{"id":9040,"date":"2021-12-23T10:21:31","date_gmt":"2021-12-23T09:21:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.generationrobots.com\/blog\/?p=9040"},"modified":"2024-06-27T10:11:01","modified_gmt":"2024-06-27T08:11:01","slug":"des-servomoteurs-dynamixel-p-pour-construire-des-rovers-martiens","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.generationrobots.com\/blog\/fr\/des-servomoteurs-dynamixel-p-pour-construire-des-rovers-martiens\/","title":{"rendered":"Des servomoteurs Dynamixel-P pour construire des rovers martiens"},"content":{"rendered":"\t\t
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Alliant performance et robustesse, les servomoteurs Dynamixel de ROBOTIS sont utilis\u00e9s pour du prototypage dans le domaine de la robotique spatiale<\/strong>, notamment par le CNES<\/strong> (Centre national d’\u00e9tudes spatiales).<\/p>\n

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Le CNES les utilise entre autres dans la conception du prototype terrien<\/strong> d\u2019un robot d\u2019exploration qui sera envoy\u00e9 sur Phobos, l’une des deux lunes de la plan\u00e8te Mars.<\/p>\n

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L\u2019objectif de ce petit robot : <\/strong>\u00e9tudier les propri\u00e9t\u00e9s physiques et la composition du r\u00e9golithe couvrant la surface de Phobos.<\/p>\n

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Pourquoi aller sur Phobos ?<\/h2>\n

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Ce projet de rover, fruit d\u2019une coop\u00e9ration entre la France et l\u2019Allemagne, fait partie de la mission MMX<\/a><\/strong> (Martian Moons Exploration), de l\u2019agence spatiale Japonaise, la JAXA.<\/p>\n

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La mission MMX a pour but de mieux comprendre l’histoire de la formation des deux lunes de Mars. L\u2019\u00e9tude des satellites de Mars doit permettre d\u2019affiner le sc\u00e9nario de formation des plan\u00e8tes du syst\u00e8me solaire, notamment d\u2019en savoir plus sur la provenance de l\u2019eau sur Terre<\/strong>. Pour cela, la sonde japonaise embarque une multitude d\u2019instruments scientifiques. Elle-m\u00eame va se poser successivement sur les deux lunes afin de collecter quelques grammes de r\u00e9golithe qui seront, via une capsule de retour, ramen\u00e9s sur Terre pour y \u00eatre \u00e9tudi\u00e9s.<\/p>\n

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Le petit rover sera largu\u00e9 \u00e0 la surface de Phobos par la sonde MMX lors d\u2019un survol \u00e0 tr\u00e8s basse altitude. Sa mission devrait alors durer une centaine de jours.<\/p>\n

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A noter que dans la conqu\u00eate de Mars par l\u2019Homme, les deux petites lunes pourraient jouer un grand r\u00f4le. En effet, elles sont vues comme des stations relais entre le voyage interplan\u00e9taire et l\u2019atterrissage en lui-m\u00eame. Tout comme le module Apollo, en orbite Lunaire, a servi de relais \u00e0 l\u2019atterrisseur Eagle en 1969. La mission MMX doit \u00eatre lanc\u00e9e en 2024<\/strong> depuis la base de Tenegashima, avec un retour de l’\u00e9chantillon sur Terre vers 2029.<\/p>\n

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La mission du bin\u00f4me franco-allemand : concevoir un astromobile autonome de seulement 25kg<\/h2>\n

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La mission allemande<\/h3>\n

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Le DLR<\/strong>, l’agence spatiale allemande est en charge la structure externe<\/strong> de l\u2019astromobile, les composants assurant sa mobilit\u00e9 (jambe, roue) et le m\u00e9canisme de s\u00e9paration<\/strong> d\u2019avec la sonde. Ils vont \u00e9galement fournir deux instruments scientifiques\u00a0: un radiom\u00e8tre<\/strong> et un spectrom\u00e8tre Raman<\/strong>.<\/p>\n

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La mission fran\u00e7aise<\/h3>\n

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Le CNES<\/strong>, l’agence spatiale fran\u00e7aise travaille sur l’ordinateur de bord<\/strong> et son logiciel de vol<\/strong>, la cha\u00eene d’alimentation<\/strong> \u00e9lectrique (panneau solaire, batterie, convertisseurs), et le lien de t\u00e9l\u00e9communication<\/strong> radio entre le rover et la sonde. Les instruments fran\u00e7ais sont constitu\u00e9s de 4 cam\u00e9ras haute r\u00e9solution<\/strong>.<\/p>\n

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Architecture m\u00e9canique : zoom sur la fonction uprighting<\/h2>\n

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Nous avons discut\u00e9 de cette mission avec Jean Bertrand, ing\u00e9nieur au CNES et responsable des aspects m\u00e9catroniques<\/strong> au sein du service de robotique d\u2019Exploration plan\u00e9taire au Centre Spatial de Toulouse.<\/p>\n

