La sonde spatiale MMX devant la lune de Phobos (source : NASA)

Dynamixel-P Servomotoren zum Bau von Mars-Rovers

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Die Dynamixel Servomotoren von ROBOTIS bieten eine hohe Performance und Widerstandsfähigkeit und werden – insbesondere vom CNES (National Center for Space Studies) – für Prototypingzwecke im Bereich Weltraumrobotik eingesetzt.

Das CNES verwendet sie u. a. zur Entwicklung des terrestrischen Prototyps eines Erkundungsroboters, der zu Phobos – einem der zwei Monde des Planeten Mars – geschickt wird.

Die Aufgabe dieses kleinen Roboters besteht darin, die physikalischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des Regoliths zu studieren, das die Oberfläche von Phobos bedeckt.

Warum ist Phobos so interessant?

Dieses Rover-Projekt, das aus einer Zusammenarbeit zwischen Frankreich und Deutschland hervorging, ist Teil der MMX-Mission MMX-Mission (Martian Moons Exploration) Mission der japanischen Weltraumbehörde JAXA.

Ziel der MMX-Mission besteht darin, die Entstehungsgeschichte der beiden Marsmonde besser zu verstehen. Indem wir die Monde näher studieren, können wir das Entstehungsszenario der Planeten des Sonnensystems besser verstehen und vor allem mehr über die Herkunft von Wasser auf der Erde erfahren. Zu diesem Zweck ist die japanische Sonde mit zahlreichen wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet. Sie wird nacheinander auf den beiden Monden landen, um einige Gramm Regolith zu sammeln. Daraufhin werden diese in einer Wiedereintrittskapsel zur Erde zurückgebracht und dort untersucht.

Der kleine Rover wird von der MMX-Sonde während eines Überflugs in sehr geringer Höhe auf die Oberfläche von Phobos fallen gelassen. Der Rover soll einhundert Tage lang im Einsatz bleiben.

Es ist anzumerken, dass die beiden kleinen Monde bei der Eroberung von Mars durch den Menschen eine wichtige Rolle spielen könnten. Sie dienen als Relaisstationen zwischen interplanetaren Reisen und der Landung. Das Prinzip ist das gleiche wie beim Apollo-Modul, das der Landefähre Eagle im Mondorbit im Jahr 1969 als Relais diente. Die MMX-Mission soll 2024 von der Basis Tenegashima aus starten. Die Probe soll die Erde ca. 2029 erreichen.

Die Mission der deutsch-französischen Partnerschaft: einen autonomen Rover entwickeln, der nur 25 kg wiegt

Die deutsche Mission

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beschäftigt sich mit der Außenstruktur des Rovers, den Komponenten, die seine Mobilität gewährleisten (Bein, Rad), sowie mit dem Mechanismus, das ihn von der Sonde trennt. Darüber hinaus stellt das Zentrum zwei wissenschaftliche Instrumente bereit: ein Radiometer und ein Raman-Spektrometer.

Die französische Mission

Das CNES, das französische Zentrum für Weltraumforschung, arbeitet am Bordcomputer und an der entsprechenden Flugsoftware, der Stromversorgungskette (Solarmodul, Batterie, Wechselrichter) und der Funkverbindung zwischen dem Rover und der Sonde. Die französischen Instrumente bestehen aus 4 hochauflösenden Kameras.

Mechanische Architektur: Fokus auf Uprighting-Funktion

Wir redeten über diese Mission mit Jean Bertrand, dem CNES-Ingenieur, der für mechatronische Aspekte in der Robotikabteilung für planetare Exploration am Toulouser Zentrum für Raumfahrt verantwortlich zeichnet.

Bei der MMX-Mission war Jean Bertrand u. a. für die Fertigung des terrestrischen Modells des Rovers zuständig. Zum Motorisieren des Modells wählte er Génération Robots, den Alleinvertriebshändler von Dynamixel Servomotoren in Frankreich, als Lieferanten.

