高功率密度驱动器帮助 NASA 在太空挖掘泥土

一提到探索太阳系，火箭往往是这类新闻标题中最突出的部分。然而太空探索最重要的一个方面却更加接地气：表土，月球、火星、小行星、彗星甚至地球上可以找到的泥土和岩石的分解混合物。无机混合物可能含有宝贵的矿物质，而副产物可以用于支持月球据点和地球。难点在于找出在低重量或零重力环境下开采大量原料的方法。

机器要求

NASA 开发用于在低重力或零重力环境开采并运输表土的遥控移动机器人-风化层高级表面系统操作机器人 (RASSOR)。RASSOR是一个概念设计，利用主要耐用的现成的标准 (COTS) 组件打造，减少尺寸、重量和功耗。Bionetics（NASA 承包商）机器人工程师 Andrew J. Nick 表示： “我们努力找到满足我们严格的重量和空间制约，能够在封装内读取多个传感器，同时无需我们大量研发的商业化产品。我们只需使用产品，将重点放在研究上。”

RASSOR 基于安装在移动机器人平台上的一对对向旋转滚筒。每个滚筒由一个伺服轴独立驱动，安装在独立控制的机器臂上，单个旋转轴安装在有轮移动机器人平台上。滚筒旋转与机器臂定位相结合，支持 RASSOR 执行先进定位和避开障碍物等特技。

平衡对向旋转滚筒的力，需要高精度反馈和复杂挖掘算法。复杂运动需要接头切换工作模式，例如速度和位置，以及接收反馈以允许接头协调工作。

图 2：旋转臂和滚筒组合支持早期版本的 RASSOR（从左上顺时针）翻滚，攀爬障碍物，假定 Z 位置将滚筒排空到超大料斗中，提升车轮离开地面以避开地表陷阱或去除残渣。（NASA 供图）

运动控制解决方案

• Gold Solo Whistle 驱动器
  

 

挖掘机包括总共 10 个运动轴：每个滚筒两个电机，每个臂两个电机，一对电机驱动底盘车轮。负载采用绝对式光学编码器，电机轴采用增量式光学编码器。

考虑到复杂程度和需要的反馈量，NASA 需要驱动器层级的智能。“RASSOR 不仅仅是‘有各种回路的驱动器’的笨拙机器人”，Nick 表示。 “我们需要的不仅仅是开关电机的基本驱动器。我们需要具有反馈和控制的智能电机。”

团队选择 Elmo Motion Control 的 Gold Solo Whistle  驱动器满足其需求。 E每个驱动器可以在电流模式、速度模式和位置模式下工作。PC 控制器通过 CANopen 发送基本运动要求。驱动器自行控制换向、电流调节、速度调节和位置回路。驱动器的内部轨迹发生器使用目标端点以及加速/减速及速度信息规划路径，定位负载。

驱动器提供极高功率密度，非常适合空间有限的 RASSOR。它们还适合工业应用，耐用性足以胜任应用的高冲击和振动。敷形镀膜还有助于防范可能进入壳体的粉尘。团队使用 Elmo 的驱动器调节与配置软件 Elmo Application Studio进行调节。

最新的解决方案：

自从设计这款机器人后，Elmo 推出了新的解决方案。现在：

• 可以借助 Elmo 的 Platinum Maestro (PMAS) 运动控制器，通过中央 PLC 或计算机通过无线网络控制和操作系统。
• 应用程序可以使用 Gold Solo Twitter 伺服驱动器。
  • Elmo 独有的“R”型伺服驱动器可以提供更大的持续电流 – 非常适合需要长时间大电流以越过障碍物的高惯量运动系统（如 AGV）。