Wp : 210 Analisi dello stato dell` arte

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Politecnico di Milano Laboratorio di Robotica
Wp : 210
Analisi dello stato dell’ arte
1. Introduzione sulla robotica spaziale
Ai nostri giorni la parola “Robot” viene spesso applicata ad ogni apparecchiatura che lavora
automaticamente o è controllata in remoto da menti umane, e si riferisce in special modo a quelle
macchine in grado di essere programmate in modo tale da svolgere compiti umani, mentre nel
secolo scorso tale parola: “Robot” usualmente stava ad indicare sistemi meccanici o androidi capaci
di lavorare e agire come esseri umani .
I robot spaziali, a prescindere dalla loro funzione, hanno sistemi comuni: schede di controllo,
sensori, attuatori, sistemi di telecomunicazione e riserve di energia. I sensori forniscono le
informazioni sul robot e sull’ambiente in cui si trova; tali informazioni vengono processate dal
sistema di controllo che ne ricava i comandi da fornire agli attuatori e i dati necessari da spedire a
terra, e gli attuatori da ultimo eseguono questi comandi. I lunghi tempi di trasmissione di dati
attraverso le radiofrequenze durante una missione interplanetaria precludono la possibilità di un
controllo remoto da terra in tempo reale. Di conseguenza la maggior parte dei robot adoperati per
questo scopo deve essere in grado di agire anche in maniera autonoma, e ciò vale in special modo
per i rovers che si trovano ad affrontare un ambiente ostile con rocce, crateri, sabbia e altri ostacoli
a volte imprevedibili.
Tra i numerosi criteri scientifici di costruzione del software di controllo dei robot, si hanno
metodologie tratte dal controllo industriale, sofisticate oltremodo per gestire anche il telecomando a
distanza. Oppure si adottano spesso criteri legati a reti neurali e logiche fuzzy, per essere in grado di
gestire situazioni imprevedibili, affidandosi a dati statistici, noti agli operatori del programma.
Oltre a strategie in certo senso tradizionali per l’ambiente terrestre, il controllo dei robot spaziali sta
indirizzandosi anche a prendere ispirazione dal mondo animale e in special modo dal mondo degli
insetti utilizzando un sistema di controllo modulare e stratificato capace di interagire in maniera
dinamica con l’ambiente.
Sempre più spesso si studiano veri e propri algoritmi genetici di apprendimento per rendere la
macchina capace di adattarsi all’ ambiente
Grazie all’evoluzione degli ultimi anni e alle nanotecnologie, nano sensori, nano attuatori e grazie a
fonti di energia migliori in capacità e di dimensioni sempre più ridotte rispetto a quanto adottato
negli ultimi anni, si sta rendendo possibile l’utilizzo di piccoli robot sia per l’esplorazione planetaria
che per l’esplorazione di luoghi difficilmente accessibili sulla terra, quali i fondali marini, l’interno
dei vulcani,etc.
I primi rover usati nello spazio per l’esplorazione lunare delle missioni Apollo, vedi fig. 1.1,
erano molto simili per forma e dimensioni a vere e proprie automobili elettriche guidate
dall’uomo.
Figura 1.1-Rover Lunare missione Apollo15
Mentre ora, a quasi 40 anni di distanza, nell’ultima missione NASA su Marte del 2004 la sonda
Spirit (vedi Fig1.2) presenta dimensioni molto ridotte e contiene in sè una vasta gamma di sensori e
videocamere per consentire una esplorazione efficace e un moto sicuro ad una velocità di 141 metri
al giorno sul suolo marziano.
Figura1.2-Rover Spirit
I rover sono ormai i robot standard dell’attuale era spaziale. In effetti il loro utilizzo è largamente
previsto oltre che dalla NASA anche nel programma Aurora dell’ESA, (il programma Aurora è un
programma europeo per l’esplorazione di Marte). È possibile prevedere che i rover costituiranno
sempre elemento fondamentale per l’esplorazione spaziale nel prossimo futuro.
Alcuni esempi di questo utilizzo in ambito europeo sono il MIRO-2 , Fig. 1.3, sviluppato dall’ESA.
È un rover di circa 12 kg, dotato di una trivella che può raccogliere fino a 10 campioni di rocce,
arrivando a una profondità di circa 2 metri. Una volta completata la raccolta, è in grado di tornare
alla base per l'analisi mineralogica.
Figura 1.3-Rover MIRO-2 Figura1.4-Rover Nanokhod
Nanokhod, invece, è un rover piccolissimo, di circa 2 kg e delle dimensioni di un libro, (Fig. 1.4). E
tuttavia è in grado di trasportare e posizionare strumenti di circa 1 kg.
Spesso ci si ispira alla natura nella creazione di robot: Aramies / Scorpion, per esempio, possiede 8
gambe a più gradi di libertà. (vedi Fig. 1.5).
Figura 1.5- Robot Scorpion/Aramies
2. CRONOLOGIA DELLE MISSIONI ROBOTICHE
Riportiamo la cronologia dello sviluppo dell’esplorazione spaziale svolta fino ad ora con robot,
termine generale, come abbiamo visto, per indicare rover e sonde automatiche.
Tale cronologia ha lo scopo di evidenziare l’utilità sempre crescente di macchine intelligenti nelle
missioni spaziali. Per documentare tale cronologia riportiamo le missioni in ordine cronologico
indicandone il nome, la nazione che l’ha lanciata e una breve descrizione degli obbiettivi principali.
In questo testo ci limitiamo a riportare solamente le missioni che hanno visto la presenza di rovers /
landers sulla superficie di un corpo celeste.
2.1 CRONOLOGIA
SATELLITARI
Missioni già concluse
DELLE
MISSIONI
SPAZIALI
ROBOTICHE
E
Luna 3 (USSR) Lanciato il 4 Ottobre 1959. E’ stato il primo veicolo spaziale a passare dietro la
Luna e a trasmettere a Terra foto del suolo lunare. (1959)
Mariner 2 (USA) Lanciato il 27 Agosto 1962. Ha compiuto con successo il primo flyby passando a
35.000 km dalla superficie di Venere il 14 Dicembre 1962. (1962)
Mariner 4 (USA) Lanciato il 28 Novembre 1964. Ha compiuto il primo flyby di Marte passando a
10.000 km dalla superficie il 14 Luglio 1965, e mandando a terra 21 foto dell’emisfero meridionale.
(1964-1965)
Luna 9 (USSR) Lanciato il 31 Gennaio 1966. Ha compiuto il primo atterraggio morbido sulla
superficie lunare seguito dalla prima trasmissione Tv dalla Luna. (1966)
Luna 16 (USSR) Lanciato il 12 Settembre 1970. E’ stato la prima missione di sample-return dalla
superficie lunare. La sonda ha trasportato circa 0.1 kg di suolo lunare sulla Terra contenuto in una
capsula sferica recuperata il 24 Settembre. (1970)
Luna 17 trasportava il Lunokhod 1 (USSR) Lanciato il 10 Novembre 1970. Lunokhod 1, figura
1.6, è stato il primo rover lunare robotico, ha percorso 10.54 km, compiendo test al suolo lunare in
500 siti differenti e mandando a terra più di 20.000 foto in 11 mesi di attività . (1970-1971)
Figura 1.6-Rover Lunokhod 1
Mariner 9 (USA) Lanciato il 30 Maggio 1971. Prima sonda orbitante entrò nell’orbita di Marte il
13 Novembre 1971 mandando a terra più di 7.000 foto dettagliate di Marte e delle sue lune . (19711972)
Luna 20 (USSR) Lanciato il 14 Febbraio 1972. Eseguì una missione di sample-return dalla Luna.
La capsula fu recuperata il 25 Febbraio. (1972)
Pioneer 10 (USA) Lanciato il 2 Marzo 1972. Ha eseguito il primo flyby di Giove spingendosi al di
fuori del sistema solare. (1972-2003)
Luna 21 trasportava il Lunokhod 2 (USSR) Lanciato il 8 Gennaio 1973. Lunokhod 2, (Fig. 1.7) ha
viaggiato per 36 km sulle montagne Taurus e mandato a terra più di 80.000 foto in 4 mesi. (1973)
Figura 1.7-Rover Lunokhod 2
Pioneer 11 (USA) Lanciato il 5 Aprile 1973. Ha eseguito un flyby di Giove e il primo flyby di
Saturno. E’ poi uscito dal sistema solare diretto verso la costellazione dell’Aquila. (1973-1995)
Mariner 10 (USA) Lanciato il 3 Novembre 1973. Ha eseguito un flyby di Venere e tre flyby di
Mercurio. Ha dimostrato la tecnica del gravity assist per la prima volta e mandato sulla Terra 2.700
foto durante i suoi tre incontri con Mercurio. (1973-1974)
Viking 1 and Viking 2 (USA) Lanciati il 20 Agosto e il 9 Settembre 1975. Hanno eseguito il primo
atterraggio morbido su Marte. I Viking landers hanno analizzato il suolo marziano alla ricerca di
tracce di vita mentre i Viking orbiters hanno mappato la superficie di Marte con ottima qualità.
