Caratteristiche generali del Rover Operaio

In virtù delle problematiche peculiari dei rover destinati a lavori “pesanti” si è cercato di individuare una soluzione che garantisse il superamento dei limiti applicativi delle suddette apparecchiature. In particolare, il progetto del prototipo oggetto di questa tesi, condotto in collaborazione dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università degli Studi di Cagliari con il Dipartimento di Ingegneria Aeronautica e Spaziale del Politecnico di Torino, si sviluppa secondo linee guida innovative ed originali che rappresentano una novità sostanziale rispetto alle ricerche precedenti nel campo.

I requisiti fondamentali del progetto sono:

• Leggerezza;

• Economicità;

• Semplicità della struttura;

• Facilità di movimentazione e controllo.

Gli obiettivi sono quelli di limitare al minimo le dimensioni e la massa, in modo tale da economizzarne il trasporto, compatibilmente con le funzionalità operative, ed infine, con il più basso consumo energetico, data l’impossibilità di caricare le batterie e di trasportarne un ingente numero di scorte.

Il rover presentato in questa tesi è stato progettato allo scopo di realizzare una struttura funzionale e leggera, capace di afferrare e spostare carichi, tenendo conto delle caratteristiche dell'ambiente in cui dovrà operare. Per raggiungere questo obiettivo, la progettazione e l’ottimizzazione di ogni sua componente è stata sviluppata integrando le competenze e le metodologie delle diverse aree della meccanica.

Trattandosi di un veicolo destinato a movimentare carichi su terreni accidentati, dovrà essere in grado di muoversi agilmente senza correre il rischio di ribaltamenti; perciò dovrà essere dotato di un dispositivo capace di controllare facilmente l’assetto in tutte le situazioni operative. Data, inoltre, l’impossibilità di poter effettuare manutenzioni periodiche, dovrà presentare una struttura semplice e affidabile riducendo al minimo essenziale il numero complessivo di attuatori e di tutti quegli organi statisticamente più soggetti a guasti ed usura.

Compatibilmente con i requisiti generali citati nel paragrafo precedente, l’architettura generale del

rover presenta una struttura semplice e leggera, caratterizzata da dispositivi meccanici

appositamente studiati per svolgere i compiti specifici a cui è destinato.

Costantino Falchi Sistemi di presa e movimentazione di robot non convenzionali

dell’assetto. Sul telaio è montato il meccanismo articolato responsabile della presa dell’oggetto, insieme al sistema di alimentazione a batterie coadiuvato per mezzo di pannelli solari e tutta l’apparecchiatura necessaria al controllo a distanza del veicolo.

Figura 3-2: Modello CAD del rover operaio.

Lo sviluppo del prototipo può essere delineato identificando tre tematiche principali: telaio e sistema di presa, sistema di sollevamento e ruote.

Il rover, così configurato, possiede diversi gradi di libertà, ed è dotato di motorizzazioni su ciascuna colonna. Le attuazioni hanno lo scopo di realizzare il moto di avanzamento, consentire la manovra e correggere l’assetto del piano di riferimento del telaio: in questo modo è possibile mantenere una giacitura definita del telaio e dell’organo di presa, a prescindere dal profilo del terreno.

Nel seguito verrà fornita una breve descrizione delle parti principali che costituiscono il rover. La parte centrale del rover è costituita dal telaio sul quale è alloggiato il sistema di presa, l’insieme è illustrato in figura 3-3. Il telaio ha una geometria tale da soddisfare le esigenze di massima compattezza e stabilità possibili. Le dimensioni sono state definite in funzione degli ingombri dei sistemi meccanici ed elettronici che dovranno essere alloggiati su di esso oltre che a quelle dei massi che il rover dovrà trasportare.

Figura 3-3: Modello CAD del sistema di presa montato sul telaio.

Il sistema di presa è costituito da un meccanismo articolato piano, che presenta tre gradi di libertà. Esso è in grado di afferrare oggetti di forma generica, come i detriti rocciosi presenti in grande quantità sulla superficie lunare. Questo cinematismo, infatti, presenta una peculiarità: esso è in grado di autoadattarsi alla geometria dell’oggetto in presa. La strategia di presa scelta è tale per cui una volta realizzato l’afferraggio dell’oggetto, i punti del cinematismo a contatto con l’oggetto in presa sono in ogni caso tre, in modo tale da assicurare un afferraggio convenientemente stabile.

Figura 3-4: Colonna per il controllo di assetto e avanzamento del rover.

Per quanto riguarda il sistema di sollevamento esso è costituito da quattro colonne, come quella rappresentata in figura 3-4, aventi una struttura scatolare a sezione chiusa continua; per ciascuna colonna i vari dispositivi sono stati studiati al fine di ottenere: l'avanzamento del veicolo, il sollevamento del carico e mantenere il rover in assetto stabile indipendentemente dal profilo del terreno.

I componenti principali delle colonne sono una slitta montata su guide a basso attrito e un sistema di trasmissione vite-madrevite con accoppiamento di precisione, che realizza il moto di sollevamento.

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ad alta rigidezza torsionale, alla quale è affidato il compito di sopportare i carichi strutturali agenti sulla colonna e di trasferirli dal telaio alla ruota. A tale struttura, inoltre, si affida anche il compito di isolamento degli organi meccanici dall’ambiente esterno estremamente ostile. In particolare si conta su di essa per evitare i danni sugli organi meccanici derivanti dall’azione abrasiva della regolite. Ciascuna colonna è collegata al telaio tramite il carrello del sistema di trasmissione vite madre-vite. Le colonne, inoltre, sono sede della motorizzazione dell’intero dispositivo; su ciascuna di esse sono stati impiegati due motori, per un totale di otto motori sull’intero rover. Uno dei due motori è utilizzato per l’attuazione relativa al sollevamento, l’altro per la movimentazione del rover ed il controllo della traiettoria. Entrambe le catene cinematiche di trasmissione sono state concepite in modo tale da risultare irreversibili. Tale requisito è irrinunciabile sulla movimentazione delle colonne per il posizionamento certo dell’assetto, come anche il posizionamento del rover sul terreno ed il controllo di traiettoria in presenza di sollecitazioni legate alle masse in gioco (peso e azioni inerziali). Le catene cinematiche verranno integrate all’interno del volume delimitato dalle due ruote, come mostrato in figura 3-5, in modo tale da ottenere un blocco compatto, facilmente proteggibile dalla sabbia lunare. Questa soluzione costruttiva è vantaggiosa anche dal punto di vista della stabilità del rover: in questo modo, infatti, si ha un abbassamento del baricentro dell’intero sistema.

Figura 3-5: Rappresentazione dell’assemblaggio delle catene cinematiche all’interno della coppia di ruote gemellate montate su ciascuna colonna.