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Archive pour le mot-clef ‘robotique spatiale’

Article initialement publié sur IEEE Spectrum / Automaton blog

Canadarm 1

CANADIAN MUSCLE: The Space Shuttle Endeavour’s robotic manipulator Canadarm 1 hands off a payload to the International Space Station (out of frame), which is also equipped with a mechanical arm, the Canadarm 2. A new ISS arm, Dextre, will become operational later this year. Photo: NASA (19 July 2009)

At a moment when the world is celebrating the historic lunar landing of Apollo 11, even the crew on the International Space Station found time to pay homage. But then, it’s back to work, as the astronauts continue with their busy schedule of construction and scientific work.

For the current mission, the astronauts count on a tireless partner: the robotic manipulator Canadarm 2. With space exploration at the center of earthlings’ attention, I thought it’d be great to learn more about this amazing space telemanipulator. And I couldn’t find a better person to talk to than Alexandre Grégoire-Rousseau, a mission planning engineer at the Canadian Space Agency (CSA).

The goal of the current mission is, among other things, to install two Japanese modules to the ISS. This process will take 16 days and involve three robots: the Canadarm 2 on the ISS, its older brother Canadarm 1 on the Space Shuttle, and an arm on Kibo, one of the Japanese modules. A true robotic ballet in outer space!

Those who have programmed robotic manipulators would have their brains tingling while hearing Grégoire-Rousseau describe how the arms work and all the challenges involved. Each mission requires that the planners prepare new control algorithms and trajectories for the different payloads.

“Every two-week mission takes two to three years to plan,” he says. “Fifty percent of our time is to define the actual mission scenario; the other 50 percent is to think about the what if’s.”

One interesting challenge is that, whereas industrial manipulators are bolted to factory floors that remain stationary, the Canadarm 2 is attached to the ISS, which floats in space. That means the dynamics of the arm is coupled with the ISS’s dynamics. Move the arm and conservation of momentum may cause the space station to move too. Grégoire-Rousseau says they haven’t had problems lately, because the ISS is getting heavier.

“Still,” he adds, “it is sometimes necessary to activate the gyros or in rarer cases the thrusters of the Station to maintain its attitude while the arm is moving around.”

The arm was originally designed for assembly tasks. But since it became operational, mission planners have come up other uses, such as positioning cameras for inspection or moving the astronauts around when they are out of the ISS. In fact, during the current mission, the Canadarm 2 will also be used to move an astronaut who has to replace electronic components on the ISS as part of an extra-vehicular walk.

Direct mechanical interactions between robots and humans is an area that receives a lot of attention from Grégoire-Rousseau’s team and other research labs on Earth. It’s a hot topic in robotics and presents many challenges related to control and safety. Just think that the ISS crew is maneuvering a 17.6 meter long manipulator … in free space. No need to say that a failure could have dramatic consequences up there.

To ensure flawlessness, astronauts plan a lot, train a lot, and operate very slowly to make sure that they have time to react. Many layers of safety wrap the operations. The arm can detect faults and stop its own operation, execute pre-planned parameterized trajectories, or follow joystick commands from the astronaut watching it on video displays from inside the ISS. Teams in Houston and at CSA’s headquarters near Montréal continuously monitor the telemetry information sent back to Earth.

But it seems that the best is still to come in terms of robotics and the ISS. Dextre, whose official name is the Special Purpose Dexterous Manipulator, is a torso with two smaller arms that will be added at the end of the Canadarm 2. Dextre was assembled on site last spring, and it’s docked and tested, ready to come into action around October of this year. The main innovation in Dextre? It comes from the use of force-torque sensors, which will enable fine manipulation.

“Dextre could insert a DVD into a player”, Grégoire-Rousseau says. “Its capabilities will significantly reduce the number of necessary extra-vehicular astronaut walks.”

On savait que les Soviétiques ont envoyé le premier satellite, le premier animal, et le premier homme dans l’espace. Le volet robotique de leur conquête spatiale est beaucoup moins connu. Pourtant, il n’en n’est pas moins impressionnant. Dans les années 60, alors que les Américains se concentrent à envoyer un homme sur la Lune, à l’Est on planche en secret sur le Lunakhod. Ces robots mobiles commandés depuis la Terre de 1970 à 1973 on parcouru des dizaines de kilomètres, recueilli des images et des données scientifiques de grande valeur sur notre satellite naturel.