Der Zweck des Funktionsmodells des Rovers besteht darin, die Selbstaufrichtfunktion (Engl. „Uprighting“) des MMX-Rovers zu testen.

Wozu dient die Uprighting-Funktion?

Wenn die MMX-Raumsonde über Phobos in sehr geringer Höhe (ca. 40 m) fliegt, wird sie den Rover so wie er ist, ohne jeglichen Schutz oder jegliches Bremssystem, fallen lassen. Da die Schwerkraft auf Phobos extrem gering ist, entspricht ein freier Fall aus einer Höhe von 40 m einem Fall aus einer Höhe von nur 6 cm auf der Erde.

Daraufhin wird der kleine Rover von der Oberfläche so lange abprallen, bis er sich in einer zufälligen Position stabilisiert. Nachdem sich der Roboter stabilisiert hat, kommt die Uprighting-Funktion zum Einsatz.

Der Roboter führt diesen kritischen Vorgang autonom durch, denn eine Fernsteuerung von der Erde aus wäre während der gesamten Landephase völlig unmöglich. Eine weitere Einschränkung: Dieser Vorgang kann nur mit einer einzigen Akkuladung durchgeführt werden, da die Solarmodule in diesem Stadium auf der Rückseite des Rovers geklappt sind.

Die (mit Rädern an den Enden ausgestatteten) langen Beine des Roboters werden mithilfe von Motoren ausfahren. Diese Beine werden daraufhin als Hebel verwendet, die ihn zum Rollen bringen werden, so dass er schließlich auf vier Rädern stehend seine Arbeitsposition einnimmt.

Die Uprighting-Sequenz funktioniert unabhängig von der Position, in der sich der Roboter auf dem Boden von Phobos stabilisiert. Sollte er mal umkippen und sich auf einer Seite wiederfinden, werden die Beine keine Hebelwirkung haben. Daher ist in der Sequenz die sogenannte „Fallschirmspringer“-Position enthalten, in der alle vier Beine des Rovers nach oben gerichtet sind. In dieser Position kann er sich – zumindest teilweise – zum eigenen Bauch neigen. So kann er sich durch einige aufeinanderfolgende Bewegungen seiner vier Beine wieder aufrichten.

Sind die Solarmodule, über die der Roboter während der gesamten Mission mit Energie versorgt wird, an ihrem Platz, können sie sicher verwendet werden.

Ein terrestrischer Prototyp zum Testen und Validieren der Uprighting-Funktion

Der Prototyp, der zur Durchführung von Tests und zur Validierung de Uprighting-Funktion dient, unterscheidet sich natürlich vom Roboter, der zu Phobos entsendet wird.

Die Schwerkraft auf Phobos ist 2000 Mal niedriger als auf der Erde. Bei dem für Phobos entwickelten Rover würde das Risiko bestehen, beim Rollen unter Einwirkung der Erdanziehungskraft ganz schnell zerstört zu werden. Sein Chassis aus Carbon-Nida und seine dünnen Beine (auch wenn sie aus Titan sind) würden Stößen nicht sehr lange standhalten können!

Im Vergleich zum echten Rover ist das Landmodell widerstandsfähig und kostengünstig. Sein praktisch bruchfester Rahmen besteht aus Polycarbonat. Bei seinen Aktuatoren handelt es sich um Dynamixel Servomotoren, die zugleich widerstandsfähig und sehr präzise sind.

Die Vorteile der Dynamixel Servomotoren für das CNES

Für dieses Projekt sind Motoren mit unterschiedlichen Steuerungstypen (im Hinblick auf die Position oder Geschwindigkeit) erforderlich. Bei Dynamixel Servomotoren, die präzise und stabile PID-Steuerungen bieten, handelt es sich um eine native Funktion.

