El explorador de exploración planetaria evita las trampas de arena con el «pedaleo del rotador trasero»

 

El explorador de exploración planetaria evita las trampas de arena con el «pedaleo del rotador trasero»
Construido con apéndices multifuncionales capaces de hacer girar ruedas que también pueden ser «movidas» y levantadas, el Mini Rover fue modelado en un novedoso diseño de rover de la NASA y utilizado en el laboratorio para desarrollar y probar técnicas complejas de locomoción lo suficientemente robustas como para ayudarlo a escalar colinas compuestas de material granular, aquí arena de playa ordinaria. Crédito: Christopher Moore, Georgia Tech

Las colinas de Marte o la luna están muy lejos de la grúa más cercana. Es por eso que la próxima generación de exploradores de exploración necesitará ser buena para escalar colinas cubiertas con material suelto y evitar el atrapamiento en superficies granulares suaves.

Construido con apéndices con ruedas que se pueden levantar y ruedas que pueden «moverse», un nuevo robot conocido como «Mini Rover» ha desarrollado y probado técnicas complejas de locomoción lo suficientemente robustas como para ayudarlo a subir colinas cubiertas con un material tan granular, y evitar el riesgo de quedar atrapados ignominiosamente en algún planeta remoto o luna.

Utilizando un movimiento complejo que los investigadores denominaron «pedaleo del rotador trasero», el robot puede subir una pendiente utilizando su diseño único para combinar los movimientos de remar, caminar y girar la rueda. Los comportamientos del vehículo explorador se modelaron utilizando una rama de la física conocida como terradinámica.

«Cuando fluyen materiales sueltos, eso puede crear problemas para los robots que se mueven a través de él», dijo Dan Goldman, profesor de la familia Dunn en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. «Este rover tiene suficientes grados de libertad que puede salir de los atascos de manera bastante efectiva. Al avalanchar los materiales de las ruedas delanteras, crea una colina fluida localizada para las ruedas traseras que no es tan empinada como la pendiente real».

El rover siempre se autogenera y se autoorganiza como una buena colina para sí mismo «.

El explorador de exploración planetaria evita las trampas de arena con el «pedaleo del rotador trasero»
Construido con apéndices multifuncionales capaces de hacer girar ruedas que también pueden ser «movidas» y levantadas, el Mini Rover fue modelado en un novedoso diseño de rover de la NASA y utilizado en el laboratorio para desarrollar y probar técnicas complejas de locomoción lo suficientemente robustas como para ayudarlo a escalar colinas compuestas de material granular, aquí arena de playa ordinaria. Crédito: Christopher Moore, Georgia Tech

La investigación se informará el 13 de mayo como el artículo de portada de la revista. Ciencia Robótica. El trabajo fue apoyado por la Iniciativa Nacional de Robótica de la NASA y la Oficina de Investigación del Ejército.

Un robot construido por el Centro Espacial Johnson de la NASA fue pionero en la capacidad de hacer girar sus ruedas, barrer la superficie con esas ruedas y levantar cada uno de sus apéndices con ruedas cuando sea necesario, creando una amplia gama de movimientos potenciales. Utilizando impresoras 3-D internas, los investigadores de Georgia Tech colaboraron con el Centro Espacial Johnson para recrear esas capacidades en un vehículo reducido con apéndices de cuatro ruedas accionados por 12 motores diferentes.

«El rover fue desarrollado con una arquitectura mecatrónica modular, componentes disponibles comercialmente y un número mínimo de piezas», dijo Siddharth Shrivastava, un estudiante universitario en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech. «Esto permitió a nuestro equipo utilizar nuestro robot como una herramienta de laboratorio robusta y centrar nuestros esfuerzos en explorar experimentos creativos e interesantes sin preocuparse por dañar el móvil, el tiempo de inactividad del servicio o las limitaciones de rendimiento».

Video del mini rover empujándose a través de una cama plana de semillas de amapola. Crédito: Shrivastava et al., Sci. Robot. 5, eaba3499 (2020)

La amplia gama de movimientos del vehículo le brindó al equipo de investigación la oportunidad de probar muchas variaciones que se estudiaron utilizando mediciones granulares de la fuerza de arrastre y la Teoría de la Fuerza Resistiva modificada. Shrivastava y Facultad de Física Ph.D. El candidato Andras Karsai comenzó con los pasos explorados por el robot RP15 de la NASA, y pudo experimentar con esquemas de locomoción que no podrían haber sido probados en un rover de tamaño completo.

Los investigadores también probaron sus pasos experimentales en pendientes diseñadas para simular colinas planetarias y lunares utilizando un sistema de lecho fluidizado conocido como SCATTER (Creación sistemática de terrenos arbitrarios y pruebas de robots exploratorios) que podría inclinarse para evaluar el papel de controlar el sustrato granular. Karsai y Shrivastava colaboraron con Yasemin Ozkan-Aydin, investigador postdoctoral en el laboratorio de Goldman, para estudiar el movimiento del vehículo explorador en la instalación de prueba SCATTER.

