Cas client CNES : projet de robot mobile assistant astronaute

Infos générales :

Équipement acheté :

Robot mobile Scout 2.0

Kit R&D ROS2

Bras Viper 300 6 DoF

Caméra 3D ZED 2i Polarizer

NVIDIA Jetson Orin Nano 8GB

Contexte : la mission spatiale Artemis

Artemis est un programme spatial de la NASA, dont l’objectif est d’établir une présence permanente sur la Lune et dans la zone située entre la Terre et la Lune.

Ce projet sert également à préparer les futures missions habitées vers Mars.

L’ESA (Agence spatiale européenne) participe à ce programme à travers la fourniture de plusieurs modules de la future station spatiale lunaire, du module de service du vaisseau spatial Orion et du développement d’un atterrisseur lourd baptisé Argonaut.

Au sein du CNES, le SpaceShip FR est chargé de développer un prototype fonctionnel de robot assistant pour les astronautes de la future station lunaire.

Pour la première fois, l’Europe met en œuvre les conditions industrielles d’un accès indépendant à la Lune, avec des technologies conçues et assemblées sur son territoire.

Objectif à moyen terme : la construction d’une flotte de robots mobiles lunaires

Des robots mobiles autonomes et reconfigurables, capables d’effectuer un large panel de missions, feront partie intégrante de cette base lunaire.

Ce projet sert également à préparer les futures missions habitées vers Mars.

1) Quel type de robot pour la base lunaire ?

L’objectif est de valider la faisabilité d’un robot mobile pesant de 500 kg à 800kg (medium size), équipé de 4 roues, de bras, de multiples capteurs, et qui embarque une IA. La vitesse maximale de ce robot sera de 10 à 15 km/h (en comparaison, les rovers martiens roulent à 1,8 km/h). Le robot aura une capacité de déplacement de 1000 km par journée lunaire (29.5 jours terrestres).

Il sera également téléopérable (depuis la Lune, la station orbitale lunaire ou même directement depuis la Terre). Le délai pour recevoir les communications entre la Terre et la Lune n’étant que de quelques secondes, cela permettra de piloter le robot sur un grand nombre de tâches depuis la Terre.

2) Quelles missions devra accomplir cette flotte robotique ?

Les robots vont préparer la base lunaire permanente avant l’arrivée des astronautes. Lorsque ces derniers seront sur place, ces robots les assisteront dans leurs activités extérieures, hors de l’habitat.

Les robots mobiles seront envoyés en amont, et ils auront notamment pour mission l’installation de l’infrastructure « lourde » de la base lunaire : montage des différents abris (laboratoires, hébergement, cuisine, serre, etc), installation d’un parc de panneaux solaires pour alimenter la base en énergie, etc.

Une fois la base installée et sécurisée, les astronautes pourront s’y installer pour des périodes de plusieurs mois.

Quand l’équipe d’astronautes sera sur place, les robots mobiles effectueront d’autres missions comme :

Transport de matériel sur de courtes ou longues distances (entre le site d’atterrissage et la base lunaire par exemple)
Collecte d’échantillons et déploiement d’instrument scientifiques à longues distances de la base (réseau de sismomètres du pôle Sud jusqu'à l’équateur)
Aide à la construction de nouveaux équipements (radiotélescope sur la face caché de la Lune)
Moyen de transport à courte distance pour 1’astronaute (mode scooter !)

La Lune et ses contraintes environnementales

La Lune possède des contraintes environnementales bien particulières, qui représentent de grands défis :

Le vide spatial interdit d’utiliser des roues pneumatiques (le caoutchouc exposé au vide devient sec et cassant). Or, des roues souples sont indispensable pour les performances dynamiques du châssis.
L’amplitude thermique jour/nuit (-140°C / +150°C) contraint le choix des matériaux et fatigue les structures. Là encore, le caoutchouc n’y résisterait pas.
Le sol de la Lune est composé de poussière extrêmement fine, abrasive (telle du verre pilé) et électrostatique, ce qui est très néfaste pour tous les mécanismes (articulations, moteurs, instruments optiques). C’est également un enjeu majeur pour la santé des astronautes.
Autre contrainte : il n’y a ni internet, ni « cloud » dans l’espace, tout doit fonctionner de manière autonome sur place, avec en plus une exigence de haute-fiabilité.

