Dall’Ateneo inglese di Lincoln, un innovativo sistema robotico in grado di “camminare” nello spazio e di compiere con destrezza complesse missioni di assemblaggio in orbita, tra cui l’installazione e la manutenzione di un telescopio spaziale con un'apertura di 25 metri, considerato il futuro in tema di esplorazione dell’universo.

TAKEAWAY

  • Le attività condotte all’esterno dei veicoli spaziali da parte degli stessi astronauti, se – fino ad oggi – si sono rivelate strategiche per le operazioni di assistenza e di manutenzione di sistemi e di apparecchiature in orbita, in futuro, data l’esigenza di infrastrutture sempre più complesse, verranno sostituite da sistemi robotici autonomi.
  • In vista di tale esigenza, il Lincoln Centre for Autonomous Systems sta lavorando a una rivisitazione del robot ambulante E-Walker, con l’obiettivo di utilizzarlo, un giorno, per l’assemblaggio di un telescopio spaziale assai più grande di quelli attuali.
  • Al momento, il nuovo modello (un prototipo su scala ridotta) è in fase di verifica sperimentale per la sua validazione. Il prossimo step della ricerca vedrà la sua progettazione su scala reale e lo sviluppo di un prototipo su piccola scala per missioni terrestri, tra cui la manutenzione di impianti eolici.

Trattare di robotica per la realizzazione di infrastrutture nello spazio rimanda alla previsione circa l’aumento, in futuro, della portata delle missioni in orbita, con sistemi e apparecchiature sempre più avanzati dal punto di vista tecnologico e sempre più importanti dal punto di vista delle dimensioni, da assemblare, installare e manutenere in situ attraverso attività extraveicolari (in inglese Extra Vehicular Activity – EVA), condotte all’esterno della navicella spaziale.

Nel corso degli anni, le attività extraveicolari si sono rivelate utili – solo per citare alcuni esempi – nelle missioni di assistenza e di manutenzione sulla Stazione Spaziale Internazionale, così come nell’installazione di ottiche correttive sul telescopio spaziale Hubble, appositamente progettato per subire interventi e modifiche direttamente in orbita da parte degli astronauti.

Tuttavia – fanno notare i ricercatori del Lincoln Centre for Autonomous Systems, presso l’Ateneo inglese di Lincoln, nello studio “Design engineering a walking robotic manipulator for in-space assembly missions”, pubblicato sulla testata Frontiers in Robotics and AI il 14 ottobre 2022 – «quello spaziale è un ambiente estremo che mette costantemente a rischio le operazioni extraveicolari, tanto che, per quanto riguarda missioni future che prevedono la messa a punto di infrastrutture complesse su larga scala, operazioni come assemblaggio e manutenzione in orbita sarebbero molto al di là delle capacità umane, richiedendo robot autonomi».

Tra le infrastrutture complesse alle quali guardano le Agenzie spaziali di tutto il mondo, quella di un telescopio ancora più grande rispetto ad Hubble e al suo successore (il telescopio James Webb), che promuoverebbe una serie di missioni astronomiche dalla valenza scientifica straordinaria, tese a scrutare l’universo in maniera ancora più profonda.

Vediamo come – adottando soluzioni robotiche avanzate – secondo il team del Lincoln Centre è possibile passare da idee e concetti alle simulazioni di macchine in grado di lavorare a un progetto simile [per approfondimenti, consigliamo la lettura della nostra guida alla robotica, che spiega come funziona e quali sono gli esempi applicativi – ndr].

Robotica per infrastrutture nello spazio: oltre la prima versione del robot E-Walker

In tema di robotica per le infrastrutture nello spazio, già studi condotti nel 2020 – spiegano i ricercatori inglesi – si sono focalizzati sulla progettazione di un robot ambulante chiamato E-Walker come potenziale candidato per assemblare in modo efficiente un telescopio spaziale a grande apertura, dove, per “robot ambulante” (da non confondersi con “robot umanoide”), si intende un sistema robotico dotato di un apparato di locomozione che gli consente di “camminare”, di muoversi all’interno di uno spazio circoscritto.

Schema a blocchi che illustra le diverse applicazioni per le quali è stata concepita la prima versione del robot ambulante E-Walker, insieme alla sua configurazione (Fonte: “Design engineering a walking robotic manipulator for in-space assembly missions” - University of Lincoln - https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2022.995813/full).
Una panoramica delle diverse applicazioni per le quali è stata concepita la prima versione del robot ambulante E-Walker, insieme alla sua configurazione (Fonte: “Design engineering a walking robotic manipulator for in-space assembly missions” – University of Lincoln) 

Il lavoro del team del Lincoln Centre for Autonomous Systems presenta un design aggiornato di E-Walker, tale da permettergli di assemblare in orbita un telescopio spaziale dotato di un’apertura (riferita al diametro della regione di raccolta della luce) di 25 metri.

