{"id":9128,"date":"2021-12-23T10:21:31","date_gmt":"2021-12-23T09:21:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.generationrobots.com\/blog\/?p=9128"},"modified":"2023-06-28T15:42:34","modified_gmt":"2023-06-28T13:42:34","slug":"dynamixel-p-servomotoren-zum-bau-von-mars-rovers","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.generationrobots.com\/blog\/de\/dynamixel-p-servomotoren-zum-bau-von-mars-rovers\/","title":{"rendered":"Dynamixel-P Servomotoren zum Bau von Mars-Rovers"},"content":{"rendered":"\t\t
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Die Dynamixel Servomotoren von ROBOTIS bieten eine hohe Performance und Widerstandsf\u00e4higkeit und werden – insbesondere vom CNES<\/strong> (National Center for Space Studies) – f\u00fcr Prototypingzwecke im Bereich Weltraumrobotik<\/strong> eingesetzt.<\/p>

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

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Die Aufgabe dieses kleinen Roboters<\/strong> besteht darin, die physikalischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des Regoliths zu studieren, das die Oberfl\u00e4che von Phobos bedeckt.<\/p>

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Warum ist Phobos so interessant?<\/h2>

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Dieses Rover-Projekt, das aus einer Zusammenarbeit zwischen Frankreich und Deutschland hervorging, ist Teil der MMX-Mission<\/a><\/strong> MMX-Mission (Martian Moons Exploration) Mission der japanischen Weltraumbeh\u00f6rde JAXA.<\/p>

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Ziel der MMX-Mission besteht darin, die Entstehungsgeschichte der beiden Marsmonde besser zu verstehen. Indem wir die Monde n\u00e4her studieren, k\u00f6nnen wir das Entstehungsszenario der Planeten des Sonnensystems besser verstehen und vor allem mehr \u00fcber die Herkunft von Wasser auf der Erde erfahren<\/strong>. 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 zur\u00fcckgebracht und dort untersucht.<\/p>

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Der kleine Rover wird von der MMX-Sonde w\u00e4hrend eines \u00dcberflugs in sehr geringer H\u00f6he auf die Oberfl\u00e4che von Phobos fallen gelassen. Der Rover soll einhundert Tage lang im Einsatz bleiben.<\/p>

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Es ist anzumerken, dass die beiden kleinen Monde bei der Eroberung von Mars durch den Menschen eine wichtige Rolle spielen k\u00f6nnten. Sie dienen als Relaisstationen zwischen interplanetaren Reisen und der Landung. Das Prinzip ist das gleiche wie beim Apollo-Modul, das der Landef\u00e4hre Eagle im Mondorbit im Jahr 1969 als Relais diente. Die MMX-Mission soll 2024<\/strong> von der Basis Tenegashima aus starten<\/strong>. Die Probe soll die Erde ca. 2029 erreichen.<\/p>

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Die Mission der deutsch-franz\u00f6sischen Partnerschaft: einen autonomen Rover entwickeln, der nur 25 kg wiegt<\/h2>

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Die deutsche Mission<\/h3>

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Das Deutsche Zentrum f\u00fcr Luft- und Raumfahrt (DLR<\/strong>) besch\u00e4ftigt sich mit der Au\u00dfenstruktur<\/strong> des Rovers, den Komponenten, die seine Mobilit\u00e4t gew\u00e4hrleisten (Bein, Rad), sowie mit dem Mechanismus<\/strong>, das ihn von der Sonde trennt<\/strong>. Dar\u00fcber hinaus stellt das Zentrum zwei wissenschaftliche Instrumente bereit: ein Radiometer<\/strong> und ein Raman-Spektrometer<\/strong>.<\/p>

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Die franz\u00f6sische Mission<\/h3>

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Das CNES<\/strong>, das franz\u00f6sische Zentrum f\u00fcr Weltraumforschung, arbeitet am Bordcomputer<\/strong> und an der entsprechenden Flugsoftware<\/strong>, der Stromversorgungskette<\/strong> (Solarmodul, Batterie, Wechselrichter) und der Funkverbindung<\/strong> zwischen dem Rover und der Sonde. Die franz\u00f6sischen Instrumente bestehen aus 4 hochaufl\u00f6senden Kameras<\/strong>.<\/p>

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Mechanische Architektur: Fokus auf Uprighting-Funktion<\/h2>

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Wir redeten \u00fcber diese Mission mit Jean Bertrand, dem CNES-Ingenieur, der f\u00fcr mechatronische Aspekte<\/strong> in der Robotikabteilung f\u00fcr planetare Exploration am Toulouser Zentrum f\u00fcr Raumfahrt verantwortlich zeichnet.<\/p>