(1975- 1982)
Magellan (USA) Lanciato il 4 Maggio 1989. Ha usato un sistema radar per mappare il 98% della
superficie di Venere, e ha dimostrato la tecnica dell’aerobraking per la prima volta. (1989-1994)
Galileo (USA) Lanciato il 18 Ottobre 1989. E’ entrato per primo in orbita attorno a Giove e ne ha
studiato l’atmosfera entrandovi il 21 Settembre 2003. (1989-2003)
NEAR (Near Earth Asteroid Rendezvous) Shoemaker (USA) Lanciato il 17 Febbraio 1996. Ha
incontrato l’asteroide Mathilde il 27 Giugno 1997. E’ poi entrato in orbita dell’asteroide Eros il 14
Febbraio 2000 ed è sceso sulla sua superficie il 12 Febbraio 2001. (1996-2001)
Mars Pathfinder trasportava il Sojourner (USA) Lanciato il 4 Dicembre 1996. Ha dimostrato per
la prima volta la tecnica di discesa diretta sul pianeta. Sojourner, il primo rover planetario, ha
percorso 100 m, compiendo 16 analisi chimiche delle rocce e del suolo marziano e ha mandato sulla
Terra 550 foto in 3 mesi ( Fig.1.8) .(1996-1997)
Figura 1.8-Rover Sojourner
Deep Space 1 (USA) Lanciato il 24 Ottobre 1998. Ha dimostrato il funzionamento della
propulsione a ioni e di un sistema di navigazione autonomo, ha incontrato l’asteroide 9969 Braille il
28 Luglio 1999, e la cometa Borrelly il 22 Settembre 2001. (1998-2001)
Voyager 2 (USA) Lanciato il 20 Agosto 1977. Ha eseguito i flybys di Giove e Saturno, e per la
prima volta i flybys di Urano e Nettuno. E’ uscito dal sistema solare e sta ancora trasmettendo dati a
Terra.
Voyager 1 (USA) Lanciato il 5 Settembre 1977. Ha eseguito i flybys di Giove e Saturno. E’ uscito
dal sistema solare e sta ancora trasmettendo dati .
Ulysses (ESA/USA) Lanciato il 6 Ottobre 1990. Ha usato Giove per cambiare il piano orbitale di
90° ed è passato sopra le regioni polari del sole durante la sua minima attività nel 1994-1995 e
durante la massima attività solare nel 2000-2001. Passerà ancora sulle regioni polari del Sole al
prossimo minimo nel 2006-2008.
Cassini-Huygens (USA/ESA) Lanciato il 15 Ottobre 1997. Cassini è stata la prima sonda ad
entrare in orbita attorno a Saturno mentre Huygens ha esplorato Titano. Huygens è sceso sulla
superficie di Titano il 14 Gennaio 2005.
Nozomi (Japan) Lanciato il 4 Luglio 1998. Originariamente doveva entrare nell’orbita di Marte e
studiarne l’alta atmosfera e le sue interazioni con il vento solare, ma a causa dei danni inflitti dal
Sole al suo sistema di comunicazioni e al sistema energetico ora sta monitorando l’attività solare in
un’orbita al di là di quella marziana .
Stardust (USA) Lanciato il 7 Febbraio 1999. E’ la prima missione di sample return da una cometa.
Ha incontrato la cometa Wild 2 il 2 Gennaio 2004. Ha raccolto campioni della cometa e della
polvere spaziale.
Genesis (USA) Lanciato l’8 Agosto 2001. E’ la prima missione di sample return che sfrutta il vento
solare. Genesis è stato in orbita nel punto lagrangiano L1 e in quella posizione ha raccolto campioni
del vento solare che ha riportato sulla terra nel settembre 2004.
Mars Express (ESA) con Beagle 2 lander (UK) Lanciato il 2 Giugno 2003 ha raggiunto Marte il
25 Dicembre 2003. Il Mars Express orbiter sta studiando l’atmosfera e la superficie marziana
mentre tutti i tentativi di comunicare con il lander Beagle 2 dal momento dell’atterraggio sono
falliti.
Mars Exploration Rovers (USA) Spirit (MER-A), lanciato il 10 Giugno 2003, è atterrato su Marte
il 4 Gennaio 2004. Opportunity (MER-B), lanciato il 7 Luglio 2003, è atterrato su Marte il 25
Gennaio 2004 (vedi fig1.9). Hanno analizzato rocce e suolo con un set di 5 strumenti scientifici e un
kit abrasivo per scalfire la parte esterna delle rocce e cercare al loro interno tracce di vita.
Figura 1.9 -Rover Opportunity
Hayabusa (MUSES-C) (Japan) Lanciato il 9 Maggio 2003. Prima missione di sample return da un
asteroide. Ha incontrato l’asteroide 1998SF36 nell’Ottobre 2005, recuperati dei campioni dalla
superficie e li riporterà sulla terra nel Giugno 2007.
SMART-1 (ESA) Lanciato il 27 Settembre 2003. Sta usando la propulsione a ioni per trasferirsi da
un’orbita geostazionaria su un’orbita lunare, la sonda usa alcuni strumenti innovativi per fotografare
la superficie lunare e mappare la sua composizione geologica e minerale.
Rosetta (ESA e Francia) Lanciata nel Marzo 2004. La sonda Rosetta dovrà incontrare la cometa
67P/Churyumov- Gerasimenko nel Maggio/Giugno 2014 e far atterrare sul suo nucleo il lander
RoLand (abbreviativo di Rosetta Lander) nel Novembre 2014.
Messenger (USA) Lanciato nel Marzo 2004. Sarà la prima sonda ad orbitare attorno a Mercurio.
Entrerà nell’orbita di Mercurio il 6 Aprile 2009 e indagherà le caratteristiche del pianeta e il suo
clima.
Lunar-A (Japan) Lanciato sulla Luna nel 2004. Fotograferà la superficie dall’orbita attorno al
satellite e indagherà la struttura interna della Luna attraverso la propagazione di onde sismiche al
suo interno tramite sonde sulla superficie.
TrailBlazer (USA) Lanciato sulla Luna nel 2004. Sarà la prima missione commerciale sulla Luna e
la prima trasmissione HDTV da un’orbita lunare .
Deep Impact (USA) Lanciato nel Dicembre 2004. Ha incontrato la cometa Tempel 1 nel Luglio
2005; in prossimità della cometa ha rilasciato un piccolo modulo d’impatto il 3 Luglio e ne ha
osservato l’impatto e le sue conseguenze.
SuperSat (USA) Assemblato e realizzato dalla ISS nel 2005. Userà la propulsione elettrica a ioni
per trasferirsi dall’orbita terrestre bassa all’orbita lunare.
Selene (Japan) Lanciato sulla Luna nel 2005. Osserverà la superficie della Luna dall’orbita per un
anno prima di testare un atterraggio sulla superficie .
Mars Reconnaissance Orbiter (USA)
Lanciato nell’Agosto 2005. Entrerà in orbita attorno a Marte nel Marzo 2006 e fotograferà
la superficie con una risoluzione di 30cm .
Venus Express (ESA)
Lanciato nel Novembre 2005. Entrerà in orbita attorno a Venere nell’Aprile 2006. Studierà
l’atmosfera e la superficie di Venere.
Pluto-Kuiper Belt (USA)
Lanciato nel Gennaio 2006. Visiterà per la prima volta Plutone, Caronte e la cintura di
Kuiper (la regione al di là di nettuno) entro il 2026.
3. MISSIONI FUTURE
Phoenix Mars Scout (USA)
Sarà lanciato nel 2007. Atterrerà in una regione ghiacciata nell’emisfero settentrionale di Marte nel
Maggio 2008 e analizzerà campioni di suolo per determinare la possibilità della presenza di vita
presente o passata.
Mars Science Laboratory (USA)
Sarà lanciato nel 2009. Atterrerà sulla superficie Marziana ed esplorerà la superficie per un intero
anno marziano o più a lungo ricercando un ambiente ospitale per la vita .
ExoMars (ESA)
Sarà lanciato nel 2009. Caratterizzerà l’ambiente biologico marziano usando un orbiter, un lander e
un rover in preparazione di future missioni robotiche e umane.
BepiColombo (ESA and Japan)
Sarà lanciato nel 2011. La missione sarà composta da due orbiters e da un lander inviati su
Mercurio. Il Mercury Planetary Orbiter (ESA) studierà la superficie e la composizione interna del
pianeta. Il Mercury Magnetospheric Orbiter (Japan) studierà la magnetosfera. Il Mercury Surface
Element (lander) determinerà la composizione chimica e le proprietà fisiche della superficie, in
particolare la concentrazione di ferro presente negli strati superficiali del pianeta.
Jupiter Icy Moons Orbiter (USA)
Sarà lanciato nel 2011 o dopo. Questa proposta di missione dovrebbe usare una propulsione
elettrico-nucleare a ioni, dopo essere entrato nell’orbita di Giove la sonda orbiterà intorno a
Callisto, Ganimede ed Europa (satelliti di Giove) per indagare la loro formazione, la loro storia, e le
possibilità di ritrovarvi forme di vita, dato che tutte e tre le lune potrebbero avere profondi oceani
sotto la superficie ghiacciata.
4. VEICOLO PER LO SPAZIO E VARI SISTEMI DI LOCOMOZIONE
Lo scopo principale di questa sezione è quindi di analizzare criticamente sottosistemi di
locomozione diversi, focalizzandoci sulle loro caratteristiche, senza stabilire a priori quale sia la
migliore soluzione per un robot per le esplorazioni spaziali.
