Intra-vehicular free-flying manipulation

Space exploration has led to groundbreaking scientific and technological advancements, driving humanity closer to long-duration missions beyond Earth’s orbit. Upcoming projects such as the Lunar Gateway, a planned space station in lunar orbit developed by NASA, ESA, JAXA, and CSA, will serve as a staging point for deep-space missions to Mars and beyond, and play a crucial role in supporting humanity’s return to the Moon. However, operating in such environments presents significant challenges, including crew workload and limited resources. Studies by JAXA have highlighted that a considerable portion of astronauts' time is spent on routine tasks that could be automated, emphasizing the need for autonomous free-flying robots to enhance crew productivity and operational efficiency. These robots, both extravehicular (EV) and intravehicular (IV), will be critical not only in assisting astronauts but also in ensuring the success of future uncrewed missions. EV free-flying robots have demonstrated their potential in performing inspection, maintenance, docking support tasks, debris removal and assembly. They reduce astronaut exposure to hazardous environments and contribute to mission safety. Similarly, IV free-flying robots can play a key role in automating repetitive tasks within space habitats, such as cargo handling, inventory management, monitoring of experiments and tool transport, thereby reducing astronaut workload and allowing the crew to focus on mission-critical activities. Despite the growing interest in autonomous robotics, the specific application of these technologies for intra-vehicular manipulation operations remains underexplored in the existing literature. This thesis aims to analyze the manipulation performance of intra-vehicular free-flying robots. Two main studies have been conducted: a simulation of a cargo handling and transport task using a single-arm free-flying robot, and an analysis of the optimal configuration for a dual-arm free-flying robot, focusing on workspace efficiency and force transmission effects from the manipulators to the base. The findings provide valuable insights into the feasibility and effectiveness of IV free-flying robots in space station environments and their potential applications in future uncrewed deep-space missions.

L'esplorazione spaziale ha portato a progressi scientifici rivoluzionari, avvicinando l'umanità a missioni oltre l'orbita terrestre. Progetti come il Lunar Gateway, una stazione spaziale in orbita lunare sviluppata da NASA, ESA, JAXA e CSA, servirà come punto di sosta per le missioni nello spazio profondo verso Marte e oltre, e svolgerà un ruolo cruciale nel ritorno dell'umanità sulla Luna. Tuttavia, operare in questi ambienti presenta sfide significative, tra cui il carico di lavoro dell'equipaggio e le risorse limitate. Gli studi condotti dalla JAXA hanno evidenziato che una parte considerevole del tempo degli astronauti è dedicata a compiti di routine che potrebbero essere automatizzati, sottolineando la necessità di robot autonomi a volo libero per migliorare la produttività dell'equipaggio e l'efficienza operativa. Questi robot, sia extraveicolari (EV) che intraveicolari (IV), saranno fondamentali non solo per assistere gli astronauti ma anche per garantire il successo delle future missioni senza equipaggio. I robot EV a volo libero hanno dimostrato il loro potenziale nelle attività di ispezione, manutenzione, supporto all'attracco e rimozione di detriti. Riducono l'esposizione degli astronauti ad ambienti pericolosi e contribuiscono alla sicurezza della missione. Allo stesso modo, i robot a volo libero IV possono svolgere un ruolo chiave nell'automatizzazione dei compiti ripetitivi all'interno degli habitat spaziali, come il trasporto del carico, la gestione dell'inventario e il monitoraggio degli esperimenti, riducendo così il carico di lavoro degli astronauti e permettendo all'equipaggio di concentrarsi sulle attività critiche della missione. Nonostante il crescente interesse per la robotica autonoma, l'applicazione specifica di queste tecnologie per le operazioni di manipolazione all'interno delle stazioni spaziali rimane poco esplorata nella letteratura. Questa tesi si propone di analizzare le prestazioni di manipolazione di robot intraveicolari a volo libero. Sono stati condotti due studi principali: una simulazione di un'attività di trasporto di merci con un robot a braccio singolo, e un'analisi della configurazione ottimale per un robot a doppio braccio, concentrandosi sull'efficienza dello spazio di lavoro e sugli effetti di trasmissione della forza dai manipolatori alla base. I risultati forniscono preziose indicazioni sull'efficacia dei robot a volo libero IV negli ambienti della stazione spaziale e sulle loro potenziali applicazioni nelle future missioni nello spazio profondo senza equipaggio.