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Objectif à court terme : créer et valider les briques technologiques qui permettront de construire un premier robot

1) La recherche française en partenariat avec des industriels européens

Développer une flotte composée de robots mobiles autonomes lunaires est une prouesse technologique, dont la réalisation demande l’intervention de nombreux corps de métiers et de multiples acteurs.

Pour la première fois, l’ESA a mis en place des partenariats avec des industriels européens pour la fabrication d’équipements destinés à l’exploration lunaire.

Ainsi, Decathlon a conçu avec le CNES un prototype de combinaison intra véhiculaire. Elle sera prochainement testée par Sophie Adenot, astronaute française de l’ESA, dans l’ISS.de combinaison intra véhiculaire. Elle sera prochainement testée par Sophie Adenot, astronaute française de l’ESA, dans l’ISS.

L’équipementier Michelin travaille sur un concept de pneus souples qui n’ont pas besoin d’être gonflés. Ceci permettra aux roues du robot de maximiser la traction sans être impactées par les effets du vide spatial et de l’amplitude thermique.

2) La mission du CNES : valider les briques technologiques nécessaires à la création d’un robot assistant astronaute

La mission du service SpaceShip FR au CNES est de sélectionner les solutions techniques terrestres avancées qui permettront, en les adaptant aux contraintes spatiales, d’augmenter significativement l’efficacité des missions habités en direction de la Lune.

Dans le domaine de la robotique pour l’exploration spatiale, les ingénieurs construisent souvent plusieurs prototypes terrestres qui servent chacun à valider différents aspects du robot : le châssis mobile, la suite de capteurs, les actionneurs (bras…) et aussi ce qu’on appelle le concept opérationnel.

Pour tester le concept opérationnel du « rover assistant astronaute », le CNES est en train de développer un prototype fonctionnel à l’échelle 1/3.

3) Exemples de fonctionnalités attendues et de scénarios à tester

Pour ce projet, l’équipe du CNES a choisi le robot mobile Scout 2.0 d’AgileX Robotics. Sur cette base, le CNES a développé et testé 3 fonctionnalités additionnelles : la commande vocale, la navigation autonome ainsi que 2 bras manipulateurs.

👉 Intérêt de la commande vocale pour un robot lunaire :

En activité à la surface lunaire, la combinaison spatiale portée par les astronautes rendra difficiles les interactions avec un clavier, un écran tactile ou même une manette. En utilisant des commandes vocales, les astronautes gagneront en efficacité et garderont leurs mains libres.

👉 Les commandes vocales au robot démonstrateur peuvent être par exemple :

A noter que ces commandes peuvent être dites en français ou en anglais. Le modèle de langage utilisé est multilingue (même s’il ne maîtrise pas 3 millions de formes de communication… Contrairement au célèbre robot doré de Star Wars !).

La commande vocale pour le robot lunaire présente néanmoins deux contraintes fortes : premièrement, les ressources informatiques limitées, et deuxièmement l’absence d’accès à internet (ou plus exactement la nécessité de ne pas en dépendre).

Cela impose d’avoir recours à une IA embarquée « frugale » (IA ayant de faibles besoins énergétiques et matériels).

Cette adaptation d’un SLM standard (Hammer 2.1) a été réalisée pour le CNES par la société Thales Service Numérique. Une carte électronique dédiée à cette fonction IA a été intégrée dans un boîtier spécifique sur le dos du rover. Il s’agit d’un kit VEK280 de AMD.

4) Choix de l’équipement et des composants pour la navigation autonome

Pour doter son démonstrateur de la navigation autonome, le CNES a choisi le kit R&D ROS2 développé par Génération Robots. En combinaison avec le SCOUT 2.0, ce kit a permis aux équipes de s’appuyer sur une plateforme mobile à la fois robuste, abordable, et rapidement exploitable.