Il sottosistema di locomozione di un rover può essere realizzato con soluzioni diverse. I requisiti
principali che deve soddisfare sono i seguenti:
• stabilità;
• abilità di movimento;
• robustezza meccanica;
• payload del rover.
La prima importante differenza tra vari sistemi di locomozione deriva dai diversi tipi
locomozione adottati, fra i quali i più sviluppati sono:
•
•
•
di
sistema che usa le ruote ;
sistema che usa le gambe;
sistema che usa i cingolati
4.1 SISTEMI DI LOCOMOZIONE A RUOTE
( In questa parte sono stati utlizzati elementi deln Rapporto di ricerca realizzata per il
progetto ‘Robotic Technologies for Planetary Exploration’, Studio ASI, Fase A )
E’ la classe più comune. Può essere suddivisa a sua volta in quattro tipologie di base:
•
•
•
•
Ruota Standard (Fig. 1). Questo tipo di ruota ha un solo grado di libertà; le ruote possono
ruotare intorno all’asse motorizzato;
Ruota Castor (Fig. 2). Queste ruote hanno due gradi di libertà; possono ruotare sia intorno
all’asse motorizzato che intorno all’asse di castor;
Ruota Swedish (Fig. 3) Anche queste ruote hanno due gradi di libertà; possono ruotare sia
intorno all'asse motorizzato che mediante la rotazione di rulli posizionati sulla superficie
della ruota;.
Palla o ruota sferica (Fig. 4). Queste ruote hanno due gradi di libertà. Questo soluzione ha
molti problemi, il primo importante riguarda il sistema di sospensione che non è
tecnicamente risolto. La ricerca è ancora in sviluppo in molti laboratori in tutto il mondo
negli ultimi anni ha portato a soluzioni interessanti e valide per ambiente terrestre.
Figura 1 - Ruota standard
Figura 2 - Ruota Castor
Figura 3 - Ruota Swedish Figura 4 - Ruota Sferica
Per soddisfare la garanzia della stabilità, un veicolo deve avere almeno tre ruote; superando questo
numero minimo, aumenta anche la stabilità. Comunque con un numero di quattro o più ruote il
sistema è più stabile, ma nello stesso tempo, essendo un sistema iperstatico, necessiterà di un
sistema di sospensioni adeguato.
Anche per questi sistemi ci sono configurazioni diverse che tengono conto del numero di ruote e
della possibilità di sterzatura. , Si può avere una suddivisione preliminare di queste tipologie di
rover:
•
•
•
ruote fisse;
ruote fisse ma articolate tramite il corpo del rover;
ruote sterzanti
Una seconda suddivisione può essere fatta in base al numero di ruote ed avremo:
• tre ruote: questo sistema ha problemi con la stabilità su terreni irregolari o grezzi;
•
quattro ruote: con questa configurazione la stabilità è aumentata , ma come la precedente
questa soluzione non appare molto adatta per terreno irregolare, in quanto non ha una
buona capacita rampicante; .
• sistema di locomozione con sei ruote: questo tipo di sistema offre un grande
miglioramento per quanto riguarda la capacità rampicante e una migliore stabilità
paragonato al sistema di locomozione con quattro ruote.
Nelle figure sottostanti vengono rappresentate quattro configurazioni diverse: la Fig. 5 rappresenta
un sistema di locomozione con tre ruote dove solo la ruota davanti permette di sterzare; la Fig. 6
rappresenta un sistema di locomozione con sei ruote con le ruote situate sugli assi degli angoli
direzionabili; la Fig. 7 riporta possibili configurazioni di disposizione delle ruote sterzanti di sistemi
di locomozione con quattro ruote La Fig. 8 mostra due innovativi sistemi di ruote sterzanti che
sono stati poco studiati fino a questo momento.
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Da questo punto in poi il sistema di locomozione con tre ruote non sarà discusso in quando non ha
una stabilità adeguata agli scopi di questo lavoro sulla robotica spaziale, perlomeno
nell’inpostazione finora seguita e qui proposta. Tuttavia i sistemi di locomozione con quattro o più
ruote, come accennato in precedenza, hanno bisogno di un sistema più flessibile di sospensioni e le
soluzioni adottate principalmente nei rover sono:
• sospensione rocker-boogie
• sistema di ‘corpo‘ articolato.
Per quanto riguarda la dimensione delle ruote, quanto più il diametro delle ruote è grande, tanto più
il rover permette il superamento di ostacoli più alti. Nello stesso tempo però, un diametro più
grande richiede una coppia motrice più grande o la necessità di applicare un rapporto di
trasmissione di riduzione della scatola degli ingranaggi.
4.1.1 ROVER CON RUOTE FISSE
Esistono alcuni sistemi di locomozione che non hanno le ruote orientabili. Ci potrebbero essere
soluzioni che presentano quattro o più ruote. In questa configurazione di sistema, la rotazione è
ottenuta applicando velocità differenziali sulle ruote opposte.
Questo sistema di locomozione è meccanicamente piuttosto semplice. Un esempio è il concetto del
Regional Rover (Fig. 9). Questo veicolo ha quattro ruote non orientabili che sono montate su un
sistema di leva che può essere ruotato nella direzione del carrozza principale del veicolo. Il
movimento di innalzamento/abbassamento alternato viene ottenuto dalla struttura e dal telaio
principali del rover.
Figura 9 - Regional Rover
4.1.2 Rover con ruote fisse e con telaio articolato
Un sistema di questo tipo offre una migliore mobilità comparata a quello con ruote fisse
convenzionali. Rispetto al caso precedente, questa soluzione presenta una maggiore mobilità di
movimento sul terreno sconnesso ma allo stesso tempo presenta anche lo svantaggio riguardo alla
sistemazione del payload all’interno del rover che diventa un elemento più problematico Il carico
utile deve essere posizionato al di sopra del corpo articolato del rover.
Una delle configurazione più comuni a sei ruote e tre corpi articolati, è il rover di Marsokhod
LAMA.
Marsokhod rover LAMA
Il telaio di LAMA è composto da tre paia di ruote non-direzionali ed indipendentemente guidate,
montate su tre assi che possono rotolare indipendentemente l’una dall’altra. Questa configurazione
permette al robot di superare gli ostacoli con grande abilità.
Questa mobilità fornisce al sistema la capacità di realizzare il movimento peristaltico, moto che
permette di spostare il centro inerziale controllando il movimento coordinato delle rotelle e degli
assi. Il moto peristaltico è più adatto per scalare pendenze, mentre il muoversi su un suolo granulare
è permesso dal moto di rollio. Nel caso migliore su terreno granulare, questo robot è capace di
scalare pendenze di 25 gradi tramite l'uso del moto di rollio mentre può arrampicarsi sopra pendii
di 30 gradi grazie al moto peristaltico.
Figura 10 – Rover LAMA
4.1.3 ROVER CON RUOTE DIREZIONABILI
Questo tipo di configurazione rappresenta un miglioramento della configurazione precedente.
Rispetto al rover con le ruote non orientabili, la possibilità di movimento è aumentata grazie
all’opportunità di orientare simultaneamente le ruote per evitare gli ostacoli. Ci sono tipologie
differenti di configurazioni delle ruote direzionabili.
Ruote orientabili montate su un telaio articolato:- IARES
Questo rover è dotato di sei ruote orientabili motorizzate indipendentemente, ad angoli orientabili di
± 40 grad. Una struttura articolata permette che il rover si adatti passivamente lungo il relativo asse
trasversale alla presenza degli ostacoli incontrati nel suo percorso Una combinazione della
deformazione longitudinale, passiva ed attiva, insieme ad un pareggiamento attivo di caricamento
della ruota è usato per superare un pendio.. La scatola degli ingranaggi di riduzione a due velocità
offre una velocità massima di 0.10 m/s in prima marcia e di 0.35 m/s in seconda marcia.
La possibilità di variare la separazione fra le ruote permette al rover di camminare e di muoversi
agevolmente su vari tipi di suoli polverosi e coesivi, di arrampicarsi su ostacoli fino ad un’altezza di
0,5 m, e di scalare pendii con una pendenza massima di 30 gradi per suolo polveroso e di 40 gradi
per terreni coesivi e duri.
Figura 11 - Sistema IARES
IARES presenta sia i vantaggi del rover LAMA di Marsokhod (grazie al corpo articolato) che i
vantaggi di un veicolo orientabile: la capacità elevata per evitare e scalare ostacoli; l'adattabilità
su superfici grezze; l’aumento della capacità di trasporto di payload .
Sojourner-like rovers
Il sistema di locomozione è formato da sei ruote in alluminio del diametro di 16 cm, dotate di
sospensioni particolari (Rocker-Bogie), che gli danno un'ottima stabilità durante la marcia
sull’irregolare terreno marziano; può inclinarsi lateralmente di 45°, e oltrepassare ostacoli alti fino a
20 cm. Le ruote sono coadiuvate da sensori che in ogni istante monitorano l’ambiente in cui si trova
il veicolo, permettendo di controllare ed arrestare la marcia in situazioni critiche.
La sospensione Rocker-Bogie e stata sviluppate da JPL (Jet Propulsion Laboratory) alla fine degli
anni '80. Questa piattaforma a carrello-bilanciere, senza assi né molle, si adatta alla geometria del
terreno e può superare ostacoli alti due volte il diametro delle ruote.
