¿La nueva tecnología hace que sea ventajoso tener rovers andantes?

Desde el punto de vista de los primeros principios, para moverse sobre una superficie rugosa con un vehículo robótico confiable durante largos períodos de tiempo, probablemente sea inevitable que necesite gastar energía. Caminar 10 km sobre grava es más trabajo que una superficie plana porque la grava se mueve y disipa energía. Caminar 10 km sobre rocas que no se mueven sigue gastando energía porque hay que subir y bajar haciendo trabajo contra la gravedad y esa energía no la recuperamos.

arriba: Gráfico de algunos cuerpos del sistema solar potencialmente interesantes seleccionados al azar. Eje horizontal: gravedad de la superficie (algo relacionado con la energía necesaria para moverse) en relación con la de Marte. Eje vertical: Intensidad aproximada de la luz solar como una relación con la de Marte, según lo estimado por las relaciones del eje semi-mayor a la potencia -2. Venus aparece dos veces: en la parte superior de la atmósfera, donde los aviones, como los globos robóticos y los aviones robóticos, pueden recolectar cantidades sustanciales de luz, y la superficie donde solo llega un pequeño porcentaje de las partes más rojas de la luz solar.

arriba: Página 6 de Venus Aircraft - evolución del diseño 2000-2008, Geoffrey A. Landis, Centro de Investigación John Glenn de la NASA . Por encima de los 50 km, hay más luz solar disponible que la que hay en la Tierra: más cerca del sol y la posibilidad de recolectar la luz reflejada desde abajo (como lo hace la ISS alrededor de la Tierra) para compensar la cubierta de nubes.

arriba: Página 32 de Venus Aircraft - evolución del diseño 2000-2008, Geoffrey A. Landis, Centro de Investigación John Glenn de la NASA . La atmósfera muy densa hace que el vuelo a motor sea muy atractivo (también en globo). Sin embargo, volar tan rápido como el viento sería un desafío energético en la mayoría de las altitudes.

Los vehículos robóticos de área pueden ser posibles misiones futuras para la atmósfera de Venus. Es un largo alcance, pero las cosas que se inspiran en el Festo Air Penguin se discuten extensamente en esta respuesta y se muestran a continuación, y el Festo Air Ray (no se muestra) podría ser posible.

arriba: Festo Air Penguin discutido más aquí .

arriba: Festo Robot Balloon entregando una botella de agua a pedido. Esto sería mucho más difícil en Venus por varias razones, pero la densidad atmosférica más alta significa que los globos podrían transportar una carga significativamente más pesada y no sería necesario usar helio para la flotabilidad.

arriba: Festo Bionicopter podría aprovechar la atmósfera más densa de Venus. ¡También podría hacer uso de algunas piernas también!

Más información sobre el programa Vega que usa globos robóticos en Venus en Wikipedia , en Wired y en The New Scientist , y las posibilidades futuras con el Grupo de Exploración de Venus de la NASA (VEXAG) y el Explorador Europeo de Venus (EVE) de la ESA .

Las ruedas han servido bien a los humanos durante miles de años. A través de miles de millones de kilómetros de prueba y error, así como de ingeniería asombrosa, han resuelto los problemas de movilidad de los humanos aquí en la Tierra y en varios otros cuerpos del sistema solar.

Con mucho, el cuerpo más grande de experiencia detallada, imágenes y metrología del rendimiento de las ruedas en vehículos robóticos fuera del mundo proviene de los tres rovers en Marte.

arriba: Comparación de Mars Rover Wheels . Izquierda: misión Sojourner of Mars Pathfinder . Centro: Mars Exploration Rovers (MER) ( Spirit and Opportunity ). Derecha: Curiosidad del Laboratorio de Ciencias de Marte (MSL) .

arriba: Autorretrato de Curiosity en el sitio de perforación de Big Sky .

arriba: Detalle recortado del autorretrato de Curiosity en el sitio de perforación Big Sky .

arriba: " Mapa de ubicación - rover Curiosity en la base del monte Sharp - visto desde el espacio (MRO; HiRISE; 4 de febrero de 2016/Sol 1243) ". Debe abrir esto en una ventana separada y hacer zoom para ver los detalles del sendero, comenzando en el lado derecho del borde superior. Tenga en cuenta que el camino se elige como un compromiso entre la ciencia y donde las ruedas se consideran lo suficientemente seguras para circular sin atascarse o dañar el vehículo.