L’exploit d’envoyer un robot sur une autre planète et de le contrôler avec succès n’a été répété qu’en 1996 par l’équipe de Mars Pathfinder. Bien que spectaculaire — surtout pour l’époque — la réussite du programme Lunakhod est peu connue. Le programme a été top secret durant de nombreuses années.

Visionnez un documentaire passionnant à propos de cette histoire sur toile de fond de guerre froide (partie 1, 2, 3 et 4). Il se termine par le dernier exploit de l’équipe d’ingénieurs: adapter leur design de robot lunaire en trois mois pour concevoir un char téléguidé afin d’aider le nettoyage du toit du réacteur 3 après la catastrophe de Chernobyl.

[Merci à Cyril pour la suggestion]

NextSat

J’ai parlé récemment (ici et ) de la mission Orbital Express, qui vise à démontrer les possibilités de réparer un satellite (NextSat) en orbite à l’aide d’un autre satellite robotisé (Astro). Cette mission semblait bien se dérouler, jusqu’à ce que…
Le 11 mai dernier, les deux engins effectuaient le scénario 3-1 de la mission, qui consistait à se séparer d’une distance de 10 mètres puis de s’arrimer de nouveau. C’est à ce moment qu’une anomalie de l’ordinateur de bord dédié au senseurs de Astro est survenue. On avait pu lire cette explication sur la page de la mission, qui maintenant est disparue (au moment d’écrire ce texte, elle est toujours dans la cache google):

During Scenario 3-1 execution on the evening of May 11, Orbital Express encountered a serious sensor flight computer anomaly on the ASTRO while stationkeeping at 10 meters separation distance from the NextSat. Onboard fault protection reacted immediately, placing the ASTRO into an abort trajectory which carried it to a hold-point 120 meters from the NextSat. The Orbital Express team has spent the past several days recovering from this fault and from problems associated with loss of relative navigation at the longer-than-anticipated separation distances for this scenario. The ASTRO has since coasted at distances of up to several kilometers from the NextSat. Both vehicles are safe. The ASTRO powered up its redundant sensor flight computer and is processing sensor data nominally. The team is in the process of developing a recovery scenario for ingress and remate, and hopes to execute this ingress in the next several days. (Posted 5/15/07)

Les satellites se sont par la suite éloignés graduellement pour se retrouver à plus de 6 km de distance. Oh que les ingénieurs de la mission devaient être stressés! Le 18 mai, heureusement pour leur cuir chevelu, Astro a finalement recapturé NextSat après huit jours de séparation. On en faisait l’annonce aujourd’hui via ce communiqué.

On y explique que Astro s’est rapproché à 3 km de son petit frère suite à plusieurs actionnements de ses propulseurs. À partir de ce moment, il a pu grâce à sa caméra infrarouge et son capteur de distance laser rétablir une trajectoire pour rejoindre NextSat. Les satellites se sont par la suite rapprochés jusqu’à ce que le mécanisme de mâchoire d’Astro agrippe NextSat.

Tout est bien qui finit bien! Même que cet accident de parcours ressemble drôlement au tout dernier scénario de la mission, où les satellites devront se séparer de 7km pour se rejoindre par la suite! Décidément, ce n’est pas évident de faire de la robotique en orbite.

NextSat

Il y quelques temps, je discutais de robotique spatiale et du projet Orbital Express. Cette mission consiste à envoyer deux satellites assemblés, puis de les séparer et de les réassembler à plusieurs reprises en orbite grâce entre autre à un bras robotique.

Comme me l’a fait remarquer mon collègue Cyril, les premiers tests ont été concluants. Astro a transféré du carburant à NextSat le 2 avril. Cinq jours plus tard, il lui a transféré une batterie en utilisant le bras. Finalement, le 17 avril, les deux se sont tout juste séparés pour se réassembler plus tard dans la journée.