Le ruote sono tutte motrici e alimentate separatamente, per fornire la massima capacità di trazione
sulla sabbia soffice. Le ruote anteriori e posteriori sono sterzanti e permettono al veicolo di girare
sul posto. La richiesta di potenza nominale del sistema di movimentazione è di 10 W ed è fornita
dal sistema pannello solare/batterie.
Il controllo del movimento viene effettuato tramite un'attivazione ad impulso della trasmissione dei
motori sterzanti. Una media delle letture dell'encoder motore (trasmissione) o del potenziometro
(sterzo) determina i tempi di attivazione dei motori. Quando i motori sono spenti, il computer attiva
una funzione di determinazione del rischio, usando il laser e il sistema di telecamere per individuare
gli ostacoli più prossimi. Il veicolo è in grado di superare autonomamente gli ostacoli e proseguire
verso l'obiettivo comandato. Quando il rover è fermo, il computer aggiorna la misura della distanza
percorsa e da percorrere, usando gli encoder delle ruote e un giroscopio. Ciò produce una stima
dell'avvicinamento all'obiettivo.
La discesa del Sojourner dal lander dopo l'atterraggio è favorita da 2 rampe fissate come il rover,
durante il viaggio, con cavi e bulloni esplosivi.
Ciascuna delle sei ruote necessita di un motore; quattro sono i motori responsabili della guida del
veicolo (sterzanti), ed uno serve all'apparato scientifico: un totale di 11 motori. Sono motori DC
prodotti dalla Maxon Motor di Sachseln, in Svizzera: undici motori RE Æ16, di diametro 16 mm
Figura 12 – Sojourner
Lunakhod I
Lunakhod è un rover con otto ruote con capacità di girare indietro. Gli elementi primari del telaio
di Lunakhod sono quattro moduli di ruote in lega di alluminio, ognuno con due braccia. Lo
scompartimento principale della strumentazione serve anche come base sulla quale questi moduli
sono montati. Il compartimento principale serve come base alla quale sono montati questi moduli.
L’adattamento al terreno è ottenuto attraverso un sistema di sospensioni usando componenti elastici
di torsione
Figura 13 - Lunakhod
Nomad
Questo rover può muoversi attraverso tre modalità diverse:
• rotazione di steering;
• rotazione doppia di Ackerman steering;
• rotazione attorno a un punto.
Rapportato ai sistemi precedenti, il modo differente di movimento adottato per il Nomad è la doppia
Ackerman steering. Questo movimento è realizzato attraverso due coppie di quattro barre
articolate, una coppia su ognuno dei due boogies del veicolo. Un'asta di spinta è fissata ad un asse
di ogni collegamento dell'uscita. La guida è eseguita da due cremagliere che sono tirate in direzioni
opposte da un solo pignone, alloggiato tra i due collegamenti . L'asse di ogni modulo della ruota è
perpendicolare e rigidamente fissato a ciascuno dei quattro collegamenti prodotti, in modo che
l'angolo di direzione sia uguale all'angolo dei collegamenti dell'uscita.
Figura 14 – Nomad
4.1.4 ROCKER BOOGIE SUSPENSION ROVER
In un rover con la configurazione di rocker boogie, il veicolo mantiene un peso sostanzialmente
costante e quindi la trazione è su tutte le ruote anche se una ruota si muove più in alto o più basso
delle altre. Il rocker boogie non usa componenti elastici come la molle, perché la sospensione della
molla sulla ruota che sta superando un ostacolo riduce la distribuzione del peso sulle ruote restanti
riducendo l'abilità di superamento. La deviazione della molla genera una forza in discesa sulle
ruote alzate che a sua volta produce una forza ascendente sulle altre ruote che riducono la loro
trazione.
In questa sezione verranno presentate le seguenti configurazioni:
• quattro ruote con il sistema di rocker boogie per la sospensione
• sei ruote con il sistema di rocker boogie per la sospensione
• otto ruote con il sistema di rocker boogie per la sospensione
Soluzioni che considerano più di otto ruote non sono considerate perché non offrono alcun
miglioramento significativo in capacità di trazione e di stabilità.
Quattro ruote con il sistema di rocker boogie per la sospensione
Nella Fig. 15 vengono presentate due soluzioni possibili del rocker bolgie. Entrambe le soluzioni
presentano quattro ruote direzionabili ed una asse centrale trasversale.
La seconda soluzione è diversa dalla prima soluzione, perché in questa soluzione le ruote sono
connesse alla sospensione di rocker boogie con le leve. Con queste leve il rover è capace di
distribuire uniformemente il carico.
Figura 15
Tra queste due soluzioni, la seconda è preferita alla prima in quanto ha una stabilità statica
aumentata rispetto alla prima soluzione e presenta una mobilità migliore su terreno sconnesso.
Entrambe le soluzioni presentano la stessa efficienza nella sistemazione del payload.
Sei ruote con il sistema di rocker boogie per la sospensione
Ci sono due concetti differenti per la sospensione del rocker boogie. Queste due soluzioni sono
illustrate nella Fig. 16 . Le prima e la seconda figura sono la linea di base per il ExoMars rover,
mentre la terza figura è usata in molti progetti dei rover , dal prototipo Rocky 7 al rover Sojourner.
La seconda soluzione è inoltre la linea di base del rover C.a.s.i.m.i.ro. realizzato dal Politecnico di
Milano, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dalla Prof. Amalia Finizi.
.
Figura 16
L'unica differenza tra queste soluzioni è che quattro ruote nella prima configurazione sono montate
su delle leve, e la loro posizione può essere aggiustata con l’aiuto dei walking motors. Questa
soluzione permette al carico di essere distribuito uniformemente quando va in salita o in discesa ,
o su un pendio obliquo (Fig. 17), utilizzando una modalità di wheel-walking simile a quello
effettuata dal Marsokhod.
Figura 17
Nella seconda soluzione le quattro ruote sono montate direttamente sul meccanismo del boogie
senza alcuna leva. Per entrambe le soluzioni, ogni sospensione laterale include una ruota centrale e
collegamenti che la accoppiano alla parte posteriore e alla parte anteriore. I due gruppi di ruote sono
collegati al corpo da un unico perno centrale, che identifica una fragilità del sistema in quanto un
perno sostiene la metà della lunghezza - e quindi del peso - del corpo.
Le caratteristiche principali dei rover dotati di sospensione di rocker boogie sono:
•
alta capacità di superamento degli ostacoli. Quando 2 ruote stanno superando un ostacolo ,
ricevono una spinta ulteriore dalle altre quattro ruote.
• la capacità del sistema rocker boogie con sei ruote di superare ostacoli è valida solo in
un’unica direzione di marcia per la seconda soluzione
Il rocker boogie può superare ostacoli fino a 1.5 volte il diametro della ruota e inclinazioni –
pendenze fino a 32 gradi.
Otto ruote con il sistema di rocker bolgie per la sospensione
Il sistema con otto ruote (Fig. 18) può avere un doppio rocker boogie. A differenza della soluzione
precedente, questo sistema di doppio rocker boogie minimizza l'impatto nel superamento
dell’ostacolo, ed ha la capacità di superare gli ostacoli in qualsiasi direzione di marcia.
Figura 18
Variante di Rocker Boogie
PEGASUS: (Fig. 19 presenta cinque ruote di cui quattro sugli angoli del veicolo ed una quinta ruota
sotto al centro del veicolo. Questa soluzione permette al rover di superare un ostacolo di altezza
fino a 1,5 volte il diametro della ruota; il prototipo PEGASUS è capace di una velocità di 1.5 cm/s.
Figura 19 - PEGASUS
SHRIMP:(Fig.20) sei ruote indipendentemente azionate in una configurazione a forma di rombo.
Una ruota anteriore è montata su un bidente (sistema diviso in due ) e la ruota posteriore è legata
direttamente al telaio del rover Ci sono anche due ruote di tipo boogie ad ogni lato. Tutti i rover
con la conformazione di boogie avevano, come abbiamo visto, montato le due ruote centrali a
metà del boogie e di solito le ruote sono montate su un perno centrale. I boogies hanno una
configurazione parallela per offrire la stabilità laterale.
Lo sterzo è realizzato ruotando la ruota anteriore e quella posteriore che impongono lo stesso
movimento alle ruote di boogie situate sulla parte laterale . Il SHRIMP può superare ostacoli due
volte più grandi del diametro della ruota, ha un’alta capacità di arrampicarsi e mantiene una buona
stabilità anche per pendenze vicino ai 40 gradi.
Figura 20 - SHRIMP
4.1.5 SIMPLE TRACK SYSTEM
Il sistema di cingolati è un’ottima soluzione principalmente dal un punto di vista della trazione ,
perché il peso e la trazione del veicolo possono essere distribuiti su una grande superficie.
I vantaggi di questo sistema sono multipli, e proveremo a concentrare l’attenzione sui vantaggi
principali. Innanzitutto questo sistema fornisce una grande trazione anche su terreni non
necessariamente livellati, o su terreni allentati. Ha un’eccellente capacità di superamento di ostacoli
di varie dimensioni e nello stesso tempo la tecnologia utilizza è conosciuta e semplice.