Uno de los trabajos del sistema de movilidad de Curiosity es transportar un gran paquete de instrumentos científicos de Curiosity a grandes distancias para que se pueda recopilar información desde una amplia variedad de ubicaciones.

arriba: Brazo robótico Curiosity aplicando un taladro a una roca marciana. Luego, las muestras se recolectan y transportan a ubicaciones dentro de Curiosity para su posterior análisis utilizando una variedad de equipos analíticos.

arriba: Todavía la curiosidad ... dentro de las instalaciones de ensamblaje de naves espaciales en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Pasadena, California . Incluso en la superficie de Marte solo la gravedad$\frac{3}{8}$de la Tierra, ¡todo este equipo científico junto tiene que ser bastante pesado! El brazo robótico a menudo se olvida porque no aparece en muchas de las selfies de Curiosity de la misma manera que no aparece tu mano o el extremo comercial de tu selfie stick. Pero si miras de cerca en el "selfie" del sitio de perforación Big Sky unas pocas imágenes arriba, ¡puedes ver su sombra en la superficie!

Si bien Big Dog de Boston Dynamics funcionó con combustible fósil por varias razones (consulte este PDF de la conferencia de Boston Dynamics ), incluida la densidad de potencia y las demostraciones para "misiones" particulares no científicas, Spot , SpotMini (que se muestra en la pregunta) y LittleDog son eléctricamente alimentado, y LittleDog parece estar construido con un uso fuera del mundo en mente, o al menos en el fondo de la mente.

LittleDog tiene cuatro patas, cada una impulsada por tres motores eléctricos. Las piernas tienen un amplio rango de movimiento. El robot es lo suficientemente fuerte para trepar y para realizar movimientos dinámicos de locomoción. La computadora a nivel de PC a bordo realiza la detección, el control del actuador y las comunicaciones. Los sensores de LittleDog miden los ángulos de las articulaciones, las corrientes del motor, la orientación del cuerpo y el contacto del pie con el suelo. Los programas de control acceden al robot a través de la API de robot de Boston Dynamics. Las baterías de polímero de litio integradas permiten 30 minutos de funcionamiento continuo sin recargar. Las comunicaciones inalámbricas y el registro de datos admiten la operación remota y el análisis de datos. El desarrollo de LittleDog está financiado por la Oficina de Tecnología de Procesamiento de la Información de DARPA.

arriba: ilustración recortada de Little Dog de Boston Dynamics

arriba: Video de Little Dog trepando por el terreno desde aquí .

arriba: Video del Spot a batería de Boston Dynamics trepando por el terreno y llevándose bien con "Hockey Stick Guy" ( aquí con comentarios en YouTube y en Wired ) a pesar de que él lo pateó.

Presumiblemente, un robot móvil principal también puede llevar uno o varios móviles más para la recogida de muestras. De la misma manera que el brazo robótico de Curiosity puede recolectar muestras y transportarlas al "laboratorio" dentro de Curiosity, los mini-rovers pueden subir y bajar a lugares de difícil acceso para mediciones, imágenes, mapeo (a través de telemetría o transferencia de datos al momento de la devolución), así como algunos tipos de recolección de muestras. Si bien la perforación requiere fuerza y ​​Curiosity usa masa y apalancamiento, un robot inteligente podría encontrar apalancamiento entre rocas o paredes, posiblemente incluso moviendo rocas para mejorar la situación.

¡Estos muchachos parecen estar listos para ir a cualquier parte del sistema solar!

arriba: ¡ Sand Flea de Boston Dynamic lanzándose por todas partes! Ahora imagine que esto sucede en un cuerpo de baja gravedad en la superficie. Suborbital (excepto en casos extremos como cometas o pequeños asteroides) pero es un transporte de punto A a punto B. Necesita componentes electrónicos y sensores robustos para evitar dolores de cabeza, pero posiblemente esté bien para la recolección de muestras y la exploración.