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Bei der MMX-Mission war Jean Bertrand u. a. f\u00fcr die Fertigung des terrestrischen Modells<\/strong> des Rovers zust\u00e4ndig. Zum Motorisieren des Modells w\u00e4hlte er G\u00e9n\u00e9ration Robots, den Alleinvertriebsh\u00e4ndler von Dynamixel Servomotoren<\/strong><\/a> in Frankreich, als Lieferanten.<\/p>

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Der Zweck des Funktionsmodells des Rovers besteht darin, die Selbstaufrichtfunktion (Engl. \u201eUprighting<\/strong>\u201c) des MMX-Rovers zu testen.<\/p>

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Wozu dient die Uprighting-Funktion?<\/h3>

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Wenn die MMX-Raumsonde \u00fcber Phobos in sehr geringer H\u00f6he (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 H\u00f6he von 40 m einem Fall aus einer H\u00f6he von nur 6 cm auf der Erde<\/strong>.<\/p>

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Daraufhin wird der kleine Rover von der Oberfl\u00e4che so lange abprallen, bis er sich in einer zuf\u00e4lligen Position<\/strong> stabilisiert. Nachdem sich der Roboter stabilisiert hat, kommt die Uprighting-Funktion zum Einsatz.<\/p>

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Der Roboter f\u00fchrt diesen kritischen Vorgang autonom<\/strong> durch, denn eine Fernsteuerung von der Erde aus w\u00e4re w\u00e4hrend der gesamten Landephase v\u00f6llig unm\u00f6glich. Eine weitere Einschr\u00e4nkung: Dieser Vorgang kann nur mit einer einzigen Akkuladung<\/strong> durchgef\u00fchrt werden, da die Solarmodule in diesem Stadium auf der R\u00fcckseite des Rovers geklappt sind.<\/p>

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Die (mit R\u00e4dern 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<\/strong>, so dass er schlie\u00dflich auf vier R\u00e4dern stehend seine Arbeitsposition einnimmt.<\/p>

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Die Uprighting-Sequenz funktioniert unabh\u00e4ngig von der Position, in der sich der Roboter<\/strong> 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 \u201eFallschirmspringer<\/strong>\u201c-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.<\/p>

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Sind die Solarmodule, \u00fcber die der Roboter w\u00e4hrend der gesamten Mission mit Energie versorgt wird, an ihrem Platz, k\u00f6nnen sie sicher verwendet werden.<\/p>

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Ein terrestrischer Prototyp zum Testen und Validieren der Uprighting-Funktion<\/h2>

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Der Prototyp, der zur Durchf\u00fchrung von Tests und zur Validierung de Uprighting-Funktion dient, unterscheidet sich nat\u00fcrlich vom Roboter, der zu Phobos entsendet wird.<\/p>

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Die Schwerkraft auf Phobos ist 2000 Mal niedriger<\/strong> als auf der Erde. Bei dem f\u00fcr Phobos entwickelten Rover w\u00fcrde das Risiko bestehen<\/strong>, beim Rollen unter Einwirkung der Erdanziehungskraft ganz schnell zerst\u00f6rt zu werden<\/strong>. Sein Chassis aus Carbon-Nida und seine d\u00fcnnen Beine (auch wenn sie aus Titan sind) w\u00fcrden St\u00f6\u00dfen nicht sehr lange standhalten k\u00f6nnen!<\/p>

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Im Vergleich zum echten Rover ist das Landmodell widerstandsf\u00e4hig und kosteng\u00fcnstig. Sein praktisch bruchfester Rahmen besteht aus Polycarbonat<\/strong>. Bei seinen Aktuatoren handelt es sich um Dynamixel Servomotoren<\/strong>, die zugleich widerstandsf\u00e4hig und sehr pr\u00e4zise sind.<\/p>

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Die Vorteile der Dynamixel Servomotoren f\u00fcr das CNES<\/h3>

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F\u00fcr dieses Projekt sind Motoren mit unterschiedlichen Steuerungstypen (im Hinblick auf die Position oder Geschwindigkeit<\/strong>) erforderlich. Bei Dynamixel Servomotoren, die pr\u00e4zise und stabile PID-Steuerungen bieten, handelt es sich um eine native Funktion.<\/p>

