Unendo performance e robustezza, gli attuatori Dynamixel di ROBOTIS sono utilizzati per la prototipazione nel campo della robotica spaziale, in particolare dal CNES (Centro Nazionale francese di Studi Spaziali).
Il CNES li impiega anche per la progettazione del prototipo terrestre di un robot di esplorazione che sarà inviato su Fobos, uno dei due satelliti naturali del pianeta Marte.
L’obiettivo di questo piccolo robot: studiare le proprietà fisiche e la composizione del regolite che copre la superficie di Fobos.
Perché andare su Fobos?
Questo progetto di rover, frutto di una cooperazione tra Francia e Germania, fa parte della missione MMX (Martian Moons Exploration), dell’agenzia spaziale giapponese JAXA.
L’obiettivo della missione MMX è comprendere meglio la storia della formazione delle due lune di Marte. Lo studio dei satelliti di Marte dovrebbe permettere di perfezionare gli attuali modelli di formazione dei pianeti del sistema solare, in particolare, di saperne di più sull’origine dell’acqua sulla Terra. Per questo motivo, la sonda giapponese è dotata di una serie di strumenti scientifici. Atterrerà successivamente sulle due lune per raccogliere alcuni grammi di regolite, che saranno poi riportati sulla Terra tramite una capsula di ritorno per essere studiati.
Il piccolo rover sarà rilasciato sulla superficie di Fobos dalla sonda MMX durante un sorvolo a bassissima altitudine. La sua missione dovrebbe durare circa un centinaio di giorni.
Va notato che le due piccole lune potrebbero svolgere un ruolo importante nella conquista di Marte da parte dell’uomo. Infatti, sono viste come stazioni di collegamento tra il viaggio interplanetario e l’atterraggio vero e proprio. Proprio come il modulo Apollo, in orbita lunare, ha servito da collegamento per il lander di atterraggio Eagle nel 1969. La missione MMX dovrebbe essere lanciata nel 2024 dalla base di Tanegashima, con un ritorno del campione sulla Terra verso il 2029.
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La missione tedesca
Il DLR, l’agenzia spaziale tedesca, è responsabile della struttura esterna dell’astromobile, dei componenti che garantiscono la sua mobilità (gambe, ruote) e del meccanismo di separazione dalla sonda. Inoltre, forniranno due strumenti scientifici: un radiometro e uno spettrometro Raman.
La missione francese
Il CNES, l’agenzia spaziale francese, lavora sul computer di bordo e sul suo software di volo, sulla catena di alimentazione elettrica (pannello solare, batteria, convertitori) e sul link di telecomunicazione radio tra il rover e la sonda. Gli strumenti francesi sono costituiti da 4 telecamere ad alta risoluzione.
Architettura meccanica: focus sulla funzione uprighting
Abbiamo discusso di questa missione con Jean Bertrand, ingegnere al CNES e responsabile della meccatronica presso il Dipartimento di Robotica di Tolosa per l’Esplorazione Planetaria del Centro Spaziale di Tolosa.
Per la missione MMX, Jean Bertrand è responsabile della costruzione del modello terrestre del rover. Per la motorizzazione ha scelto di rifornirsi da Generation Robots, distributore esclusivo degli attuatori Dynamixel in Francia.
Lo scopo del modello funzionale del rover è quello di testare la funzione di raddrizzamento (detta « uprighting ») del rover MMX.
A cosa serve la funzione up-righting?
Quando la sonda spaziale MMX sorvolerà Fotos ad una altitudine molto bassa (circa 40 m), rilascerà il rover così com’è, senza alcun sistema di protezione o frenaggio. Poiché la gravità su Phobos è estremamente debole, una caduta libera di 40 m equivale a una caduta di soli 6 cm sulla Terra.
Il piccolo rover rimbalzerà quindi sulla superficie, fino a stabilizzarsi in una posizione casuale. Una volta che il robot sarà stabilizzato, verrà attivata la funzione uprighting.
Il robot eseguirà questa operazione complessa in completa autonomia, poiché il controllo remoto dalla Terra è assolutamente impossibile per tutta la fase di atterraggio. Un altro vincolo è che l’operazione dovrà avvenire con una sola carica della batteria, poiché, i pannelli solari sono ovviamente ripiegati sul dorso del rover in questa fase.
I motori dispiegheranno le lunghe gambe del robot (dotate di ruote alle estremità), che saranno poi utilizzate come leve per farlo rotolare lungo il terreno in modo che si trovi finalmente nella sua posizione operativa, in piedi sulle sue quattro ruote.
La sequenza di raddrizzamento (uprighting) è stata progettata per funzionare indipendentemente dalla posizione in cui il robot si stabilizzerà sulla superficie di Fotos. Se dovesse trovarsi su un fianco, le zampe non avrebbero effetto leva. La sequenza include quindi una posizione chiamata “paracadutista“, in cui il rover ha le quattro gambe orientate verso l’alto. Questa posizione gli permette di capovolgersi, almeno parzialmente, a pancia in su. Una serie di movimenti successivi delle quattro gambe gli consente infine di ritornare in posizione.