Le kit R&D ROS2 accélère de plusieurs semaines la mise en place, le développement et les premiers tests, en s’appuyant sur une intégration électrique et logicielle déjà effectuée, des capteurs pensés pour fonctionner ensemble et une architecture ouverte.

Points forts du kit R&D ROS2	Pour l’exploration lunaire/milieu hostile
Mobilité tout-terrain	Tester la navigation sur des surfaces irrégulières
Intégration ROS2	Accélérer le développement et les essais
Capteurs et calcul embarqué	Faciliter les tests de perception et de navigation
Plateforme modulaire	Ajouter et adapter rapidement de nouveaux équipements

Le kit choisi inclus les capteurs suivants :

Son architecture informatique repose sur :

Sur cette base, cohérente et immédiatement fonctionnelle, le CNES a implanté une solution de navigation autonome en utilisant des packages ROS2 standards :

Robot_localization qui produit une localisation robuste en réalisant une fusion des données GPS + IMU + odométrie des roues. Ce package implémente pour cela un filtre de Kalman étendu (EKF).
NAV2 qui est la solution de navigation robotique classique. Ce package a besoin en entrée d’une carte de navigabilité. Celle-ci a été créée à partir du nuage de points LiDAR.
La fonction de suivi automatique (follow_me) exploite le « body tracking » de la caméra ZED 2i.

5) Intégration matérielle et logicielle de bras robotiques

Pour doter son démonstrateur de la navigation autonome, le CNES a choisi le kit R&D ROS 2 développé par Génération Robots. En combinaison avec le SCOUT 2.0, ce kit a permis aux équipes de s’appuyer sur une plateforme mobile à la fois robuste, abordable, et rapidement exploitable.

Le kit R&D ROS2 permet de démarrer plus vite grâce à une plateforme prête à l’emploi, pensée pour simplifier l’intégration et le développement.

Il existe plusieurs modèles ; expliquez-nous votre projet et nous vous orienterons vers la version du kit la plus pertinente. 👇

Les bras robotiques permettent au robot d’effectuer des tâches de préhension et de manipulation (collecte d’échantillons, gestion des outils pour l’astronaute).

A terme, il est prévu de les utiliser pour simuler d’autres taches logistiques utiles à la base lunaire : nettoyage des panneaux solaires, déstockage et installation d’instruments scientifiques, déploiement de réseaux filaires, assemblage de structure, etc…

Matériel choisi pour les bras robot :

L’intégration mécanique exploite les rails présents sur le dos du robot Scout 2.0.

L’intégration logicielle a été grandement facilitée par la plateforme ROS2. Les packages nécessaires au pilotage des bras sont disponibles et peuvent être personnalisés par l’utilisateur. En l’état actuel, les bras sont soit télécommandés à l’aide d’une manette de jeu Logitech F710, soit contrôlés par le rover en utilisant des « ROS Bag ». Il est prévu dans la suite des travaux que l’unité centrale du robot puisse piloter les bras en temps réel pour effectuer des tâches plus complexes.

A noter que dans l’espace, la sécurité des astronautes sera une priorité absolue. Le démonstrateur comporte déjà quelques fonctions de sécurité. Par exemple en mode « follow-me », où lorsque l’astronaute s’approche du robot, ce dernier recule pour éviter le contact. De même, les bras sont configurés pour limiter leur force de contact.

Vers une base lunaire permanente : les innovations spatiales européennes

L’exploration lunaire repose sur le développement de technologies innovantes et adaptées aux contraintes extrêmes de l’environnement spatial.

Des partenariats entre le CNES, l’ESA et des industriels européens comme Génération Robots permettent de valider les briques technologiques nécessaires à la création de ces robots, tout en assurant la sécurité des astronautes.

Ces efforts collectifs sont essentiels pour permettre une exploration durable et efficace de la Lune.

Vous travaillez sur un projet similaire ? Nous pouvons vous aider à structurer votre plateforme robotique.

Vanessa Mazzari

Responsable Marketing chez Génération Robots