Роботизированная платформа с лебедкой поможет робоспелеологу спуститься в инопланетную пещеру

Инженеры разработали и испытали роботизированную платформу, предназначенную для контролируемого спуска исследовательских роботов в инопланетные пещеры. Платформа, получившая название TMDS (Tether Management and Docking System), оснащена лебедкой, тросом, подъемником и стыковочными разъемами двух типов, которые позволяют роботам быстро и автономно присоединиться к системе и отсоединяться от нее после спуска. Во время испытаний небольшой колесный робот Coyote3 с помощью системы TMDS и более крупного ровера, который удерживал трос в манипуляторе, успешно спустился в настоящую пещеру на Канарских островах. Доклад с описанием системы опубликован в материалах 75-го Международного конгресса астронавтики (IAC).

Пещеры вулканического происхождения на Марсе и Луне привлекают пристальное внимание ученых. Благодаря защищенности от метеоритных бомбардировок, экстремальных колебаний температуры, ультрафиолетового излучения и космических заряженных частиц, эти полости могли сохранить в себе важную информацию о геологической истории небесного тела и возможные следы внеземной жизни. Кроме того, инопланетные пещеры рассматриваются как потенциальные места, где в будущем могли бы разместиться базы колонистов и исследовательские станции.

Изучением пещер и лавовых трубок на других небесных телах в будущем займутся дистанционно управляемые исследовательские роботы. Однако прежде чем они смогут приступить к работе, им необходимо будет как-то попасть внутрь. Одна из популярных на сегодняшний день концепций заключается в спуске в лавовые трубки вниз через образовавшиеся в результате обрушения потолка проломы с помощью троса. Например, в 2020 году NASA показало прототип такого планетохода-трансформера. Его передняя часть способна отделяться и путешествовать на двух колесах, оставаясь привязанной тросом к основному роботу. Однако у такого подхода есть существенный недостаток: отделяемый робот может удаляться от основного только на длину троса.

Инженеры из Германии и Испании под руководством Франка Киршнера (Frank Kirchner) из Немецкого исследовательского центра искусственного интеллекта DFKI попытались найти решение этой проблемы. В рамках европейского исследовательского проекта CoRob-X (Cooperative Robots for Extreme Environments) они разработали систему TMDS (Tether Management and Docking System), которая позволяет связать спускаемого и основного роботов тросом через отсоединяемые электромеханические коннекторы, способные выдержать вес небольшого ровера для безопасного контролируемого спуска в пещеру.

Система представляет собой платформу с лебедкой и двумя стыковочными интерфейсами. Платформа состоит из легкого алюминиевого каркаса и листов из углеродного волокна. Ее общая масса, включая трос длиной 30 метров, составляет 23 килограмма. Трос разматывается с лебедки и натягивается с помощью системы шкивов, в которой используется датчик силы для контроля натяжения и предотвращения провисания. Система оснащена двумя типами стыковочных электромеханических коннекторов: на конце троса находится интерфейс EMI, разработанным в DFKI, а сверху на корпусе платформы — HOTDOCK, созданным компанией Space Applications Services. Высота платформы может регулироваться с помощью двух приводов и раздвижного механизма опор для облегчения автоматической стыковки и расстыковки с роботами.

Программное обеспечение роботов через интерфейсы EMI и HOTDOCK может управлять приводами платформы TMDS, контролируя ее высоту, а также натяжение и скорость разматывания троса для синхронизации со скоростью движения робота во время спуска или подъема. Датчик натяжения позволяет отслеживать нагрузку и предотвращать возможный обрыв троса. Для связи между роботами и оператором используется беспроводное соединение на частоте 2,4 гигагерц, которое передает данные о состоянии системы и позволяет оператору в реальном времени контролировать процесс. Вся система питается от внешнего источника напряжения 48 вольт.

Систему протестировали в полевых испытаниях Lunar Analogue Mission, которые проводились в 2023 году на острове Лансароте, входящем в состав Канарских островов. Вулканический ландшафт острова имитировал лунную поверхность. В ходе испытаний два робота, прототип планетохода SherpaTT (масса около 150 килограмм) и небольшой четырехколесный ровер Coyote3 (масса около 30 килограмм), совместно выполняли задачу по спуску в настоящую лавовую трубку через пролом. Сначала SherpaTT, используя манипулятор, подсоединился к разъему EMI на конце троса, развернул и установил платформу TMDS на грунт у края вертикального входа в пещеру, образованную лавовой трубкой. Затем Coyote3 подъехал к платформе и пристыковался к ней с помощью интерфейса HOTDOCK. После успешной стыковки Coyote3 начал спуск. Достигнув дна пещеры, он отстыковался от TMDS и приступил к самостоятельной работе. Все операции выполнялись под контролем операторов, которые отслеживали состояние и передавали команды роботам.

Как отмечают авторы, разработанная ими система позволяет независимым друг от друга роботам самостоятельно присоединяться к ней или отсоединяться в любой момент, чтобы продолжать движение автономно. Кроме того, платформа может использоваться для спуска и подъема более одного робота. В будущем инженеры планируют доработать механизм стыковки для повышения его надежности в условиях неровной поверхности, а также разработать специализированный трос для планетарных миссий, который будет легок и устойчив к абразивному воздействию острых камней.

Так как пол инопланетной пещеры может быть неровным и покрыт обломками породы, для более эффективного передвижения внутри лучше подойдут роботы, использующие конечности вместо колес. Инженеры NASA недавно предложили концепцию робота специально для такого случая. Проект ReachBot описывает робота с несколькими раздвижными конечностями, которые способны дотягиваться до удаленных точек: стен, пола или потолка пещеры, и закрепляться на них с помощью захватов с металлическими шипами.