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Pour la mission MMX, Jean Bertrand \u00e0 notamment en charge la fabrication de la maquette terrestre du rover<\/strong>. Pour motoriser celle-ci, il a choisi de se fournir chez G\u00e9n\u00e9ration Robots, qui est le distributeur exclusif de servomoteurs Dynamixel<\/strong><\/a> en France.<\/p>\n

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La raison d\u2019\u00eatre de la maquette fonctionnelle du rover et de tester la fonction d\u2019auto-redressement (dite \u00ab\u00a0uprighting<\/strong>\u00a0\u00bb) du rover MMX.<\/p>\n

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A quoi sert la fonction up-righting ?<\/h3>\n

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Lorsque la sonde spatiale MMX survolera Phobos \u00e0 tr\u00e8s basse altitude (environ 40m), elle larguera le rover tel-quel, sans aucun syst\u00e8me de protection ou de freinage. La gravit\u00e9 \u00e9tant extr\u00eamement faible sur Phobos, une chute libre de 40m y \u00e9quivaut \u00e0 une chute de seulement 6cm sur Terre<\/strong>.<\/p>\n

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Le petit rover rebondira alors sur la surface, jusqu\u2019\u00e0 se stabiliser dans une position al\u00e9atoire<\/strong>. Une fois le robot stabilis\u00e9, la fonction uprighting se lancera.<\/p>\n

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Le robot effectuera cette op\u00e9ration critique en autonomie<\/strong>, la t\u00e9l\u00e9-op\u00e9ration depuis la Terre \u00e9tant strictement impossible pendant toute la phase d\u2019atterrissage. Autre contrainte : l\u2019op\u00e9ration ne devra s’effectuer qu\u2019avec une seule charge de batterie<\/strong> car, bien entendu, les panneaux solaires sont repli\u00e9s sur le dos du rover \u00e0 ce stade.<\/p>\n

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Des moteurs d\u00e9ploieront les longues jambes du robot (\u00e9quip\u00e9es de roues aux extr\u00e9mit\u00e9s), qui seront alors utilis\u00e9es comme leviers pour lui faire faire une roulade au sol<\/strong> afin qu\u2019il se trouve finalement dans sa position de fonctionnement, debout sur ses quatre roues.<\/p>\n

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La s\u00e9quence uprighting a \u00e9t\u00e9 pr\u00e9vue pour fonctionner quelque soit la position dans laquelle le robot se stabilise<\/strong> sur le sol de Phobos. Si jamais il se trouve sur le flanc, les jambes n\u2019ont pas d\u2019effet de levier. La s\u00e9quence inclut donc une position dite \u00ab\u00a0parachutiste<\/strong> \u00bb o\u00f9 le rover a les quatre jambes orient\u00e9es vers le haut. Cette position lui permet de basculer, au moins partiellement, sur le ventre. Plusieurs mouvements successifs des quatre jambes lui permettent ensuite de se mettre debout.<\/p>\n

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Une fois \u00e0 l\u2019endroit, les panneaux solaires, qui alimenteront le robot pendant toute sa mission, pourront alors se d\u00e9ployer en toute s\u00e9curit\u00e9.<\/p>\n

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Un prototype terrien pour tester et valider la fonction up-righting<\/h2>\n

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Le prototype qui sert \u00e0 effectuer les tests et valider la fonction uprighting est forc\u00e9ment diff\u00e9rent du robot qui sera envoy\u00e9 sur Phobos.<\/p>\n

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En effet, la gravit\u00e9 de Phobos est 2000 fois plus faible<\/strong> que la gravit\u00e9 terrestre. Le vrai rover, con\u00e7u pour Phobos, risquerait d\u2019\u00eatre rapidement d\u00e9truit<\/strong> s\u2019il faisait des roulades sous gravit\u00e9 terrestre. Son ch\u00e2ssis en Nida carbone et ses fines jambes (m\u00eame faites en titane) ne supporteraient pas les chocs\u00a0tr\u00e8s longtemps !<\/p>\n

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La maquette terrestre est robuste et peu co\u00fbteuse compar\u00e9e au vrai Rover. Son ch\u00e2ssis, pratiquement incassable, est fabriqu\u00e9 en polycarbonate<\/strong>. Ses actionneurs sont des servomoteurs Dynamixel<\/strong> \u00e0 la foi robustes et tr\u00e8s pr\u00e9cis.<\/p>\n

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Les points forts des servomoteurs Dynamixel pour le CNES<\/h3>\n

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Ce projet n\u00e9cessite des moteurs ayant diff\u00e9rents types d’asservissement (en position ou en vitesse<\/strong>). Ce que proposent nativement les servomoteurs Dynamixel, qui int\u00e8grent des asservissements PID pr\u00e9cis et stables.<\/p>\n

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Ils offrent \u00e9galement de nombreux param\u00e8tres de configuration<\/strong>. Il est par exemple possible de limiter facilement le couple, ce qui est important pour assurer la s\u00e9curit\u00e9 des diff\u00e9rents op\u00e9rateurs lorsqu\u2019on est sur des servomoteurs puissants comme les Dynamixel-P<\/a><\/strong>. Pour le d\u00e9ploiement des jambes, le couple des servos a \u00e9t\u00e9 brid\u00e9<\/strong> \u00e0 une puissance de 30% au-del\u00e0 du couple n\u00e9cessaire au redressement du robot.<\/p>\n

