Operación de volteo de rocas

¡Esto tomó un poco de investigación!

Fuerza del brazo

El brazo robótico (RA) del Laboratorio de Ciencias de Marte tiene una longitud de 2,2 m , está compuesto por dos secciones de brazo (un brazo superior y un antebrazo) y está controlado por 5 actuadores. Estos consisten (entre otras cosas) en un motor de CC sin escobillas y una caja de engranajes planetarios para reducir la velocidad del motor y aumentar el par.

Dos de estos actuadores tienen un eje de pivote vertical y controlan el acimut (giro) del brazo, uno en el hombro y otro en la muñeca. Los otros tres actuadores tienen ejes de pivote horizontales y controlan la elevación (inclinación) en el hombro, el codo y la muñeca.

Para determinar si podemos comenzar a lanzar rocas, necesitamos calcular el tamaño de la fuerza que el RA puede aplicar en su otro extremo. Si solo consideramos una fuerza de elevación vertical, creo que podemos ignorar los pivotes de azimut y asumir que los actuadores de elevación serán el factor limitante. Las secciones de los brazos se sometieron a pruebas de torsión para soportar las cargas de funcionamiento.

También debemos tener en cuenta la distribución de masa del brazo y los instrumentos adjuntos para calcular cuánto peso adicional podría levantar el brazo.

Está claro que el actuador de elevación de la muñeca experimentará el momento más pequeño y el actuador del hombro el más grande, con el codo en algún punto intermedio. Debido a esto, podemos centrarnos únicamente en la capacidad del actuador de elevación del hombro (SEA).

El SEA es un actuador de alto par de baja potencia (LPHTA) capaz de producir 1143 Nm de par a 0,532 RPM a partir de un motor de 4000 RPM y una relación de transmisión de 7520.

Masa del brazo

La distribución de masa es difícil de calcular y se han hecho algunas estimaciones:

La masa de todo el brazo (excluyendo los instrumentos) es de 67 kg. Al menos 16 kg de esta masa están situados en el SEA y, por lo tanto, no aplican torque, dejando ~50 kg para contabilizar. La estructura de la torreta al final del RA tiene una masa de al menos 10 kg y el actuador del codo ~8 kg, dejando ~33 kg para las secciones del brazo y otros componentes.

Los instrumentos están contenidos en la estructura de torreta y tienen una masa combinada de 34 kg.

En el peor de los casos: brazo totalmente extendido

Nuestra distribución masiva es la siguiente:

• 44 kg a 2,2 m (Torreta e instrumentos)
• 8 kg a 1,1 m (actuador de codo)
• 33 kg a 1,1 m (masa restante, aproximadamente a la mitad)

Usando la gravedad de la superficie marciana 3.711$ms^{2}$, el par se calcula fácilmente a partir de:

$$\sum_{i} \boldsymbol{r_{i}} \times \boldsymbol{F_{i}}$$

dando una magnitud de torque de 527Nm .

Esto nos deja con 616 Nm para jugar, lo que corresponde a una fuerza de elevación al final del brazo de ~280 N. Esto es consistente con el requisito de RA de precargar el taladro de adquisición de muestras con 300N.

¿Qué nos aporta el 280N? ¡Una cantidad sorprendente!

En la gravedad marciana, esto nos permite levantar por completo una roca de 75 kg que definitivamente clasificaría como de "tamaño mediano". Si solo queremos girar la roca para voltearla, la palanca duplicaría aproximadamente eso a ~150 kg . Si acortamos el brazo y levantamos una roca más cerca del rover, este número aumenta aún más.

Notas y limitaciones

• Claramente me he tomado algunas libertades con los números de distribución masiva.
• El hecho de que la Torreta albergue cuatro instrumentos científicos muy delicados haría difícil e indeseable su uso para fines de elevación.
• No he tenido en cuenta la estabilidad del rover, pero supongo que esto está lejos de ser un factor limitante para un rover de 1 tonelada.
• ¡Pasé demasiado tiempo investigando esto y probablemente hay una fuente simple en algún lugar que me he perdido que hace todos los cálculos por mí!

No he podido encontrar ninguna información sobre si se ha sugerido este procedimiento, pero dados los puntos mencionados anteriormente, supongo que no.

Referencias que utilicé ampliamente 1 , 2 , 3 .

Blindaje contra la radiación

Nuestra roca de 75 kg (si está hecha de algo similar al basalto ) tiene un tamaño aproximado de 40 cm. Esto proporciona cierta protección como se discutió aquí , pero después de varios millones de años sin perturbaciones en la superficie, dudo que esto haga una diferencia significativa. Más significativo puede ser el refugio del clima marciano, lo que le da al material de regolito debajo de él una distribución diferente a las áreas circundantes.