Casi studio di Kaydon

Nessuna odissea nello spazio per i cuscinetti a sezione sottile di Kaydon

I cuscinetti a sezione sottile di Kaydon verranno utilizzati in un robot all'esterno della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) a circa 400 chilometri dalla Terra. CAESAR (Compliant Assistance and Exploration SpAce Robot) è dotato di un braccio lungo tre metri e di sette giunti. Il suo compito è quello di occuparsi del funzionamento degli esperimenti scientifici e commerciali in assenza di gravità.

Il braccio robotizzato CAESAR è stato sviluppato da DLR e viene utilizzato all'esterno della ISS per svolgere attività di servizio per esperimenti scientifici e tecnici.
(Foto: DLR)

Il robot, che pesa 60 chilogrammi, verrà trasportato sull'ISS, a 400 chilometri dalla superficie terrestre, dove verrà installato. Il braccio robotizzato pieghevole ed estremamente mobile lavorerà qui in futuro, occupandosi dei satelliti rotanti o fuori controllo, afferrandoli e stabilizzandoli. Il Centro aerospaziale tedesco (DLR), sviluppatore di CAESAR, vanta un'eccellente esperienza con i robot nello spazio. Con il progetto ROKVISS (Robotic Components Verification on the ISS), un robot DLR è già stato in funzione sulla ISS dal 2005 al 2010. I cuscinetti obliqui a sfere a sezione sottile di Kaydon hanno garantito con successo movimenti fluidi nei giunti del robot. "I cuscinetti sono collaudati da anni nello spazio", conferma Erich Krämer dell'Istituto DLR per la robotica e la meccatronica di Oberpfaffenhofen, Germania, che continua costantemente a sviluppare il progetto di assistenza in orbita DEOS. "L'elevata capacità di carico, l'affidabilità e l'esperienza nelle operazioni spaziali sono stati gli argomenti decisivi a favore dei cuscinetti a sezione sottile che Kaydon ha nella sua gamma di prodotti".

Con le sue sette articolazioni, CAESAR è agile e mobile come un braccio umano.
(Grafico: DLR)

Sfruttare le esperienze fatte con ROKVISS

Per CAESAR i ricercatori hanno potuto attingere alle numerose esperienze fatte con ROKVISS, alcune delle quali controllate dalla Terra.

Ogni articolazione su CAESAR pesa circa tre chili e ha una coppia di uscita di 80 Nm ad un massimo di 10 gradi al secondo.
(Grafico: DLR)

La chiave delle elevate prestazioni di CAESAR sono i suoi sette giunti intelligenti regolati in impedenza e posizione. Rodriguez ha fornito i cuscinetti ad anelli sottili
di Kaydon.
(A) Giunzione del segnale del sensore
(B) Sensore di coppia e posizione congiunto
(C) Ruota di coppia congiunta
(D) Sensore di posizione del giunto
(E) Cuscinetto articolare
(F) Azionamento ingranaggi armonico
(G) Flange del motore
(H) Motore robo drive
(I) Freno
(Grafico: DLR)

"Alla ROKVISS abbiamo testato la precisione con cui il braccio del robot può essere controllato all'ISS utilizzando un joystick con il cosiddetto force feedback. L'operatore a terra sente la forza con cui il robot preme contro il suo obiettivo nello spazio", spiega Klaus Landzettel, responsabile progettuale di ROKVISS. Il prototipo del braccio del robot spaziale è stato riportato sulla Terra nel 2011 con una capsula Soyuz ed è stato utilizzato dagli scienziati, con i suoi dati sullo stato di usura, come base per la costruzione del nuovo modello. CAESAR è ora la continuazione dei sistemi robotizzati a forza e a coppia controllata di DLR e la controparte spaziale degli attuali robot di servizio utilizzati nella produzione e per la cooperazione uomo-robot. La nuova generazione di robot combina elettronica e meccanica in modo innovativo. Il robot ha sette gradi di libertà. Questo numero di possibilità di movimento liberamente selezionabili corrisponde a quello del braccio umano, che gli conferisce una maggiore flessibilità rispetto ai robot standard. La base del robot sviluppato per l'esplorazione e l'assistenza nello spazio è il robot leggero III, che è stato sviluppato dall'Istituto nel 2003 e trasferito al principale produttore mondiale di robot KUKA.

Per lo sviluppo del braccio robotizzato, DLR ha potuto attingere alle sue esperienze quinquennali fatte con ROKVISS, il suo predecessore nello spazio.
(Grafico: DLR)

CAESAR può estendersi fino ad una lunghezza di tre metri. Piegato in modo compatto, si inserisce facilmente in un satellite di manutenzione.
(Grafico: DLR)

Controllo fluido del movimento e della forza

CAESAR può essere azionato in semi-autonomia, teleoperativamente o con telepresenza e force feedback. Il controllo dell'impedenza permette alle articolazioni del braccio di rimanere flessibili e previene danni agli oggetti. Il sistema di sensori di coppia integrato rileva il contatto indesiderato con oggetti e consente di reagire in modo appropriato, caratteristica essenziale per la sicurezza, soprattutto quando si lavora con gli astronauti. Poiché non vi è alcun carico gravitazionale nell'ambiente spaziale, tutti i giunti hanno la stessa capacità. Il controllo del movimento e della forza è garantito da sensori di controllo nelle giunzioni e da un bus di comunicazione in tempo reale ad alta velocità che collega le giunzioni all'unità di controllo robot (RCU). Il design del connettore include un albero cavo per consentire il cablaggio interno. "I giunti sono costituiti ciascuno da un motore sincrono con sensore di commutazione, un ingranaggio armonico e cuscinetti a contatto obliquo, il sensore di coppia e un sensore di posizione comune", spiega Erich Krämer della DLR. Sono stati scelti cuscinetti obliqui a sfere a sezione sottile, in grado di assorbire in modo particolarmente efficiente sia le forze radiali, che quelle assiali e di risparmiare spazio. "La serie Reali-Slim, da cui nascono i cuscinetti a sezione sottili qui utilizzati, è progettata per resistere alle condizioni operative più difficili", conferma Ulrich Schroth, Product Manager di Rodriguez, partner commerciale tedesco di Kaydon, responsabile del progetto. "Offrono un design compatto, elevata precisione e sono ideali per applicazioni così esigenti".

Un sensore di coppia strutturalmente integrato nei giunti fornisce valori di coppia privi di influenze di attrito nei cuscinetti o nel riduttore.
(Foto: DLR)

I cuscinetti a sezione sottile Kaydon di Rodriguez avevano già dimostrato con successo la loro efficienza nel braccio robotizzato ROKVISS e sono stati reinstallati.
(Foto: Rodriguez GmbH)

Ospite permanente in orbita

Poiché la maggior parte dei servizi sarà fornita in futuro per i satelliti geostazionari, la resistenza alle radiazioni e la durata di CAESAR sono calcolate a quindici anni di funzionamento in orbita geostazionaria.

L'intero robot è progettato per temperature comprese tra -20° centigradi e +60° centigradi. Si prevede di costruire questo sistema anche per altri programmi. A tal fine, deve essere possibile adattarlo a vari vettori, satelliti o veicoli spaziali. La produzione e la qualificazione del sistema deve essere efficiente e precisa per raggiungere il successo economico. "Se si realizza un trasferimento tecnologico del robot spaziale CAESAR ad un partner industriale, ci sarà sicuramente un'ulteriore collaborazione con Kaydon", riassume Erich Krämer.