Darüber hinaus bieten sie zahlreiche Konfigurationsparameter. Beispielsweise lässt sich das Drehmoment ganz einfach begrenzen, um bei der Verwendung leistungsstarker Motoren – wie z. B. der Dynamixel-P – die Sicherheit der Bediener zu gewährleisten. Wenn die Beine zum Einsatz kommen, ist das Drehmoment der Servos auf eine Leistung von 30 % oberhalb des zum Aufrichten des Roboters erforderlichen Drehmoments beschränkt.

Ein weiterer erheblicher Vorteil der Dynamixel Servomotoren bei dieser Mission: Sie lassen sich über eine serielle UART-Verbindung steuern. Dies ist auch bei dem zu Phobos entsendeten Roboter der Fall. In dem Roboter wird SpaceWire verwendet – ein Computerbus, der historisch auf dem IEEE 1355 Standard basiert und heutzutage bei zahlreichen Weltraummissionen von NASA, ESA oder JAXA (japanische Weltraumbehörde) verwendet wird.

So lassen sich Computercodes zum Steuern der Motoren des Modells und des echten Rovers entwickeln, die ähnlich genug sind. Beispielsweise ermöglichen Dynamixel-Produkte wie das DLR-Lokomotionssystem die Wiederherstellung der aktuellen Geschwindigkeit und des aktuellen Drehmoments bei einer Frequenz von 10 Hz. Dies ist sehr wichtig, da die permanente Überwachung des Zustands der Aktuatoren eine der Hauptfunktionen des Uprighting-Algorithmus ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass alle Servomotoren des Sortiments auf die gleiche Weise gesteuert werden. Dies vereinfacht das Testen mehrerer Servomotor-Modelle mit demselben Computercode und macht es möglich, schnell zu bestimmen, welcher Servomotor für eine bestimmte Anwendung optimal ist.

So konnte das CNES-Team bei diesem Projekt ohne jegliche Probleme von MX-64AR Servomotoren beim ersten Prototyp auf die Dynamixel-P (Modell PH54-100-S500-R) beim endgültigen Modell umsteigen.

Version du prototype avec les servos MX64-AR

Version des Prototyps mit MX64-AR-Servos

Version du prototype avec les PH54-100-S500-R

Version des Prototyps mit PH54-100-S500-R

Die einzige Einschränkung bestand in der Implementierung einer indizierten Adressierungstabelle in den Dynamixel-P Servomotoren, um diese unter Verwendung desselben Computercodes wie bei Dynamixel MX oder XM steuern zu können.

In der endgültigen Version des Modells ermöglicht diese Korrespondenztabelle gemischte Kettenzwischen den Dynamixel Servomotoren der Räder (XM-Serie) und den Dynamixel-P Servomotoren (früher: Dynamixel Pro), die für die Beine verwendet werden.

Bei der im Modell eingesetzten Software hat sich das CNES für die Sprache C entschieden, um die größtmögliche Ähnlichkeit mit der Software des echten Rovers zu gewährleisten. C ist nicht unbedingt der einfachste Weg zum Steuern von Dynamixel Servomotoren. Dank des Software Development Kits (SDK) und den mitgelieferten Unterlagen des Herstellers ROBOTIS wird damit jeder C-Entwickler mit einigen Jahren Erfahrung jedoch fertig.

Auswahl an Dynamixel Servomotoren für den MMX-Rover-Prototyp

Motorisierung der Räder: XM430-W210-R Servomotoren

=> Grund für die Wahl: hier ist die Größe wichtig; ein starkes Drehmoment oder eine hohe Geschwindigkeit sind nicht erforderlich, sondern vielmehr kompakte Servos, die in die Räder eingebaut werden.

Nutzung der Beine: MX-64AR Servomotoren, anschließend PH54-100-S500-R

=> Grund für die Wahl: die ersten Tests wurden mit dem MX-64AR durchgeführt. Da es aber Situationen geben wird, in denen das gesamte Gewicht des Modells von einem einzigen Servomotor getragen werden muss, fehlte es an Drehmoment. Die Servomotoren der Dynamixel-P Reihe ermöglichen eine ausreichende Leistung für jede Anwendung.