El explorador de exploración planetaria evita las trampas de arena con el «pedaleo del rotador trasero»
El Mini Rover se mueve a través de un lecho de semillas de amapola diseñado para modelar el movimiento a través de superficies granulares. El robot se usó para probar técnicas complejas de locomoción lo suficientemente robustas como para ayudarlo a escalar colinas planetarias o lunares cubiertas con dicho material granular. Crédito: Laboratorio Goldman, Georgia Tech.

«Al crear un pequeño robot con capacidades similares al rover RP15, podríamos probar los principios de locomoción con varios modos de marcha en un entorno de laboratorio controlado», dijo Karsai. «En nuestras pruebas, variamos principalmente la marcha, el medio de locomoción y la pendiente que el robot tuvo que subir. Rápidamente iteramos sobre muchas estrategias de marcha y condiciones del terreno para examinar los fenómenos que surgieron».

En el documento, los autores describen una marcha que permitió al rover subir una cuesta empinada con las ruedas delanteras agitando el material granular (semillas de amapola para las pruebas de laboratorio) y empujándolas hacia las ruedas traseras. Las ruedas traseras se movían de un lado a otro, levantándose y girando para crear un movimiento que se asemeja a remar en el agua. El material empujado hacia las ruedas traseras cambió efectivamente la pendiente que las ruedas traseras tuvieron que subir, permitiendo que el vehículo avanzara progresivamente cuesta arriba, lo que podría haber detenido a un simple robot con ruedas.

Los experimentos proporcionaron una variación sobre el trabajo de robofísica anterior en el grupo de Goldman que involucraba moverse con patas o aletas, lo que enfatizaba la alteración de las superficies granulares lo menos posible para evitar que el robot se atascara.

Video del rover RP15 despegándose de una cama granular. Crédito: Shrivastava et al., Sci. Robot. 5, eaba3499 (2020)

«En nuestros estudios previos de robots de piernas puras, modelados sobre animales, habíamos descubierto que el secreto era no hacer un desastre», dijo Goldman. «Si terminas haciendo demasiado lío con la mayoría de los robots, terminas remando y cavando en el material granular. Si quieres una locomoción rápida, descubrimos que debes tratar de mantener el material lo más sólido posible ajustando el parámetros de movimiento «.

Pero los movimientos simples habían resultado problemáticos para los rovers de Marte, que se atascaron en materiales granulares. Goldman dice que la marcha descubierta por Shrivastava, Karsai y Ozkan-Aydin podría ayudar a los futuros exploradores a evitar ese destino.

«Esta combinación de levantar, girar y remar, si se usa correctamente, proporciona la capacidad de mantener cierto progreso hacia adelante, incluso si es lento», dijo Goldman. «A través de nuestros experimentos de laboratorio, hemos mostrado principios que podrían conducir a una mayor robustez en la exploración planetaria, e incluso en superficies difíciles en nuestro propio planeta».

Los investigadores esperan luego ampliar los pasos inusuales a robots más grandes, y explorar la idea de estudiar robots y sus entornos localizados juntos. «Nos gustaría pensar en el locomotor y su entorno como una entidad única», dijo Goldman. «Ciertamente hay algunos temas interesantes de física granular y de materia blanda para explorar».

Video de experimentos RP15 en el Centro Espacial Johnson de la NASA. La prueba con el recuadro verde ilustra el desplazamiento RP15, haciendo la transición a la marcha RS. La versión de prueba con el cuadro rojo ilustra solo la rueda RP15. Crédito: Shrivastava et al., Sci. Robot. 5, eaba3499 (2020)

Aunque el Mini Rover fue diseñado para estudiar la exploración lunar y planetaria, las lecciones aprendidas también podrían ser aplicables a la locomoción terrestre, un área de interés para el Laboratorio de Investigación del Ejército, uno de los patrocinadores del proyecto.

«La investigación básica está revelando principios contraintuitivos y enfoques novedosos para la locomoción y la intrusión granular en terrenos complejos y productivos», dijo el Dr. Samuel Stanton, gerente de programa, Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. . «Esto puede conducir a nuevas plataformas conscientes del terreno capaces de hacer una transición inteligente entre los modos de movimiento con ruedas y patas para mantener un ritmo operativo alto».

Más allá de los ya mencionados, los investigadores trabajaron con Robert Ambrose y William Bluethmann en la NASA, y viajaron a la NASA JSC para estudiar el vehículo de tamaño completo de la NASA.

 


Más información:
S. Shrivastava el al., «La remodelación del material y los modos de caminar no convencionales facilitan la locomoción de un rover robofísico sobre terreno granular». 

 

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