Actualmente utiliza gas comprimido almacenado para múltiples saltos (ver más abajo). Se podrían imaginar algunas ideas interesantes para hacer que el gas sea recargable desde una atmósfera, o se reemplace con un motor lineal electromagnético (una pequeña cosa parecida a una pistola de riel cautivo).

Lo siguiente es de la hoja de datos de Sand Flea (recuerde, ¡las especificaciones son para la gravedad de la superficie de la Tierra!):

SandFlea es un pequeño robot con notable movilidad. El robot de 11 libras se conduce como un vehículo de ruedas tradicional en terrenos suaves, pero salta hasta 8 m de altura sobre terrenos difíciles. Puede saltar 25 veces utilizando el actuador de pistón y el suministro de combustible a bordo. Los saltos de 1-8 m de altura son seleccionables por el usuario. Las ruedas especialmente diseñadas amortiguan el impacto del aterrizaje. La actitud de vuelo y aterrizaje del robot se controla automáticamente mediante un sistema de estabilidad integrado.

• Altura de salto controlable, 1-8 m
• Ángulo de lanzamiento controlable
• Saltos de precisión a través de ventanas o puertas, mesas, escaleras, techos o balcones.
• Actuador de pistón
• Alcance basado en láser para guiar el lanzamiento
• Unidad de control del operador (OCU) con transmisión de video en vivo para operación remota
• Robot y OCU caben en una mochila pequeña

arriba: Boston Dynamics dice :

El robot utiliza la estabilización giroscópica para mantenerse nivelado durante el vuelo, para brindar una vista clara desde la cámara a bordo y para garantizar un aterrizaje suave.

arriba: El RHex de Boston Dynamic va por todas partes, ¿tal vez buscando agua?

Sin embargo, necesitarían pequeños RTG propios, paneles solares propios, o tendrían que ser cargados y luego recargados por el robot principal. Esto se puede hacer por contacto o a través de una carga inductiva altamente resonante , que en realidad puede cubrir una brecha significativa de unos pocos metros en un abrir y cerrar de ojos, o simplemente una carga óptica, láser a fotovoltaicos especiales como este:

arriba: ejemplo ilustrativo de quadcopter de un pequeño vehículo que recibe energía de un haz de luz. Nota: una apertura de 5 centímetros puede "transmitir" energía a muchos kilómetros si los efectos atmosféricos son mínimos y el movimiento es mínimo.

Una posible razón puede ser el nivel de preparación tecnológica de estas máquinas para caminar, considerando tanto la mecánica como la electrónica de apoyo: la solución de ruedas puede considerarse "suficientemente buena" para los objetivos de la misión actual y tiene la mejor confiabilidad para operar en ese entorno.

[EDITAR]

Gracias a los útiles comentarios, me di cuenta de que di una respuesta muy pobre, así que dibujaré el modelo económico detrás de mi one-line.

En el gráfico, puede leer en el eje y una variable, "Nivel de tecnología requerido para el alcance de la misión (LOT)", que puede pensarse como la suma de, por ejemplo, confiabilidad durante la duración de la misión, robustez necesaria para las exploraciones planificadas, el consumo de energía dentro de las limitaciones de la misión, etc.

En el eje y colocamos el año. Diferentes líneas son diferentes tecnologías: tracé rovers basados ​​en ruedas, robots basados ​​en el movimiento de las piernas y, para proyectar más el análisis, un dron tipo hoverboard.

Para cada misión de exploración de planetas, el LOT es casi constante: puede haber una variación mínima en caso de que queramos que el rover viaje en terreno llano o escale una montaña (Marte) o navegue sobre hielo en lugar de bajo hielo (Europa), pero los parámetros principales son composición del terreno al nivel del tamaño del rover (densidad del suelo, temperatura operativa, etc.). Para mi modelo, los considero constantes.