Dans les semaines qui viennent, les deux se sépareront de plus en plus loin, d’abord de 10m, puis 20m, puis 60m pour arriver finalement à l’ultime test, une séparation de 7km. Vous pouvez voir des vidéos de tout ça et suivre cette démonstration technologique grâce à un fill RSS sur le site de la mission.

Orbital express

Des centaines de satellites qui ne fonctionnent plus sont toujours en orbite. Souvent, c’est le bris d’une composante comme un gyroscope ou encore l’épuisement de carburant qui cause la fin de l’utilisation. Si on était capable de les réparer, plusieurs d’entre eux pourraient continuer leur service. Des montants énormes pourraient être économisés. C’est la motivation derrière plusieurs projets qui visent à envoyer des satellites-robots à la rescousse de leurs congénères.

Mars 2007: Orbital Express
La semaine dernière, la NASA et le DARPA ont procédé au lancement d’Orbital Express. Deux satellites connectés ensemble on été placés en orbite. Le but de la mission est de démontrer la capacité pour un des deux (nommé ASTRO) de rajouter du carburant à l’autre (NextSat) et de remplacer certaines composantes.

Sur cette page, on peut voir les différents tests qui seront effectués pour valider le concept. Ils effectueront certaines tâches lorsque connectés. Puis, il se sépareront de plus plus en plus loin pour tester les approches, la saisi de NextSat par ASTRO, et l’arrimage. Il ne s’agit réellement que d’un démonstrateur. Vous pouvez voir une animation ici. Cette application pourrait être utilisée commercialement autour de 2020.

Le défi est de taille. Lionel Birglen est un ancien collègue maintenant professeur à la Polytechnique de Montréal. Il s’intéresse dans ses recherches à la robotique spatiale. Il commente à propos d’Orbital Express:

Il s’agit en fait d’une seconde tentative, la première s’étant soldée par un échec. Il me semble qu’à l’époque les deux satellites s’étaient rapprochés avant de brusquement s’éloigner, ce qui laisse penser à un bug logiciel.

Une avenue pour réparer Hubble?
Dans cet article, l’auteur conclut qu’il est dommage que l’approche ne puisse être utilisée pour réparer le vieillissant Hubble. Selon l’auteur, aucune équipe n’avait réussi à prouver qu’ils étaient capable de réaliser le projet à temps. Une de celle-ci était canadienne. Il s’agit de MDA, l’entreprise qui a fabriqué les Canadarms. Ils étaient semble-t-il les seuls à pouvoir réaliser l’exploit. MDA a tout fait pour relever le défi. À un certain moment, à peu près toutes leurs forces de travail en robotique se consacraient à préparer leur soumission pour la NASA. Celle-ci a été rejetée.

Selon Thierry Laliberté, un autre collègue qui a déjà collaboré avec MDA, leur concept consistait à adapter le manipulateur agile spécialisé (SPDM). Le SPDM ressemble à un torse, avec deux bras. Il sera installé au bout du Canadarm 2, lui-même fixé à la station spatiale internationale. Thierry a conçu deux préhenseurs pour la compagnie dans des projets de ce type. La première est la main SARAH, une main mécaniquement intelligente capable de s’adapter à la forme des objets sans nécessiter de contrôle complexe. La seconde est une pince plus simple, dont le but aurait été de soulever la couverture thermique qui recouvre les satellites. C’est la plupart des cas la première étape à effectuer avant de pouvoir remplacer quoi que ce soit sur les appareils.

Les autres projets dans la course
Comme le mentionne Lionel:

C’est très intéressant car le marché est là et il est énorme, on parle de dizaines de milliards de dollars US. Par contre les moyens nécessaires sont eux aussi énormes ce qui explique le financement via des agences gouvernementales. De plus, cela prépare la voie vers des sondes robotiques plus autonomes pour l’exploration spatiale.

Puisque le marché est considérable, plusieurs équipes travaillent sur se sujet dans le monde. Lionel me mentionne que les Japonais ont leur concept nommé ETS-7. Les Européens ont aussi un projet de l’avant nommé TECSAS.

Ce qui rendra éventuellement cette approche faisable, c’est que de plus en plus, les satellites seront conçus de façon à pouvoir être réparés en orbite par un robot. Ceci facilitera grandement la tâche du robot.