The opportunity to operate outside the aircraft via remotely controlled structures is an important aspect in the space context. The research in this area is focused on designing robots that are sufficiently flexible to allow inspection in locations where access is difficult or impossible for astronauts, while minimising weight and bulk. The aim of the following thesis is to use Nitinol wires as actuators, taking advantage of their weight and the possibility to place them directly inside the composite layers during lamination process. The ultimate purpose of the research is to design a boroscope for space applications with a continuous structure, actuated through the shape memory effect of the wires. After a study of the state of the art of actuated flexible structures, concentrated in the medical and robotic fields, the research work was divided into two parts. In the first part, several composite solutions were considered and analysed using finite element analysis, leading to the definition of the boroscope geometrical parameters to be manufactured and an initial estimate of the displacements that can be achieved. In the second phase, seven prototypes were produced, with one and more wires, in order to achieve a configuration that can be actuated in different directions. The experimental phase ended with the execution of tests that allowed the verification of the performance of the structure and the validation of numerical predictions.

La possibilità di accedere ad aree esterne al velivolo tramite strutture controllate da remoto è un aspetto particolarmente importante in ambito aerospaziale. La ricerca in questo contesto si concentra nella progettazione di robot sufficientemente flessibili, per permettere di ispezionare ambienti in cui l’accesso risulti complicato o impossibile per gli astronauti, cercando al contempo, di ridurre al minimo il peso e l’ingombro. Il seguente lavoro di tesi si prefigge di utilizzare fili di Nitinol come attuatori, sfruttando il loro peso ridotto e la possibilità di disporli direttamente all’interno delle lamine di composito con il processo di laminazione. Lo scopo ultimo della ricerca è progettare un "boroscopio" per uso spaziale con una struttura continua, attuata tramite l’effetto a memoria di forma dei fili. A valle di uno studio dello stato dell’arte sulle strutture flessibili attuate, concentrato nell’ambito medicale e robotico, il lavoro di ricerca è stato diviso in due parti. Nella prima parte sono state considerate e analizzate diverse soluzioni in composito, con analisi ad elementi finiti, che hanno portato alla definizione dei parametri geometrici del boroscopio da realizzare e ad una stima iniziale degli spostamenti che è possibile ottenere. Nella seconda fase sono stati prodotti sette prototipi, con uno e più fili, per arrivare ad una configurazione attuabile in più direzioni. La fase sperimentale si è conclusa con la realizzazione di test che hanno permesso di verificare il funzionamento della struttura e validare le previsioni numeriche.

Hingeless arm for space robotics actuated through shape memory alloys

Biasutti, Tiziana
2020/2021

Abstract

The opportunity to operate outside the aircraft via remotely controlled structures is an important aspect in the space context. The research in this area is focused on designing robots that are sufficiently flexible to allow inspection in locations where access is difficult or impossible for astronauts, while minimising weight and bulk. The aim of the following thesis is to use Nitinol wires as actuators, taking advantage of their weight and the possibility to place them directly inside the composite layers during lamination process. The ultimate purpose of the research is to design a boroscope for space applications with a continuous structure, actuated through the shape memory effect of the wires. After a study of the state of the art of actuated flexible structures, concentrated in the medical and robotic fields, the research work was divided into two parts. In the first part, several composite solutions were considered and analysed using finite element analysis, leading to the definition of the boroscope geometrical parameters to be manufactured and an initial estimate of the displacements that can be achieved. In the second phase, seven prototypes were produced, with one and more wires, in order to achieve a configuration that can be actuated in different directions. The experimental phase ended with the execution of tests that allowed the verification of the performance of the structure and the validation of numerical predictions.
RIGAMONTI, DANIELA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
7-ott-2021
2020/2021
La possibilità di accedere ad aree esterne al velivolo tramite strutture controllate da remoto è un aspetto particolarmente importante in ambito aerospaziale. La ricerca in questo contesto si concentra nella progettazione di robot sufficientemente flessibili, per permettere di ispezionare ambienti in cui l’accesso risulti complicato o impossibile per gli astronauti, cercando al contempo, di ridurre al minimo il peso e l’ingombro. Il seguente lavoro di tesi si prefigge di utilizzare fili di Nitinol come attuatori, sfruttando il loro peso ridotto e la possibilità di disporli direttamente all’interno delle lamine di composito con il processo di laminazione. Lo scopo ultimo della ricerca è progettare un "boroscopio" per uso spaziale con una struttura continua, attuata tramite l’effetto a memoria di forma dei fili. A valle di uno studio dello stato dell’arte sulle strutture flessibili attuate, concentrato nell’ambito medicale e robotico, il lavoro di ricerca è stato diviso in due parti. Nella prima parte sono state considerate e analizzate diverse soluzioni in composito, con analisi ad elementi finiti, che hanno portato alla definizione dei parametri geometrici del boroscopio da realizzare e ad una stima iniziale degli spostamenti che è possibile ottenere. Nella seconda fase sono stati prodotti sette prototipi, con uno e più fili, per arrivare ad una configurazione attuabile in più direzioni. La fase sperimentale si è conclusa con la realizzazione di test che hanno permesso di verificare il funzionamento della struttura e validare le previsioni numeriche.
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