El modelo no está a escala, ya que las variables son solo una aproximación cruda de la realidad, pero considero que Marte es más desafiante que la Luna por algunas características conocidas ya exploradas por rovers y satélites, y Mercurio y Europa son aún más desafiantes solo por la restricción de la misión para realmente ir allí (distancia) y geología (superficies de hielo, rangos de temperatura extrema).

La intercepción entre la exploración basada en ruedas y Moon LOT representa las misiones Apolo, mientras que la intercepción con Mars LOT representa a los rovers marcianos. Si proyectamos esta línea en el futuro, es posible que tengamos avances tecnológicos que permitan ruedas también en Mercury y en Europa.

Por otro lado, los robots basados ​​en piernas se encuentran en una trayectoria desconocida: podemos considerarlos adecuados para la exploración de la Tierra, pero aún no para la misión de otros planetas. Lo mismo para hoverboards: tenemos aún más incógnitas. Pero dependiendo de la velocidad de los avances de estas tecnologías, es posible que una u otra lleguen a un punto de intersección con el enfoque basado en ruedas, y en ese caso no habrá ninguna causa racional para no considerarlas como la "mejor" opción. disponible.

Como extremo, la línea de aerotablas es vertical, ya que podemos pensar que las aerotablas viajarán en todas las condiciones y terrenos, por lo que serán la mejor opción tan pronto como se presenten.

Es posible que queramos llenar el modelo con tantos parámetros como podamos (por ejemplo, más financiamiento esperado para la tecnología basada en piernas puede inclinar la línea basada en piernas, mientras que los nuevos materiales para aumentar la eficiencia energética pueden inclinar todas las líneas), pero Creo que debemos afrontar que la situación ahora es esta:

La cantidad de información requerida para producir un modelo preciso es simplemente demasiada, y creo que es prematuro dar una respuesta clara sin caer en la especulación: simplemente aún no tenemos suficientes datos.

(modelo derivado de Clayton Christensen, " El dilema del innovador ")

tl; dr:

Todos estos grados de libertad (adicionales) significan que las ruedas (articuladas) pueden hacer cosas que los rovers de Marte, con sus suspensiones de bogie basculante, simplemente no pueden.

¿Qué tal las piernas con ruedas que realizan una combinación de rodar y caminar un poco al mismo tiempo?

Las ruedas onduladas podrían ayudar a evitar que los rovers mueran en Marte; Los modos de andar poco convencionales evitan que este rover se quede atascado en terrenos difíciles

Ese rover RP15 de tamaño completo que vio brevemente en el video era un banco de pruebas para el rover Resource Prospector , que iba a explorar algunas partes potencialmente heladas de la luna de la Tierra en 2022. Resource Prospector se canceló en 2018, y luego algunos de lo que iba a hacer resucitó como parte del rover lunar VIPER . Pero el sistema de ruedas de VIPER es bastante diferente. El prototipo RP15 utiliza un diseño de cuatro ruedas, pero las ruedas están en una especie de sistema de suspensión accionado que les permite moverse hacia arriba y hacia abajo, hacia adelante y hacia atrás, así como rotar alrededor del eje vertical. Todos estos grados de libertad significan que las ruedas pueden hacer cosas que los rovers de Marte, con sus suspensiones de bogie basculante, simplemente no pueden .

Primero investigamos un modo de andar en bucle abierto derivado de las pruebas de las capacidades de rastreo de RP15 en JSC. Estudios previos mostraron que varias estrategias de circuito abierto para escalar pendientes granulares eran suficientes si la dinámica del locomotor le permitía inmiscuirse repetidamente en medios no perturbados. Implementamos este modo de andar en el Mini Rover barriendo cíclicamente hacia atrás con tres apéndices mientras un apéndice se levantaba para desconectarse del medio y también girando las cuatro ruedas a una velocidad constante de 2,1 rad/s. Este modo de andar se clasifica como un andar de secuencia rotatoria cuadrúpeda (RS) con respecto a la colocación de sus pies, que cicla alrededor de los apéndices de locomoción del rover.

Hay mucho más en el artículo, las citas en bloque solo sirven para demostrar que una "marcha" establecida es parte de la forma en que funciona esta curiosa implementación de "rueda ambulante".