Robotic joint sealing testing and development for operations on dusty extraterrestrial bodies

Many missions are forseen to be carried out and developed having as target the surface of celestial bodies as Moon and Mars. Extraterrestrial dust is one of the main problems encountered during those missions. The challenges posed by the extraterrestrial dust are due to its fineness and abrasiveness. If no protective measures are foreseen for robotic applications in these environments, this dust can reach the internal mechanisms, such as bearings or gears, where it can cause excessive degradation of the components and can eventually lead to mission failure. In this thesis, a joint seal of a modular robotic arm for extraterrestrial operation has been tested against dust exposure. Testing approach and methodology trade-offs has been carried out based on literature and guidelines. Test setup and procedures have been elaborated accounting the relevant environmental conditions, the mission operations and the expected lifetime. Tests have been executed, and successive observations have been carried out on the parts involved to evaluate the wear and the damages caused by the dust exposure. Wear mechanisms have been identified and, based on the results, design improvements of the seal has been developed.

Con l’aumento dell’esplorazione della Luna e di Marte, sta crescendo rapidamente anche il numero di missioni che interessano ambiti come meccanismi e robotica, le cui attività coinvolgono meccanismi di spiegamento, manipolazione di campioni, sistemi di acquisizione o supporto a complessi strumenti robotici. Una sfida sempre presente per le misisoni sulla superficie dei corpi celesti è rappresentata dalla polvere, caratterizzata dalla sua finezza e abrasività. Senza adeguate misure di protezione, questa polvere può raggiungere i meccanismi interni, come cuscinetti o ingranaggi, dove può causare un eccessivo degrado dei componenti e portare infine al fallimento della missione. In questa tesi sono state testate la tenuta e l’efficacia delle guarnizioni di uno snodo di un braccio robotico modulare, sviluppato per operare su superfici di corpi extraterrestri ed esposto a polvere. La metodologia di test è stata sviluppata sulla base della letteratura e di linee guida rilasciate dalle maggiori agenzie spaziali. La configurazione e le procedure di test sono state elaborate tenendo conto delle condizioni ambientali rilevanti, delle operazioni di missione e della durata prevista. I test sono stati eseguiti e osservazioni sono state effettuate sulle parti coinvolte per valutare l’usura e i danni causati dall’esposizione alla polvere. I processi di usura delle varie parti sono stati identificati e, basandosi sui risultati, sono stati individuati migliorie da implementare sul design attuale.