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Dar\u00fcber hinaus bieten sie zahlreiche Konfigurationsparameter<\/strong>. Beispielsweise l\u00e4sst sich das Drehmoment ganz einfach begrenzen, um bei der Verwendung leistungsstarker Motoren – wie z. B. der Dynamixel-P<\/a> – die Sicherheit der Bediener zu gew\u00e4hrleisten. Wenn die Beine zum Einsatz kommen, ist das Drehmoment der Servos auf eine Leistung von 30 % oberhalb des zum Aufrichten des Roboters erforderlichen Drehmoments beschr\u00e4nkt<\/strong>.<\/p>

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Ein weiterer erheblicher Vorteil der Dynamixel Servomotoren bei dieser Mission: Sie lassen sich \u00fcber eine serielle UART-Verbindung<\/strong> steuern. Dies ist auch bei dem zu Phobos entsendeten Roboter der Fall. In dem Roboter wird SpaceWire<\/strong> verwendet – ein Computerbus, der historisch auf dem IEEE 1355 Standard basiert und heutzutage bei zahlreichen Weltraummissionen von NASA<\/strong>, ESA oder JAXA (japanische Weltraumbeh\u00f6rde) verwendet wird.<\/p>

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So lassen sich Computercodes zum Steuern der Motoren des Modells und des echten Rovers entwickeln, die \u00e4hnlich genug sind<\/strong>. Beispielsweise erm\u00f6glichen 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 \u00dcberwachung des Zustands der Aktuatoren eine der Hauptfunktionen des Uprighting-Algorithmus ist.<\/p>

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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass alle Servomotoren des Sortiments auf die gleiche Weise gesteuert werden. Dies vereinfacht das Testen mehrerer Servomotor-Modelle<\/strong> mit demselben Computercode und macht es m\u00f6glich, schnell zu bestimmen, welcher Servomotor f\u00fcr eine bestimmte Anwendung optimal ist.<\/p>

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So konnte das CNES-Team bei diesem Projekt ohne jegliche Probleme von MX-64AR Servomotoren<\/a> <\/strong>beim ersten Prototyp auf die Dynamixel-P (Modell PH54-100-S500-R<\/strong>)<\/a> beim endg\u00fcltigen Modell umsteigen.<\/p>

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\"Version<\/figure>

Version des Prototyps mit MX64-AR-Servos<\/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 des Prototyps mit 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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Die einzige Einschr\u00e4nkung bestand in der Implementierung einer indizierten Adressierungstabelle<\/strong> in den Dynamixel-P Servomotoren, um diese unter Verwendung desselben Computercodes wie bei Dynamixel MX oder XM steuern zu k\u00f6nnen.<\/p>

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In der endg\u00fcltigen Version des Modells erm\u00f6glicht diese Korrespondenztabelle gemischte Ketten<\/strong>zwischen den Dynamixel Servomotoren der R\u00e4der (XM-Serie) und den Dynamixel-P Servomotoren (fr\u00fcher: Dynamixel Pro), die f\u00fcr die Beine verwendet werden.<\/p>

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Bei der im Modell eingesetzten Software hat sich das CNES f\u00fcr die Sprache C<\/strong> entschieden, um die gr\u00f6\u00dftm\u00f6gliche \u00c4hnlichkeit mit der Software des echten Rovers zu gew\u00e4hrleisten<\/strong>. C ist nicht unbedingt der einfachste Weg zum Steuern von Dynamixel Servomotoren. Dank des Software Development Kits (SDK<\/strong>) und den mitgelieferten Unterlagen<\/strong> des Herstellers ROBOTIS wird damit jeder C-Entwickler mit einigen Jahren Erfahrung jedoch fertig.<\/p>

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Auswahl an Dynamixel Servomotoren f\u00fcr den MMX-Rover-Prototyp<\/h3>

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Motorisierung der R\u00e4der: XM430-W210-R Servomotoren<\/h4>

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=> Grund f\u00fcr die Wahl:<\/strong> hier ist die Gr\u00f6\u00dfe wichtig; ein starkes Drehmoment oder eine hohe Geschwindigkeit sind nicht erforderlich, sondern vielmehr kompakte Servos, die in die R\u00e4der eingebaut werden.<\/p>

Nutzung der Beine: MX-64AR Servomotoren, anschlie\u00dfend PH54-100-S500-R<\/h4>

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=> Grund f\u00fcr die Wahl:<\/strong> die ersten Tests wurden mit dem MX-64AR durchgef\u00fchrt. 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 erm\u00f6glichen eine ausreichende Leistung f\u00fcr jede Anwendung.<\/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>
Servomotor 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>
Servomotor 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>
Servomotor 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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Kontaktieren Sie uns, um Ihr Projekt zu besprechen oder einen Kostenvoranschlag anzufordern<\/h2>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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