Team DIANA, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino

Il Team DIANA è un gruppo di robotica spaziale del Politecnico di Torino nato nel 2008. Attualmente il team è composto da circa 60 studenti provenienti da differenti corsi di ingegneria di primo, secondo e terzo livello.
A partire dall’anno accademico 2015/16 è stato avviato il progetto T0-R0: progettazione e costruzione del dimostratore terrestre di un rover marziano per l’assistenza agli astronauti con l’obiettivo di partecipare alla edizione del 2017 della European Rover Challenge (ERC).

Giunta ormai alla terza edizione, la ERC è la più grande competizione di robotica spaziale in Europa. La ERC, insieme alla University Rover Challenge (URC), è parte della prestigiosa Rover Challenge Series promossa dalla Mars Society. Lo scopo di queste competizioni consiste sia nell’incentivare la ricerca nel settore dei robot per l’assistenza agli astronauti, sia nel divulgare, al grande pubblico, l’interesse per la ricerca scientifica e tecnologica nel campo dell’esplorazione spaziale.

Durante la competizione le squadre si affrontano in una serie di quattro prove che simulano i vari compiti che dovranno un giorno svolgere i rover di assistenza agli astronauti sul suolo marziano.

La competizione impone i seguenti vincoli: la massa totale del rover deve essere inferiore a 50 kg e il costo totale del veicolo non può superare i 15000 euro. La limitazione sul budget è imposta non solo per incentivare la ricerca di soluzioni a basso costo ma offre anche la possibilità alle varie squadre, provenienti da università di tutto il mondo, di competere alla pari.

La configurazione finale del rover T0-R0 (Fig.1) presenta un sistema di locomozione di tipo rocker-bogie a sei ruote collegato ad un chassis (avente dimensioni 750×146×500mm) contenente al proprio interno i sistemi elettronici e le batterie, mentre all’esterno ospita un braccio robotico (distanza tra i giunti rotoidali della spalla e del gomito pari a 700mm) a sei gradi di libertà dotato di due end-effector intercambiabili.

Figura 1

Il bilanciere è il componente più interessante del sistema di sospensioni del rover. Rispetto al classico trasferimento rigido del moto ai rocker, il bilanciere del rover T0-R0 è costituito da un profilato in alluminio alle cui estremità sono installate delle molle flessionali (struttura curva rastremata), le quali permettono di attenuare la pericolosa trasmissione di sollecitazioni durante il moto del veicolo.

Per quanto riguarda i due end-effector, il primo è una pinza a piani paralleli la quale permette di raccogliere oggetti, nonché attivare interruttori ed azionare valvole. Il secondo strumento di lavoro, invece, è una benna, azionata da un sistema vite-madrevite, per il campionamento di terreno superficiale. Inoltre, al fine di prelevare campioni situati a profondità maggiori, il braccio utilizza un carotatore inizialmente alloggiato in un apposito contenitore nella parte posteriore dello chassis. Il compito della benna consiste nell’afferrare e serrare il carotatore, diventando così un unico sistema di campionamento.

L’elevata quantità di componenti costituenti il sistema e le numerose funzioni che da quest’ultimo devono essere svolte hanno inizialmente condotto allo sviluppo di due modelli virtuali: il primo inerente il sistema di mobilità del veicolo, il secondo dedicato al braccio robotico.

La costruzione di due modelli separati ha permesso di focalizzare le problematiche principali e di individuare le possibili soluzioni. La realizzazione dei prototipi virtuali dei suddetti sottosistemi è stata eseguita con lo scopo di simulare i comportamenti desiderati, a livello cinematico e dinamico, introducendo il minor numero possibile di parti.

Ad esclusione dei componenti soggetti a fenomeni di contatto o urto, per i quali risulta importante la riproduzione accurata delle geometrie (ad es. benna, carotatore), le parti sono state riprodotte utilizzando i corpi standard offerti dal software; le proprietà inerziali ad esse associate, ovvero massa, momenti d’inerzia, posizione dell’origine e orientamento degli assi baricentrici, sono state ricavate dal software di progettazione assistita impiegato per il disegno del veicolo.

Al termine delle numerose analisi condotte sui sottosistemi, si è proceduto all’unione dei due modelli ottenendo il prototipo virtuale del veicolo completo. L’elenco delle principali simulazioni eseguite è riportato di seguito:

• Analisi di cinematica inversa e diretta (braccio robotico).
• Studio del sistema di sospensione rocker-bogie; studio del superamento di ostacoli di differenti dimensioni (Gif.1).
• Studio dettagliato delle molle di flessione installate alle estremità del bilanciere: MSC Adams/Flex®, introduzione di corpi flessibili lineari.
• Analisi della mobilità del rover su terreno cedevole.
• Analisi delle strategie di controllo dei quattro motori elettrici del sistema di locomozione del rover: cosimulazione in ambiente integrato MSC Adams/View® – MathWorks Matlab/Simulink®.
• Simulazione della raccolta di un piccolo oggetto (Gif.2) e della rotazione di una manopola attraverso l’impiego della pinza installata sul braccio robotico; estrazione del carotatore dalla sua sede mediante l’utilizzo della benna.
• Valutazione dell’influenza di cuscinetti volventi e di sistemi puleggia-cinghia (Gif.3) sulle prestazioni del sistema di mobilità del veicolo: MSC Adams/Machinery®.

Gif. 1

Gif. 2

Gif. 3

La prototipazione virtuale del dimostratore terrestre T0-R0 di un rover marziano in ambiente integrato MSC Adams/View® – MathWorks Matlab/Simulink® ha permesso una comprensione precoce della dinamica del veicolo al variare delle differenti soluzioni costruttive adottate. Le molteplici simulazioni eseguite hanno consentito sia di individuare e correggere i difetti e le debolezze del progetto, sia di ottimizzare i componenti costituenti il sistema.