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Autre gros avantage des servomoteurs Dynamixel pour cette mission : ils peuvent \u00eatre pilot\u00e9s via une liaison s\u00e9rie UART<\/strong>. Ce sera \u00e9galement le cas du robot envoy\u00e9 sur Phobos, qui utilise SpaceWire<\/strong>, un bus informatique bas\u00e9 historiquement sur le standard IEEE 1355 et utilis\u00e9 aujourd\u2019hui dans de tr\u00e8s nombreuse missions spatiales<\/strong> de la NASA, de l\u2019ESA ou de la JAXA (l\u2019agence spatiale japonaise).<\/p>\n

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Cela permet de d\u00e9velopper des codes informatiques assez similaires pour piloter les moteurs de la maquette et du vrai rover<\/strong>. Par exemple, comme le syst\u00e8me de locomotion du DLR, les Dynamixel permettent de r\u00e9cup\u00e9rer la vitesse instantan\u00e9e et le couple instantan\u00e9 \u00e0 une fr\u00e9quence de 10 Hz. C\u2019est tr\u00e8s important car la supervision continue de l\u2019\u00e9tat des actionneurs est une fonction capitale de l\u2019algorithme d\u2019uprighting.<\/p>\n

\n\n<\/p>\n

Un autre atout est que tous les servomoteurs de la gamme se pilotent de la m\u00eame mani\u00e8re<\/strong>, ce qui permet de tester facilement plusieurs mod\u00e8les<\/strong> de servomoteurs avec le m\u00eame code informatique, et ainsi de d\u00e9terminer rapidement quel est le servomoteur optimal pour une application sp\u00e9cifique.<\/p>\n

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Durant les phases de ce projet, l\u2019\u00e9quipe du CNES a ainsi pu passer facilement des servomoteurs MX-64<\/a><\/strong> sur le premier prototype, \u00e0 la gamme pro Dynamixel-P (mod\u00e8le PH54-100-S500-R<\/a><\/strong>) pour la maquette d\u00e9finitive.<\/p>\n

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\"Version<\/figure>

Version du prototype avec les servos MX64-AR<\/p><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\"Version<\/figure>

Version du prototype avec les PH54-100-S500-R<\/p><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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La seule contrainte a \u00e9t\u00e9 d\u2019implanter une table d\u2019adressage<\/strong> index\u00e9e dans les servos Dynamixel-P pour pouvoir les piloter avec exactement le m\u00eame code informatique que les Dynamixel MX ou XM.<\/p>\n

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Dans la version finale de la maquette, cette table de correspondance permet d\u2019avoir des cha\u00eenes mixtes<\/strong> entre les servomoteurs Dynamixel des roues (s\u00e9rie XM) et servomoteurs Dynamixel-P (anciennement Dynamixel Pro), utilis\u00e9s pour le d\u00e9ploiement des jambes.<\/p>\n

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Pour le logiciel embarqu\u00e9 dans la maquette, le CNES a choisi le langage C<\/strong>, toujours pour rester le plus proche possible du logiciel du vrai rover<\/strong>. Le C n\u2019est pas forc\u00e9ment la mani\u00e8re la plus simple de piloter les servomoteurs Dynamixel. Mais, gr\u00e2ce au kit de d\u00e9veloppement logiciel (SDK<\/strong>) et \u00e0 la documentation<\/strong> fournie par le constructeur ROBOTIS cela reste \u00e0 la port\u00e9e d\u2019un d\u00e9veloppeur C avec quelques ann\u00e9es d\u2019exp\u00e9rience.<\/p>\n

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S\u00e9lection des servomoteurs Dynamixel pour le prototype du rover MMX<\/h3>\n

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Motorisation des roues : servomoteurs XM430-W210-R<\/h4>\n

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=> Raison du choix :<\/strong> ici la dimension a son importance, il n\u2019y a pas besoin d\u2019avoir un fort couple ou beaucoup de vitesse, mais d\u2019avoir des servos compacts qui puissent prendre place \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur des roues.<\/p>\n

D\u00e9ploiement des jambes : servomoteurs MX-64AR, puis PH54-100-S500-R<\/h4>\n

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=> Raison du choix :<\/strong> des premiers tests ont \u00e9t\u00e9 faits avec les MX-64AR. Mais comme dans certaines situations un seul servo doit supporter tout le poids de la maquette, ils manquaient de couple. Les servomoteurs de la gamme Dynamixel-P permettent d\u2019avoir une puissance largement suffisante dans tous les cas.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\"Servomoteur<\/a><\/figure>
Servomoteur XM430-W210-R<\/a><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\"Servomoteur<\/a><\/figure>
Servomoteur MX-64AR<\/a><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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\"Servomoteur<\/a><\/figure>
Servomoteur PH54-100-S500-R<\/a><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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