In particolare, un robot deputato all’installazione – nello spazio – di un’apparecchiatura di tale grandezza, necessita di caratteristiche precise, prime fra tutte di quelle abilità che vadano oltre la semplice “camminata spaziale convenzionale”, a favore della manovrabilità.

Ecco che il prototipo del nuovo E-Walker possiede quattro arti caratterizzati da sette gradi di capacità di movimento diverse, per consentirgli di spostarsi in punti differenti all’interno di una determinata superficie, allo scopo di eseguire più compiti.

Entrambe le estremità – braccia e gambe – sono dotate di un effetto a scatto (in gergo “Latching End-Effect” – LEE), per agganciarsi alle porte poste sia sul telescopio che sulla piattaforma del veicolo spaziale.

«Il design e le funzionalità di mobilità del nuovo modello proposto offrono l’accesso a uno spazio di lavoro molto più ampio rispetto ai manipolatori robotici fissi su base convenzionale. Inoltre, il progetto presentato può essere considerato come la base per progetti futuristici, ad esempio per la progettazione di telescopi spaziali fino a un’apertura di 100 metri» precisano i ricercatori.

Robotica per infrastrutture nello spazio: focus sull’ingegneria di progettazione

In tema di robotica per la realizzazione di infrastrutture nello spazio, la rivisitazione del robot ambulante E-Walker ha, in sintesi, previsto una progettazione approfondita per ottimizzare i collegamenti delle giunture e i parametri relativi agli effetti a scatto.

Questo consente al robot di camminare da un capo all’altro della superficie, con le articolazioni di spalla, gomito e polso in linea, per ottenere un movimento fluido e simmetrico.

A proposito di simmetria, il team di studio sottolinea come, tra i sette gradi di capacità di movimento della macchina, figurino, in particolare, «tre articolazioni rivoluzionarie: una nella spalla, una nel polso e una nel gomito», in grado – tutte e tre – di agganciarsi al telescopio e alla piattaforma del veicolo spaziale durante ogni fase dell’assemblaggio.

«Un manipolatore robotico fisso su base richiederebbe una campata a tutta lunghezza per procedere con l’assemblaggio di un telescopio di 25 metri. Al contrario, le dimensioni del nuovo E-Walker possono essere ridotte in base alla disponibilità dei punti di connessione e al dimensionamento del carico utile» rimarcano gli autori.

Il sistema sarebbe in grado di prolungare il ciclo di vita della missione eseguendo sessioni di manutenzione ordinaria e di assistenza anche dopo l’assemblaggio, nonché operazioni di assistenza, manutenzione e assemblaggio sulla Terra, tra cui quelle destinate alle turbine eoliche.

Ricordiamo, infine, che quello progettato è un prototipo, attualmente in fase di verifica sperimentale per la sua validazione.

La ricerca futura

Lo studio dell’Università di Lincoln in tema di robotica per la realizzazione di infrastrutture nello spazio rappresenta un punto di partenza per future ricerche che vedono al centro la progettazione di macchine per missioni in orbita sempre più complesse, a cominciare dal numero dei sistemi coinvolti.

Il prossimo step – affermano gli autori – vedrà la finalizzazione delle specifiche di progettazione su scala reale (quello attuale è solo un prototipo su scala ridotta). Inoltre, «è in fase di sviluppo un prototipo di E-Walker su piccola scala per missioni terrestri».

Questo prototipo – spiegano – «può essere testato per mezzo di robusti controller per lo spazio e per il tracciamento preciso del giunto, in presenza di disturbi esterni e di incertezze parametriche».

Dato il grande interesse per la materia, le Agenzie spaziali e le industrie del comparto hanno iniziato a sviluppare le proprie mappe per future missioni di robotica orbitale, al punto che – nei prossimi cinque-dieci anni – si prevede che i ricercatori si mettano al lavoro per effettuare ulteriori sviluppi circa la valutazione e la fattibilità di una soluzione robotica come E-Walker, tra cui la sua prototipazione per una missione “in avanscoperta” che coinvolga un telescopio spaziale con un’apertura da 2,5 ai 5 metri.

Scritto da:

Paola Cozzi

Caporedattrice Leggi articoli Guarda il profilo Linkedin