Altri vantaggi del sistema cingolato sono un controllo semplice e una buona disposizione del
payload.
Questo sistema ha però qualche svantaggio dovuto all'inefficienza causata dell'attrito nei cingoli, e
all’attrito dovuto allo slittamento nel movimento quando il veicolo deve girare.
Questi tipi di veicoli soffrono degli effetti dovuti ad impatti, per esempio durante il superamento di
grandi massi o quando essi devono affrontare la discesa con pendenze ripide. I sistemi cingolati che
hanno dimensioni longitudinali elevate non sono molto efficaci nel controllo e nella stabilità nel
superamento di ostacoli elevati .
Rover Nanokhod e Pebble
Nanokhod ha un design studiato in particolare per l’ottimizzazione per quanto riguarda la
dimensione del payload. Il centro è la carrozza del payload, che è sospesa lungo l’asse centrale di
rotazione da due leve. Queste offrono due gradi di libertà necessari per posizionare la carrozza che
può essere ruotata di 180 gradi attorno al suo asse centrale (Fig. 21).
Il veicolo si muove con i cingolati , che sono costruiti con una sottile lamina di acciaio con cunei di
metallo per migliorarne la trazione. Le unità di locomozione contengono i motori, gli ingranaggi ed
i sottosistemi del rover per la misura, la telecomunicazione, il controllo e l’alimentazione.
Figura 21
Multi tracks system
Per compensare le problematiche del sistema semplice con un cingolato, ci sono veicoli progettati
con due o più accoppiamenti di cingoli
TAQT-carrier
Il robot Terrain Adaptive Quadru-Track (TAQT) (Fig. 22) è formato da due cingoli che sono
incernierati al corpo. I vantaggi principali di questo robot sono il fatto di avere una adattabilità
migliore al terreno e una locomozione più regolare su terreni difficili
Figura 22 Terrain Adaptive Quadru-Track (TAQT)
URBIE rover
URBIE (Fig. 23) è un robot che può autonomamente muoversi su un terreno ampiamente variato.
Il relativo sistema di locomozione è realizzato da due cingoli su ogni lato del rover. Due
articolazioni cingolate sono montate di fronte al robot. Queste braccia possono ruotare a 360 gradi
permettendo il superamento degli ostacoli; il sistema unico di Urbie permette che attraversi e superi
molti ostacoli e barriere con forme diverse. La caratteristica più importante di questo sistema, è che
le articolazioni del cingolo permettono il raddrizzamento del rover una volta che si sia rovesciato.
Figura 23 URBIE rover
Ibrido ruote–cingolato: un sistema mobile
JPL sta sviluppando una versione ibrida di Urbie che ha ruote e cingoli . Le ruote sono utilizzate per
muoversi più rapidamente che non i cingoli su terreno liscio. Quando il robot deve arrampicarsi o
muoversi su terreni sconnessi, abbandona la configurazione ibrida, e riassume nuovamente la
modalità di cingolato (Fig. 24).
Figura 24- Ibrido ruote–cingolato
ELMS: Elastic Loop Mobility System
Il sistema di ELMS (Fig. 25) come il precedente è considerato un sistema ibrido perché combina
ruote e cingoli. ELMS impiega un cingolo a banda continua ed elastica che avvolge le ruote
anteriore e posteriore, formando due curvature di 180 gradi per ogni ciclo.
Il problema più importante in una configurazione a cingolo è l'intrusione, nell'accoppiamento della
ruota-catena, della sabbia e polvere. Questo è uno dei motivi che possono fare inceppar il
meccanismo. Con il sistema ELMS, il contatto fra i tamburi dell'azionamento ed il cingolo elastico
si limita a sezioni molto piccole nella parte superiore della ruota, e questo comporta che il ciclo è
praticamente esente da tutta la sporcizia, polvere o da qualunque altro residuo raccolto dal cingolato
durante il contatto con la terra. Nella configurazione degli ELMS , l'effetto di smorzamento fornito
dal cingolo elastico è dato gli ammortizzatori che collegano le ruote di azionamento ed il telaio.
Impiegare un cingolo continuo e senza fine elimina parecchie fonti di attrito interno e riduce la
complessità meccanica. Il sistema degli ELMS presenta vantaggi, come l’alta mobilità, e allo stesso
tempo una efficace sistemazione del payload - il sistema degli ELMS è collegato ad un singolo
telaio- . Uno svantaggio di questo tipo di sistemi consiste nel fatto di avere una bassa stabilità
statica.
Figura 25 ELMS: Elastic Loop Mobility System
4.1.6 LEGGED ROBOTS
Il vantaggio principale di veicoli che utilizzano le gambe rispetto a quelli con le ruote è la loro
mobilità aumentata su terreno grezzo. Un secondo vantaggio, specialmente per robot autonomi è
che le gambe sono in generale “sensori” molto più ricchi che non le ruote.
L'abilità di una gamba nello spostarsi sul terreno sconosciuto, la possibilità di scoprire attraverso
l’avanzamento nell’ambiente che si sta esplorando alcune sue caratteristiche, è una prestazione che
può fornire una quantità di informazioni maggiori sul terreno. Anche con un sistema di sensori
semplici il rover può rilevare gli ostacoli e può identificare il migliore percorso da utilizzare. Ogni
contatto del piede con il terreno, in quanto discreto, può essere ottimizzato per evitare gli ostacoli,
offrendo un’alta adattabilità alla tipologia di terreno senza alcun tipo di slittamento.
Il sistema di locomozione con gambe soffre comunque di una complessità in termini di parti
meccaniche e di procedure di controllo le procedure richieste per garantire la stabilità, il
posizionamento della piattaforma e i suoi comportamenti statici e dinamici.
La complessità aumenta anche a seconda del numero di attuatori necessari per il movimento, e dei
gradi di libertà di questi.
Resta tuttavia evidente che le gambe possono essere ottimi portatori di sensori.
La velocità del veicolo è limitata a causa delle interazioni dinamiche. Inoltre il cambio di direzione
mentre il rover cammina, è difficile. In conclusione un robot con gambe è sicuramente più
efficiente in termini di adattabilità all’ambiente rispetto a uno con le ruote, ma questo vantaggio
deve essere pagato con un sistema di controllo più complesso
I robot muniti di gambe possono essere classificati approssimativamente a seconda della loro
complessità, in base ai gradi di libertà delle gambe. Tenendo conto di questo attributo abbiamo
identificato tre gruppi principali:
• rover con gambe con un grado di libertà;
• rover con gambe con due gradi di libertà;
• rover con gambe con tre o più gradi di libertà.
Rover con gambe con un grado di libertà
Questa è la più semplice architettura che può essere utilizzata in un robot con gambe. Il singolo
grado della libertà permette le oscillazioni su – giù (andata-ritorno) del piede. Questa condizione
può essere soddisfatta in modi diversi.
Analizzeremo attraverso i seguenti esempi le possibili soluzioni.
Walkie 6
WALKIE 6 (Fig. 26) è un rover munito di gambe. È stato sviluppato dal Politecnico di Torino,
Dipartimento di Meccanica, Prof. Giancarlo Genta .
WALKIE 6 è basato su due strutture rigide, ognuna dotata di tre piedi telescopici, con un singolo
grado di libertà. Le due strutture possono muoversi in un’unica direzione e ruotare rispetto ad un
asse verticale. Il sistema richiede otto motori (sei per i piedi e due per i movimenti delle strutture).
Il rover ha otto gradi di libertà e questo numero è il più piccolo possibile per un veicolo hexapod
(6 gambe) .
Figura 26 – Walkie 6
Un movimento alternato dei piedi è effettuato ad ogni passo e può essere diviso in sei fasi distinte
(Fig. 27)
:
• alzare i piedi delle tre gambe connessi alla prima struttura ;
• spostare in avanti la prima struttura ;
• abbassare i piedi delle tre gambe della prima struttura finché ogni gamba tocca terra;
• alzare i piedi delle tre gambe connessi alla seconda struttura ;
• spostare in avanti la seconda struttura ;
• abbassare i piedi delle tre gambe della seconda struttura finché ogni gamba tocca terra;
Seconda struttura
Prima struttura
Figura 27 – Schema movimento Walkie 6
Per il cambiamento di direzione la sequenza è la stessa; esiste però una piccola differenza che si
nota solo nella seconda fase, quando la struttura invece di andare ad eseguire una traslazione in
avanti farà una rotazione.
Le caratteristiche di questo sistema di locomozione sono:
• il payload verrà tenuto sempre in una posizione orizzontale anche se il rover supera
ostacoli o sta superando una pendenza;
• il sistema di locomozione è molto semplice;
• gli attuatori non devono essere controllati nella velocità o essere sincronizzati esattamente
RHex robot
RHex ha un corpo rigido con sei gambe; ognuna di queste ha un solo grado di liberta (un giunto di
rivoluzione) (Fig. 28). I giunti dei piedi sono posizionati molto bene al riparo nel corpo
Questo sistema di locomozione ammette un movimento alternato di tre piedi per il movimento in
avanti; questo tipo di sistema di locomozione riporta anche un nuovo elemento nel suo sistema di
locomozione e cioè la possibilità che, una volta rovesciato, riesca a rimettersi nella sua posizione,
come pure anche altri comportamenti più complessi come quello di salire una scala, ecc. Inoltre,
la simmetria del disegno permette il funzionamento inverso identico a quello diretto e non impone
limitazioni alla direzionalità . Nella figura 29 viene mostrato anche la camminata e il superamento
di un ostacolo del robot RHex .
