Studio e realizzazione di un robot per l'esplorazione spaziale

La presente tesi di laurea descrive lo studio e la realizzazione di David, un veicolo per l’esplorazione lunare sviluppato da un gruppo di ricercatori e studenti del Centro Interdipartimentale di Ricerca “E. Piaggio” dell’Università di Pisa in occasione della competizione Lunar Robotics Challenge indetta dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA). In particolare vengono trattate due delle principali innovazioni del robot proposto per la competizione: il sistema di locomozione e il sistema di acquisizione del materiale campione. Tenendo conto delle specifiche della competizione, viene fornito un resoconto della scelta tra cinque tipi differenti di ruote che sono state ideate, progettate e provate sperimentalmente in condizioni simili a quelle della competizione. Il sistema scelto è risultato molto efficiente nell’affrontare pendenze del 89% sul terreno vulcanico del Monte Teide, Tenerife, sito in cui ha avuto luogo la competizione. Per ridurre la distanza da percorrere su terreno sconnesso ed evitare i rischi connessi con il raggiungimento del fondo del cratere, il veicolo è stato dotato di un innovativo sistema di acquisizione del materiale, un manipolatore a lancio. La manipolazione a lancio è una tecnica con cui l’organo terminale viene lanciato, acquisisce il materiale campione, e quindi viene recuperato per mezzo di un sottile cavo che funge da “filo da pesca”. Il manipolatore a lancio sviluppato per David sfrutta una innovativa tecnica a fionda, in grado di effettuare lanci più lunghi e più precisi rispetto alla versione precedente. Allo scopo di dimostrarne l’efficacia, vengono riportati l’analisi e i risultati sperimentali della fionda robotica di David. Infine viene presentato un breve resoconto dei risultati della competizione ESA Lunar Robotics Challenge, durante la quale la squadra si è classificata al secondo posto su un totale di otto squadre qualificatesi per la fase finale. This thesis describes the design and implementation of David, a lunar vehicle developed by a team of the Interdepartmental Research Centre “E. Piaggio” of the University of Pisa for the European Space Agency (ESA) Lunar Robotics Challenge, presenting severe terrain negotiation and sample acquisition challenges. Two of the main innovative aspects of the entry to the challenge, i.e. the locomotion system and the sample acquisition system, are discussed in some detail. Motivated by the challenge specifications, a range of different locomotion system were considered, among which a simple, rugged and effective wheeled system has been chosen. It is provided an account of the choice of five different types of wheels, which were designed, analyzed and experimentally tested in conditions similar to the challenge. The system eventually turned out to be very effective in negotiating 89% slopes of volcanic terrain on the challenge site, Mount Teide in Tenerife. To reduce the distance to be traveled on the difficult terrain and avoid risks in reaching the lowest parts of a crater, the vehicle was endowed with an innovative sample acquisition system, i.e. a casting manipulator. Casting manipulation is a technique in which the end-effector is thrown, the sample material is acquired, and the end-effector is retrieved using a light tether that acts as a “fishing line”. The casting manipulator developed for David uses an innovative sling-like technique, capable to obtain longer and more precise casts than previous oscillating versions. The analysis and experimental verification of David’s robot sling are reported, demonstrating its effectiveness. Finally, a brief account of the outcomes of the ESA Lunar Robotics Challenge is given, where the team came in second over other eight teams that passed the final qualification phase