research on Banco di prova Ground (LEAPFROG). E' un progetto pratico su cui gli studenti possono lavorare e testare attività di volo e di atterraggio per l'ambiente lunare attraverso l'uso di un motore a getto, capace di simulare la gravità lunare a Terra. L'obiettivo della seconda generazione del progetto LEAPFROG è quello di ridisegnare la funzione di un lander in modo che possa così eseguire più attività con la stesso corpo una volta atterrato. La ricerca si focalizza sulla modifica di un lander da monolitico a multifunzionale. Questa tesi descrive la progettazione del braccio robotico multifunzionale SElf-riconfigurabile (RAMSEs) con 7 gradi di libertà (DOF) estendibili a 14 e sul design unico del pannello solare che andrà manipolato. RAMSEs è in grado di svolgere diverse attività sul suolo dopo l'atterraggio (es. prelevare campioni, trivellare, scavare, ecc.), e prima di atterrare funge da struttura secondaria sui serbatoi di carburante durante il volo. Viene anche presentato un design del pannello solare ispirato alle strutture ad origami, che svolge anche due funzioni. Lo scopo della ricerca è quello di trovare la configurazione più adatta di RAMSEs nonché quella più compatta e funzionale per il pannello solare. Le simulazioni di Matlab Simulink® dimostreranno che Capacità di RAMSEs di seguire una traiettoria prestabilita che collega gli strumenti allocati a bordo punti e il loro punto finale per eseguire l'attività preselezionata. Per distribuire il pannello solare a doppia funzione, una struttura a base di origami viene analizzata e realizzata che si estende fino a 6 volte la configurazione compatta per risparmiare spazio a bordo mentre il suo utilizzo non è richiesto. Questa alta utilità e basso costo sarà dimostrato attraverso un banco di prova stampato in 3D descritto nella tesi.