Figura 28 - RHex
Figura 29 – movimento RHex
PROLERO robot
PROLERO (PROtotype of LEgged ROver) è molto simile al rover precedente. Per le sue gambe
questo robot usa sei motori, uno per ogni gamba. Le gambe hanno una forma un può arcuata ed
effettuano una rotazione. (Fig. 30)
Figura 30 – Pro.le.ro.
Whegs robot
Whegs (spokes) robot (sviluppato da Case Western Reserve University) presenta un sistema di
locomozione molto simile a quelli che sono stati esposti fin’ora. Whegs-I ha sei gambe, ognuna con
tre raggi lunghi circa 50 centimetri con un solo giunto motorizzato per ogni gamba . Con questo tipo
di sistema di locomozione il rover può scavalcare gli ostacoli alti fino a 1.5 volte la lunghezza
della gamba e può muoversi ad una velocità di 5,5 km/h.
Nel movimento in piano, le gambe a sinistra e a destra sono sfasate di 60 gradi, ed esse permettono
al robot un movimento alternato dei tre raggi. Questo movimento richiede che i due motori delle
gambe anteriori debbano essere fuori fase. Quando incontra un ostacolo, la conformità meccanica
passiva permette che le gambe anteriori ritornino in fase, in modo che vengono utilizzate entrambe
per permettere al robot di superare l'ostacolo (Fig. 31)
Nero – gambe anteriore sinistro
Grigio – gambe anteriore destro
Figura 31 Whegs robot
Una volta che il robot è riuscito a superare l’ostacolo, le gambe torneranno nella posizione iniziale.
Come per gli altri sistemi ad un grado di libertà fino a qui analizzati, il vantaggio principale deriva
dal fatto che il sistema è molto semplice, come il relativo sistema di controllo, perchè per ogni piede
abbiamo un solo motore. Questo tipo di rover ha comunque una discreta capacità di superamento
degli ostacoli.
Lo svantaggio principale di un sistema di questo tipo è la limitazione nei movimenti e il fatto che il
paylod non sarà sempre orizzontale, perciò avrà un efficienza molto ridotta sul terreno molto
sconnesso, e sarà di conseguenza sottoposto a forte sollecitazione.
Rover con gambe con due gradi di libertà
Aumentare il numero di gradi di libertà produce un aumento della complessità, ma anche offre una
crescente opportunità di rovare soluzioni strutturali diverse.. Per quanto riguarda questo tipo di
sistemi si può tenere conto anche del fatto che si possono avere tipi di azionamenti diversi. Essi
possono essere
• lineare (elettrico o pneumatico)
•
rotazionale (elettrico).
Genghis robot
Genghis (Fig. 32), è un rover di 1 Kg di peso con sei gambe che ha un sistema di controllo
distribuito. Il robot cammina su terreni sconnessi con l’aiuto dei dodici motori che vengono
utilizzati per l’azionamento delle gambe, dodici sensori di forza, sei sensori piezoelettrici, un
inclinometro.
Il robot ha un sistema cinematico della gamba ove il movimento del piede viene eseguito
completamente dalla spalla. È un sistema di locomozione robusto e appare come facile da
controllare, oltre a questo ha una buona abilità nello scavalcare gli ostacoli. La cinematica rende lo
slittamento inevitabile durante il movimento.
Gli svantaggi principali derivano dal fatto che avere un controllo limitato del movimento può
comportare che il payload non e sempre orizzontale.
Figura 32 – Genghis robot
Dante II robot
Dante II (Fig. 33) ha otto gambe mosse da un sistema meccanico - base di tipo “pantografo”. Il
robot ha una massa totale di 800 kg ed è utilizzato per investigare crateri vulcanici.
Il meccanismo di locomozione consiste di piedi, di due strutture e dell'argano; su ogni struttura sono
montate quattro gambe. I piedi vengono alzati individualmente e si abbassano per compensare le
irregolarità del terreno e ed aggiustare l'altezza del corpo e il suo posizionamento ed orientamento.
Con quattro piedi di un telaio alzati, le strutture si muovono relativamente l'una all'altra per
avanzare, o per girare il robot come si può notare nella Figura 33.
Figura 33 – Robot Dante II
La filosofia del disegno per la gamba è legata alla necessità di ottenere un sistema robusto che
potesse resistere a cadute ripetute e a collisioni con ostacoli, e che fosse in grado di sostenere il suo
carico su qualunque tipo di terreno, dal fango alla roccia dura.
Ogni gamba è dotata di un meccanismo tipo pantografo che amplifica il moto di un attuatore
lineare dell'azionamento per generare un movimento lineare - straight-line - del piede La geometria
del collegamento amplifica il movimento dell'attuatore ed amplifica le forze assiali del piede. I
vantaggi di un sistema di locomozione di questo tipo sono:
• buona capacità di superamento degli ostacoli;
• l'attuatore è lontano dalla zona della tibia del piede e di conseguenza si riduce la probabilità
di danni.
Questo tipo di sistema di locomozione però ha degli svantaggi notevoli derivati dal peso elevato e
dai movimenti molto lenti e limitati .
Sprawl robot
Questo rover (Fig. 34) ha la forma di un insetto e ha due versioni. La prima versione è una
piattaforma con sei gambe, e ciascuna gamba ha 2 gradi di libertà:
• un giunto prismatico alimentato da un pistone pneumatico
• un giunto di rotazione che viene alimentato da un servomotore RC.
Ciascun piede viene fissato al corpo attraverso un giunto sferico, mentre ogni pistone ha tre valvole
pneumatiche 3-way che regolano l’aria in ogni lato del pistone.
Figura 34
I vantaggi di questo rover sono una costruzione abbastanza semplice e, nonostante l’aspetto,
questa struttura ha una buona abilità nel superare gli ostacoli. Per avere una costruzione ancora più
semplice, si può sostituire il servomotore con una molla di torsione passiva ed il robot eseguirà
gli stessi movimenti; ciò è stato fatto nel secondo modello di questo robot, in Sprawlit versione 2.0
Utilizzando un sistema di locomozione pneumatico questo robot deve avere anche un sistema di
pressione che viene richiesto per l’alimentazione. Nello stesso tempo abbiamo anche un controllo
limitato nell’assetto e da questo fatto risulta che il payload non sarà sempre orizzontale. Con un
sistema di locomozione di questo tipo è più probabile avere una camminata con cadute ripetute
piuttosto che una camminata puramente statico-stabile o un funzionamento puramente dinamico.
Boadicea robot
Boadicea è un piccolo robot della stessa classe del precedente (inspirato dagli insetti); più
esattamente questo robot è ispirato dall’ insetto Blaberus Discoidalis. Ha sei gambe, motorizzate
pneumaticamente, il che fornisce una attuazione leggera e potente. I piedini del Boadicea usano un
meccanismo dimensionale tipol pantografo ; il campo di lavoro delle gambe si sovrappone; questo
permette al robot di mantenere la stabilità quando una gamba è danneggiata.
Come l’insetto anche il robot ha i piedi anteriori, centrali e quelli posteriori diversi. Questa
ottimizzazione del disegno di ciascuna gamba per il ruolo che svolge nella intera locomozione
migliora le prestazioni del robot . Le gambe posteriori del robot hanno una lunghezza massima
che è quasi il settanta per cento della lunghezza del corpo. Nella figura 35 viene riportato il luogo
di lavoro delle gambe dell’ insetto e accanto viene riportato quello del robot con la sua struttura .
Figura 35 – Robot Boadicea
Vantaggi di questo tipo di robot -insetto sono
• spazio di lavoro delle gambe più grande rispetto a quello di altri robot dello stesso tipo;
• un meccanismo relativamente piccolo e compatto non solo del piede,
• una costruzione leggera .
Questo tipo di robot ha grossi problemi nel superare gli ostacoli e richiede un sistema esterno per
l'alimentazione pneumatica. Oltre a tutto ciò, il payload è difficile da posizionare .
Leonardo robot
Leonardo è un robot autonomo munito di sei gambe sviluppato dall' Istituto Swiss Federal
Technologie. Questo robot ha tredici gradi di libertà ; due gradi di libertà in ciascuno dei sei piedi
ed un grado di libertà nel corpo.
La parte meccanica più originale del robot è quella posteriore che permette al robot di fare svolte
efficienti. L'articolazione del corpo è riportata nella Figura 36 assieme ad una vista frontale di una
delle gambe del robot Leonardo. Ogni gamba ha due servomotori che controllano l'altezza e la
propulsione rispettivamente; inoltre, i movimenti laterali - cioè, un terzo pseudo grado di libertà sono permessi tramite l'introduzione di una giuntura elastica. La parte sensoriale si compone di due
contatti semplici che indicano se un piede sta toccando la terra o un ostacolo, oppure no. I nuovi
sensori possono essere incorporati facilmente nella struttura elettronica del robot
Figura 36 – Robot Leonardo
I vantaggi di questo robot sono il basso costo essendo di piccola taglia e una meccanica ed
elettronica molto semplice. Come svantaggi abbiamo il fatto che l’articolazione del corpo rende più
difficile l’allocazione del payload e anche la mancanza del terzo grado di libertà sulla gamba limita
l'assetto del corpo e della piattaforma di base del robot su un terreno molto sconnesso.