Una volta in posizione, i pannelli solari, che alimenteranno il robot durante tutta la sua missione, potranno essere dispiegati in totale sicurezza.
Un prototipo terrestre per testare e convalidare la funzione up-righting
Il prototipo utilizzato per effettuare i test e convalidare la funzione uprighting è necessariamente diverso dal robot che sarà inviato su Fobos.
Infatti, la gravità di Fobos è 2000 volte più debole di quella terrestre. Il vero rover, progettato per Fobos, rischierebbe di essere rapidamente distrutto se dovesse fare delle capriole sotto gravità terrestre. Il suo telaio in nido d’ape in fibra di carbonio e le sue sottili gambe (anche se realizzate in titanio) non sopporterebbero a lungo gli urti!
Il modello terrestre è robusto e non molto costoso rispetto al vero rover. Il suo telaio, praticamente infrangibile, è realizzato in policarbonato. I suoi attuatori sono della marca Dynamixel, e sono robusti e caratterizzati da un’alta precisione.
I punti di forza degli attuatori Dynamixel per il CNES
Questo progetto richiede motori con diversi tipi di controllo (in posizione o in velocità). È proprio ciò che offrono nativamente gli attuatori Dynamixel, che incorporano controlli PID precisi e stabili.
Allo stesso tempo offrono molteplici parametri di configurazione. È ad esempio possibile limitare facilmente la coppia, il che è importante per garantire la sicurezza degli operatori quando si utilizzano attuatori potenti come i Dynamixel-P. Per il dispiegamento delle gambe, la coppia degli attuatori è stata limitata al 30% oltre il valore necessario per il raddrizzamento del robot.
Un altro grande vantaggio degli attuatori Dynamixel per questa missione è che possono essere controllati tramite un collegamento seriale UART. Lo stesso avverrà anche per il robot che sarà inviato su Fobos, che utilizza SpaceWire, rete di telecomunicazione storicamente basata sullo standard IEEE 1355 e oggi utilizzato in un gran numero di missioni spaziali da NASA, ESA e JAXA (l’agenzia spaziale giapponese).
Ciò consente di sviluppare codici informatici abbastanza simili per controllare i motori sia del modello di prova che del vero rover. Ad esempio, come il sistema di locomozione del DLR, i Dynamixel possono recuperare la velocità e la coppia istantanee a una frequenza di 10 Hz. Questo è molto importante perché il monitoraggio continuo dello stato degli attuatori è una funzione vitale dell’algoritmo di uprighting.
Un altro vantaggio è che tutti gli attuatori della gamma sono controllati allo stesso modo, il che consente di testare diversi modelli di attuatori con lo stesso codice informatico e quindi determinare rapidamente quale sia l’attuatore ottimale per una specifica applicazione.
Durante le varie fasi del progetto, il team del CNES ha potuto così passare con facilità dagli attuatori MX-64 utilizzati sul primo prototipo, alla gamma professionale Dynamixel-P (modello PH54-100-S500-R) per il modello definitivo.
Versione del prototipo con attuatori MX64-AR
Versione del prototipo con attuatori PH54-100-S500-R
L’unico vincolo era quello di implementare una tabella di indirizzamento indicizzata negli attuatori Dynamixel-P, in modo che potessero essere controllati esattamente con lo stesso codice informatico dei Dynamixel MX o XM.
Nella versione finale del modello, questa tabella di mappatura consente l’utilizzo di catene miste tra gli attuatori Dynamixel delle ruote (serie XM) e i Dynamixel-P (ex Dynamixel Pro), utilizzati per il dispiegamento delle gambe.
Per il software incorporato nel mock-up, il CNES ha scelto il linguaggio C, sempre per rimanere il più vicino possibile al software del rover reale. Il C non è necessariamente il modo più semplice per pilotare gli attuatori Dynamixel, ma grazie al kit di sviluppo software (SDK) e alla documentazione fornita dal produttore ROBOTIS, è comunque accessibile a uno sviluppatore C con qualche anno di esperienza.
Selezione degli attuatori Dynamixel per il prototipo del rover MMX
Motorizzazione delle ruote: attuatori XM430-W210-R
=> Motivo della scelta: in questo caso, le dimensioni sono un fattore importante. Non è necessario avere una coppia elevata o molta velocità, ma servono attuatori compatti che possano essere posizionati all’interno delle ruote.
Dispiegamento delle gambe: attuatori MX-64AR, poi PH54-100-S500-R
=> Motivo della scelta: i primi test sono stati effettuati con i MX-64AR; ma in alcune situazioni un solo attuatore doveva sopportare tutto il peso del modello, risultando insufficiente in termini di coppia. Gli attuatori della gamma Dynamixel-P offrono invece una potenza ampiamente sufficiente in ogni situazione.
