Hingeless arm for space robotics actuated through shape memory alloys: thermal analysis and mechanical optimization

The hostile space environment has forced Man to make instruments that can withstand extreme conditions, controlled remotely. The realization of light and flexible robotic arms to carry out risky, extremely long or impossible operations is an area of research in continuous growth. This thesis aims to use NiTiNOL wires as actuators for a flexible and lightweight composite construction. In addition, the designed structure is continuous: this allows to make prototypes of the desired length without joints. The uses of the final component are different, and the most relevant are: the inspection of otherwise inaccessible areas and the refuelling of spatial structures. This work continues the one already dealt with in the thesis of Dr. Biasutti Tiziana: HINGELESS ARM FOR SPACE ROBOTICS ACTUATED THROUGH SHAPE MEMORY ALLOYS. The goal is to increase the TRL (technology readiness level) of already existing prototypes. Thermal analysis and mechanical optimization of the structure are the areas on which we focus. The work is divided into four large analyses. The first concerns the thermal behaviour of the structure by simulating the spatial environment. The limits of direct exposure of the model to radiations are highlighted and the mechanisms to mitigate these problems are devised. The second analysis starts from these considerations and addresses the problem of thermal control of the structure and the cooling of NiTiNOL wires. The third aims to the mechanical optimization of the structure, varying fundamental geometric parameters such as pitch, diameter and width of the composite part. The purpose is to identify more flexible configurations which can be sufficiently rigid as well. The last analysis concerns the real activation of the created prototypes and the measurement of the displacement that the NiTiNOL wires can generate. The choice of the model that satisfies these four analyses is fundamental for the resolution of the problems that the component will face in its operating life.

L'ambiente spaziale ostile ha costretto l'uomo a realizzare strumenti, controllati a distanza, in grado di resistere a condizioni estreme. La realizzazione di bracci robotici leggeri e flessibili per effettuare operazioni rischiose, estremamente lunghe o impossibili è un'area di ricerca in continua crescita. Questa tesi si propone di utilizzare fili di NiTiNOL come attuatori per una struttura leggera e flessibile in materiale composito. Inoltre, il componente progettato è continuo: ciò consente di realizzare prototipi della lunghezza desiderata senza giunzioni. Gli usi dello strumento finale sono diversi e i più rilevanti sono: l'ispezione di aree altrimenti inaccessibili e il rifornimento delle strutture spaziali. Questo lavoro prosegue quello già trattato nella tesi della Dott.ssa Biasutti Tiziana: HINGELESS ARM FOR SPACE ROBOTICS ACTUATED THROUGH SHAPE MEMORY ALLOYS. L'obiettivo è quello di aumentare il TRL (livello di preparazione tecnologica) dei prototipi già esistenti. L'analisi termica e l'ottimizzazione meccanica della struttura sono le aree su cui ci siamo concentrati. Il lavoro è suddiviso in quattro grandi analisi. La prima riguarda il comportamento termico della struttura simulando l'ambiente spaziale. Vengono evidenziati i limiti dell'esposizione diretta del modello alle radiazioni e vengono ideati i meccanismi per mitigare questi problemi. La seconda analisi parte da queste considerazioni e affronta il problema del controllo termico della struttura e del raffreddamento dei fili di NiTiNOL. La terza mira all'ottimizzazione meccanica della struttura, variando i parametri geometrici fondamentali come il passo, il diametro e la larghezza della parte composita. Lo scopo è quello di identificare configurazioni più flessibili che possano essere anche sufficientemente rigide. L'ultima analisi riguarda l'attivazione reale dei prototipi creati e la misurazione dello spostamento che i fili di NiTiNOL possono generare. La scelta del modello che soddisfa queste quattro analisi è fondamentale per la risoluzione dei problemi che il componente dovrà affrontare nella sua vita operativa.