Joan robot
Joan pesa 1,2 chilogrammi, è un robot a forma di esapode rettangolare di lunghezza di 40 centimetri
ed è formato da tre corpi articolati con giunti universali controllati. Ognuno dei tre corpi ha due
gambe: ogni gamba ha due gradi di libertà con un interruttore di contatto sulla sua punta. La parte
innovativa di questo robot è il suo corpo articolato, mentre la cinematica della gamba non è nuova .
Il fatto di avere un corpo articolato permette al robot di superare più facilmente gli ostacoli
riuscendo ad adattare la forma del suo corpo alla forma del terreno. Sempre grazie al corpo
articolato, questo rover riesce a rotolare, come mostrato nella Figura 37 .
Figura 37 – Robot JOAN
Come abbiamo già menzionato per i precedenti robot, anche questo come svantaggio principale ha
il fatto del piazzamento del payload anche per il corpo articolato. Fra questi robot soltanto alcuni
di loro sono stati concepiti per esplorazione planetaria, in particolare Genghis e Joan.
Rover con gambe con tre o più gradi di libertà.
Questi robot hanno tre gradi di libertà per gamba, aumentando cosi la loro abilità di muoversi su un
terreno molto sconnesso e la capacità nell'evitare ostacoli. Il loro movimento maggiormente
controllato permette di tenere il payload nella posizione corretta
L’handicap principale, com’è facile capire, è l'esigenza di un sistema di controllo più accurato.
Attila robot
Attila fu costruito nel Laboratorio di Mobot nel 1990, con lo scopo di trasportare piattaforme
sperimentali per l'esplorazione planetaria ed autonoma. Come si può notare nella Figura 38, il robot
è piccolo e dotato di sei gambe. A causa dei vincoli dovuti al peso e alla conformazione della
gamba, è stato dotato di un meccanismo con un azionamento lineare e due azionamenti di rotazione
per gamba. La gamba è caratterizzata da efficienza e da mobilità. Il peso del robot è inferiore a 0,2
chilogrammi.
Figura 38- Robot Attila
Per aumentare l'efficienza del sistema di locomozione, il primo asse della gamba è montato nel
piano verticale. Quando la gamba fa un passo, la maggior parte del moto è di rotazione e perciò il
prima asse è parallelo alle forze gravitazionali; in tale modo si va a ridurre al massimo il lavoro
contro la forza di gravità. Il piede, tuttavia, deve ancora sostenersi. Poiché l'azione di sollevamento
del piede è attuata soltanto da un motore posteriore con un semplice ingranaggio, il robot deve
consumare energia di alimentazione per alzarsi. Questo problema è stato notevolmente ridotto
aggiungendo una molla di torsione in parallelo con il motore. Staticamente nella camminata, queste
molle fanno diminuire l'alimentazione per alzare il robot con un efficienza vicina al 60 %. Nel
futuro, usando una camminata di tipo dinamico, il risparmio può essere anche più alto Il design del
piede permette un'estensione verticale di 21 centimetri. Un quarto grado di libertà globale collega
insieme la rotazione di tutti e sei i piedi rispetto ai loro assi. Questo assicura che le gambe siano
sempre verticali, mentre il carico su ognuno dei motori della gamba è indipendente dall’inclinazione
del robot. Inoltre, con l'aumento dell’inclinazione del robot durante l'ascensione, la rotazione
globale delle gambe porta il centro di massa del robot più vicino alla superficie.
Figura 39 – Le disposizioni del robot
I vantaggi di questo robot sono la sua mobilità. Il robot è disegnato in maniera tale da riuscire a
superare un ostacolo verticale dell'altezza di 25 centimetri in un passo. È capace di superare ostacoli
1.2 volte la lunghezza della sua gamba. Facendo una comparazione per quanto riguarda l’altezza
del passo rispetto agli altri robot, su un terreno grezzo mostra un fattore di miglioramento pari a 1.52. Gli svantaggi di questa configurazione sono il quarto grado di libertà che comporta che
l'allocazione del payload sia più difficile e in secondo luogo la mancanza di un sistema di
alimentazione elettrica indipendente.
Titan VIII robot
Titan VIII (costruito dall'Istituto NARA, Giappone) ha un peso di 19 kg. Questo robot è fornito di
quattro gambe con dodici gradi di libertà, tre gradi di libertà per ogni piede. Questo veicolo ha una
velocità massima di 0.3-0.9 m/s. È un robot molto robusto con un costo basso e con un controllo
relativamente semplice. Le quattro gambe rendono il robot più instabile e più lento dei robot con
sei o otto gambe e nello stesso tempo il robot è più sensibile ai guasti visto la mancanza di
ridondanza, nel caso che una delle gambe non funzionasse più.
Figura 40 – Robot Titan VIII
SCORPION robot
SCORPION (sponsorizzato dalla Agenzia della Difsa USA DARPA) è un robot biomimetico, cioè
di forma dedotta dalla natura, con otto gambe (Figura 41). Successivamente ne è stato costruito
anche una versione con sei gambe con la stessa struttura elettronica e struttura meccanica.La
lunghezza del robot con otto gambe è di 65 centimetri; per quello con sei gambe è di 52 centimetri.
Le altre dimensioni sono indicate nella Figura 41 .
Figura 41 – Robot Scorpion
Il peso dei robot equipaggiato (incluso 3.8 accumulatori di energia elettrica attrezzatura di
comunicazione e sensori) è 9.8 kg per quello con sei gambe e di 12.5 kg per il robot con otto
gambe. La gamba è formata da un giunto che permette l'elevazione e la discesa della gamba e la
dilatazione e flessione della gamba. I giunti sono azionati da motori standard 6Watt 24V DC con
alto rapporto di trasmissione per ottenere una capacità di sollevamento sufficiente.
I vantaggi di questo tipo di tecnologia sono:
• possibilità di camminare in ogni direzione e in ambienti stretti;
• la buon mobilità su terreni molto sconnessi;
• autonomia di movimento;
• elettroniche nascoste (motori e fili) per preservarli dalla degradazione ambientale.
Gli svantaggi riguardano il posizionamento del payload, e il sistema di controllo, che è complesso.
LEMUR robot
LEMUR è un piccolo robot munito di sei gambe e con una camminata molto agile. È stato costruito
da Jet Propulsion Laboratory (NASA) per ispezione e manutenzione di macro installazioni spaziali.
Pesa 5kg , ed è fornito di sei braccia completamente indipendenti. Le due braccia anteriori hanno
quattro gradi di libertà attivi, mentre le quattro braccia posteriori hanno tre gradi di libertà.
Ogni braccio è riconfigurabile e permette l'integrazione di una varietà di attrezzi differenti, sia per il
controllo che per la manipolazione.
Aumentando la flessibilità del funzionamento delle braccia, il grado di libertà supplementare nella
spalla delle braccia anteriori aumenta lo spazio di lavoro di fronte al robot.
Figura 42 – Robot Lemur
Il disegno del braccio è stato dettato dalla necessità di fare diminuire la massa generale e nello
stesso tempo di avere un braccio con un meccanismo il più semplice possibile, arrivando in questo
modo ad avere un sistema leggero. Ciascuno dei gradi di libertà del LEMUR è completamente
indipendente, facilitando le procedure di controllo per il movimento. Il grado di libertà aggiunto
nella spalla anteriore è formato da un giunto cinematico sferico (3 aste unite sono reciprocamente
perpendicolari e si intersecano nello stesso punto dello spazio), semplificando ulteriormente la
cinematica del braccio. I collegamenti tra le gamba e gli altri utensili sono molto semplici (tipo
baionetta).
Questo robot ha una tecnologia molto costosa e nello stesso tempo la sua costruzione è
complessa..
Biobot robot
Biobot ha sei gambe con tre gradi di libertà per gamba, ed è stato sviluppato dall'Università
dell’Illinois sul modello dello scarafaggio Periplaneta Americana. Misura 58 cm e pesa
approssimativamente 11 kg. Le gambe del robot sono formate da tre segmenti, corrispondenti ai tre
segmenti principali dei piedi dell'insetto: anca, femore, e tibia. Tutti i segmenti della gamba sono
fatti di alluminio e sono lunghi approssimativamente 1.9 cm per lato. Ciascuno dei giunti fra i
segmenti del piede ed il corpo è molto semplice. Il robot è motorizzato con pistoni pneumatici ad
aria, fornita attraverso un sistema esterno di alimentazione a pressione..
Figura 43 – Robot Biobot
Il vantaggio di questo tipo di robot è la disposizione fisica delle gambe che possono essere fissate
relativamente vicino una all’altra lungo il corpo, senza interferenza meccanica fra loro. Il robot,
tuttavia, è considerevolmente più pesante rispetto alle dimensioni a causa del peso delle valvole che
controllano gli azionamenti pneumatici, e si ha anche la presenza del sistema esterno per la
generazione della pressione.
Robot III vehicle
Robot III (Figura 44) ha sei gambe, ed è inspirato ad un scarafaggio (Blaberus Discoidalis).
Presenta più gradi di libertà (fino a cinque) per rendere i movimenti simili a quello dell'animale
reale. È un'evoluzione del Biobot, e come questo è stato sviluppato non per l’esplorazione
planetaria, ma soprattutto per imitare la struttura e la fisiologia di un organismo .
A causa di questa impostazione programmatica, sebbene i due robot siano visti anche in prospettiva
di applicazioni spaziali, i due veicoli non sono ottimizzati per portare i carichi utili e strumenti
scientifici I robot considerati, che siano stati sviluppati esclusivamente per l'esplorazione planetaria
o per operare nello spazio, sono Attila, Scorpione e Lemur.
Figura 44 – Robot III
4.1.7 SISTEMI IBRIDI
I sistemi ibridi sono sviluppati per adottare quelli che sono i vantaggi delle due categorie di robot,
sommando una buona stabilità ad una buona adattabilità al terreno. Essi riescono a superare
agevolmente grandi ostacoli, sfruttando la configurazione più adatta.
Gambe e ruote
Il robot mostrato nella la Figura 45 presenta un sistema ibrido di locomozione con ruote e gambe.
Le ruote sono montate sull'estremità delle gambe. Questo veicolo ha quattro gambe, ognuno con
due gradi di libertà che funzionano anche come meccanismo di sospensione. Questo sistema eredita
i vantaggi sia del veicolo munito di gambe che di quello munito di ruote.
Questa configurazione fornisce al sistema l'abilità di mantenere permanentemente le quattro ruote
sulla terra durante dislocamenti su superfici sconnesse e di aumentarne la stabilità. Inoltre, questa
struttura permette l'uso dei vari modi secondari di locomozione come il peristalsismode (movimento
peristaltico con avanzamento dovuto a spostamenti e strisciamenti delle ruote). Un altro modo di
movimento riguarda il superamento di un ostacolo; il modo è basato su un movimento coordinato di
ruota e piede.
Figura 45 - Robot con gambe e ruote
4.1.8 BIOMIMETIC E NUOVI CONCETTI
Sphere
Il robot concepito con una forma sferica, ha una parte rigida centrale, due parti gonfiabili ai lati e un
motore all’interno del corpo. Il sistema di locomozione si basa sul movimento del motore
all’interno del veicolo. Il motore interno si muove su delle rotaie e gli spostamenti a destra e a
sinistra del corpo motore determinano il trasferimento del baricentro del robot e il conseguente
spostamento dell’intero robot.
Questa concezione porta a notevoli vantaggi:
• Baricentro basso
• Minore accumulo di polvere nelle celle solari
• Protezione degli elementi delicati
• Simmetria della costruzione
• Isolamento termico
• Minore resistenza al vento, adagiando la sonda su un lato e sgonfiando le due “guance”
• Maggiore facilità nel superare gli ostacoli
Figura 46 – Robot Sphere
Uovo
Il robot a forma di uovo è un sistema a geometria ovoidale, che avanza quando si muove il centro
di massa del rover. Questo rover può avanzare, ma il sistema non sarà mai stabile; lo sarà solo
quando il rover si ferma o ruota su un asse trasversale all’uovo.
4.1.9 Robot che volano
Autogiro
Si tende ad accomunare l’autogiro con l’elicottero. Questo è un grave errore, potenzialmente molto
pericoloso se si cerca di far volare le due macchine allo stesso modo, poiché sono basate su principi
aerodinamici completamente differenti. Nel suo insieme l’autogiro può essere visto come una
combinazione di un deltaplano a motore - la struttura è allo stesso modo "appesa" al disco del rotore
- di un aereo convenzionale - dato il pilotaggio simile sui tre assi - e un elicottero per la presenza
del rotore. Il risultato è una macchina strutturalmente molto semplice, facile da pilotare e con una
gran manovrabilità. Il rotore è la parte principale dell’autogiro ed è quella che gli permette di volare
e di imporre il controllo del mezzo.
Tranne casi eccezionali esso è costituito da due pale in materiale composito o alluminio,la cui
lunghezza è in funzione del peso complessivo massimo della macchina. Il passo della pala non può
essere cambiato in volo come avviene sugli elicotteri; inoltre ad esso è associato un movimento, il
flappeggio, che permette di annullare la differenza di portanza esistente tra la pala avanzante e
quella retrocedente. Il rotore ruota liberamente sotto l’azione del flusso d’aria che lo attraversa dal
basso verso l’alto. Questo è l’aspetto più importante e rivoluzionario dell’invenzione poiché esso
manterrà sempre e comunque la sua rotazione, anche in caso d’avaria al motore. Esso manterrà tale
rotazione fintanto che il mezzo sarà sottoposto a forza di gravità positiva. Il numero di giri che
acquisisce è dipendente dalla situazione di volo ed è assolutamente autoregolante. Ciò permette di
assicurare la portanza in tutte le condizioni di volo sia esso orizzontale, traslato o di discesa
verticale con avanzamento nullo.
Ali insetti (Sciamedi insettoidi)
Il sistema di locomozione volante ad insetto corrisponde nel modo più naturale ad essere impiegato
in forma di sciame. Le dimensioni dei robot devono essere molto ridotte. Ciascuno deve essere
dotato di equipaggiamento minimo formato da una forma di propulsione, da un elemento sensoriale
e da unità di controllo/comunicazione.
Gli aspetti più interessanti di questa soluzione riguardano le strategie di controllo e la forma di
intelligenza artificiale associata alla parziale autonomia dello sciame. La frammentazione del
sistema si presta, infatti, a strutture delocalizzate di controllo di tipo multiagente eventualmente
evolutivo.
Anche la funzione sensoriale risulta associata e potenziata dalla particolare forma del sistema. Si
adatta in particolare a tutte quelle applicazioni in cui la misura è effettuata in modo distribuito ed
elementare. Si può pensare ad esempio alla mappatura di temperatura, composizione chimica,
irraggiamento, ecc su scala assai più ampia di quella raggiunta dalle forme tradizionali di
locomozione.
Dirigibile
È un sistema che può fluttuare sulla atmosfera marziana, cosa sicuramente possibile, poiché l’elio é
molto meno denso che il CO2. Va valutato il comportamento sulla Luna.. Si deve pensare non solo
alla forma ellissoidale dei dirigibili terrestri, ma anche a forme più stabili come la geometria di un
uccello (aereo). Il sistema di controllo delle temperatura del dirigibile deve essere capace di
tollerare il gradiente di temperature dell’atmosfera lunare (ASI 21/58). Per sviluppare il prototipo si
deve costruire una camera che simula la atmosfera lunare, che si può ottenere con l’aiuto di un
sistema software.
Figura 46 – Robot che volano
4.1.10 Sistema jump
Si ispira al movimento delle cavallette, non è in grado di volare, ma può compiere grandi balzi. Il
sistema di controllo, che riceve i dati da un sensore di orientamento, raddrizza il robot dopo ogni
balzo e lo indirizza nella direzione programmata.
Figura 47 – Sistema Jump
Microbots
La missione proposta per questi robot è basata sullo spiegamento di un grande numero (centinaio o
migliaia) di micro robot mobili (i "microbots") su aree molto grandi della superficie di un pianeta e
nel sottosuolo. Un microbot è un robot sferico ed indipendente equipaggiato con batterie e sistemi
di comunicazione, un sistema che gli permette di muoversi, rotolando, e rimbalzando ed gruppo di
sensori miniaturizzati come telecamere, spettrometri, e sensori per l'analisi chimica. Con un
avanzato sistema di energia, locomozione, sensori e capacità di calcolo, i microbots hanno una
dimensione dell'ordine dei 10 cm in diametro ed un peso approssimativamente di 100 g.
Figura 48
4.1.11 Snake
Questo tipo di sistema di locomozione imita il movimento proprio del serpente. È caratterizzato da
un movimento molto flessibile e come tale adattabile a diverse tipologie di ambiente; è in grado di
muoversi su superfici sconnesse, di superare ostacoli e di introdursi in zone difficili da raggiungere
per i robot tradizionali. Per quanto riguarda la trazione, i serpenti possono usare quasi tutto il loro
corpo per applicare le forze alla terra.
Per quanto riguarda l’efficienza, hanno dei bassi costi energetici per sostenere il corpo; ma abbiamo
forti perdite di attrito, e accelerazioni laterali del corpo stesso. Inoltre la perdita della funzione di
alcuni segmenti che ne compongono il corpo può essere compensata, anche se ci sarà un’ulteriore
perdita di efficienza
Inoltre in queste tipologie di rover il posizionamento del payload è molto difficile e l’elevato
numero dei gradi di libertà comporta anche un grande impiego di attuatori , con un controllo
dell’intero sistema molto complesso. Ciò può comportare una velocità ridotta.
Ogni singola parte del robot serpente ha un sistema di locomozione che potrebbe essere realizzato
con differenti soluzioni:
• Piste;
• Ruote;
• Ruote e Piste
Il sistema globale di locomozione è l'unione fra tutte le singole parti ed il movimento finale del
veicolo è la conseguenza dell'interazione fra i singoli movimenti delle parti che può avvenire
tramite:
• ondulazione laterale (Fig. 49 a)
• avanzamento progressivo (fig 49 b)
• sidewinding (Fig.49 c)
• slide-pushing
• movimento lineare (Fig.49 d)
Figura 49 – Robot Serpente - Snake

Wp : 210 Analisi dello stato dell` arte

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