Il lancio di Robonaut 2, a bordo dell'ultimo volo del Discovery, è il coronamento di un sogno durato 15 anni, di mandare in orbita un robot umanoide. Il programma Robonaut è stato concepito con l'intento di costruire macchine in grado di aiutare gli astronauti a esplorare lo spazio, sia come assistenti che come "operatori solitari" in ambienti ad alto rischio. Nelle varie fasi dell'esplorazione dello spazio da parte dell'uomo sono stati progettati strumenti di volo e hardware specifici per essere utilizzati dagli astronauti. Per quanto riguarda i robot messi a punto per affiancare o sostituire gli astronauti in una serie di attività, l'accumulo di strumenti in-flight e sistemi Eva (Extra-Vehicular Activity) legacy ha reso necessaria la costruzione di robot dalle sembianze di un uomo e con una certa abilità umana. Il team che ha curato lo sviluppo di Robonaut è partito dal concetto di un robot antropomorfo delle stesse dimensioni di un astronauta in tuta spaziale con due braccia, due mani a cinque dita, una testa e un busto. Fondamentale per il Robonaut è la manipolazione robotica, ovvero la capacità di utilizzare le mani per lavorare. L'obiettivo del team di sviluppo era infatti costruire macchine con livelli di destrezza, movimento, forza e resistenza superiori a quelli di un astronauta in tuta spaziale. Le mani di Robonaut 2 possono gestire direttamente un'ampia gamma di interfacce senza procurarsi "cicatrici robotiche", nonché afferrare o riporre oggetti e utilizzare strumenti specifici. Il Robonaut utilizza un approccio alla gestione dei dati tipico dei cordati, inviando tutti i feedback a un sistema di controllo centrale dove vengono eseguiti anche servocontrolli di basso livello. Questo approccio neurologico ispirato alla biologia si estende alla simmetria computazionale destra-sinistra, alla dualità dei sensi e della forza, nonché alla ridondanza cinematica, consentendo così l'apprendimento e l'ottimizzazione a livello meccanico, elettrico e software. Il Robonaut è provvisto di numerosi sensori di vario genere (termici, di posizione, tattili, di forza e di coppia), di cui oltre 150 per braccio. Il sistema di controllo include una Cpu on-board in tempo reale con dispositivi miniaturizzati di acquisizione dei dati in miniatura e power management, il tutto in un involucro compatto resistente alle sollecitazioni dell'ambiente esterno. Il sistema di guida off-board prevede la supervisione da parte di una persona tramite una stazione di controllo a telepresenza con funzionalità di tracciatura. Nel preparare Robonaut 2 per la vita nello spazio, il team di sviluppo ha dovuto risolvere numerose problematiche.
Nic Radford, responsabile del progetto, ha commentato: "Per sviluppare progetti hardware per lo spazio ci vogliono anni. A noi sono stati concessi solo sei mesi per rendere Robonaut un sistema altamente qualificato in grado di soddisfare i complessi requisiti dei voli spaziali. Ciò ha richiesto l'analisi del sistema dal punto di vista dei materiali, dei circuiti e della meccanica". Radford ha anche affermato: "Tra i test che abbiamo dovuto eseguire vi è stata la simulazione delle vibrazioni all'interno di uno shuttle durante il volo. Per farlo, Robonaut è stato montato nel suo cargo carrier su un tavolo vibrante e scosso continuamente per simulare il lancio".
Connessioni robuste, affidabili e leggere
Le applicazioni spaziali richiedono sempre interconnessioni robuste e altamente affidabili in un package miniaturizzato molto leggero. Per via della sua complessità elettronica, Robonaut 2 implica anche l'invio di grandi quantità di dati, trasmessi poi al sistema di controllo centrale dai sensori posizionati sulla testa e nelle mani. Un altro fattore che ha inciso sulla selezione dei connettori è stata la modularità della struttura di Robonaut 2. "Possiamo sostituire un braccio, una mano, la testa e portare in orbita singoli componenti approvati per le fasi successive di funzionamento. La seconda fase della vita di Robonaut 2 sulla stazione spaziale consisterà nell'implementazione di un pacchetto di mobilità – una gamba che il robot può utilizzare per spostarsi nella stazione stessa. Nei prossimi anni aggiorneremo il robot e lo porteremo all'esterno".
Sulla scorta di queste considerazioni, il team di progetto di Robonaut 2 ha optato per la tecnologia mista Mix-Tek Datamate, il connettore I/O di Harwin. I connettori di questa gamma sono stati utilizzati con successo in altri progetti militari e aerospaziali soggetti a temperature e sollecitazioni estreme. Il team era alla ricerca di connettori board-to-board in grado di gestire in modo ottimale correnti elevate comprese tra 10 e 15 A. Con la sua capacità di gestire segnali e potenza nello stesso package, il sistema Datamate di Harwin ha offerto vantaggi concreti. Il team, sottoposto a forti pressioni per quanto riguarda le tempistiche, necessitava di una soluzione in un package compatto. Gli aspetti che hanno portato alla scelta di Datamate sono stati sia la versatilità del connettore (Robonaut 2 richiede infatti molte configurazioni diverse tra loro) e la capacità di Harwin di produrre connettori nella configurazione richiesta, il tutto rapidamente e senza lunghi lead time. I connettori Mix-Tek Datamate di Harwin sono presenti in tutto il Robonaut, soprattutto nella testa e nelle braccia. I connettori Mix-Tek Datamate con passo da 2 mm sono disponibili in diverse configurazioni a livello di segnale, potenza e cavo coassiale, in modo che i clienti possano progettare il loro connettore Datamate in base all'applicazione. I contatti torniti, utilizzati in combinazione con le clip di contatto a quattro dita in rame-berillio di Harwin, assicurano elevata affidabilità. I connettori Mix-Tek Datamate sono disponibili nelle versioni con coda Pc maschio/femmina e a crimpare maschio/femmina con massimo 50 contatti a bassa frequenza o 12 contatti speciali (cavo coassiale e potenza). Essi sono compatibili anche con i connettori dello stesso tipo di altre marche e sono particolarmente adatti per le applicazioni sottoposte a forti vibrazioni. Gli stampi polarizzati e hanno un rating UL94V-0. I connettori Mix-Tek sono conformi con gli standard Cecc 75101-008 e Mil C 55302; all'occorrenza vengono forniti con terminazioni sicure per una maggiore protezione negli ambienti esposti a forti vibrazioni. Un altro problema che Robonaut 2 ha dovuto affrontare è stata la compatibilità elettromagnetica. L'hardware in esecuzione sulla stazione ISS (e sullo shuttle) non deve interferire elettricamente con altri sistemi e non deve essere esposto alle interferenze elettromagnetiche. Harwin ha lanciato una versione schermata di Datamate, chiamata Datamate S-Tek, che si caratterizza per i gusci posteriori con schermatura elettrica contro le interferenze Rfi ed Emi.
Connessioni per lo spazio
Robonaut è stato progettato dalla Robot Systems Technology Branch presso il Johnson Space Center della Nasa in collaborazione con General Motors, colosso americano nel settore automobilistico. Nasa e GM vantano una partnership di lunga data risalente agli anni '60 che ha portato a una serie di progetti di successo, dallo sviluppo dei sistemi di navigazione per le missioni dell'Apollo fino alla costruzione del Lunar Rover Vehicle, il primo veicolo utilizzabile sulla luna. Spesso la richiesta di connettori da utilizzare in ambito spaziale è paragonabile a quella del settore industriale: in entrambi i connettori devono funzionare in modo affidabile a temperature estreme e in presenza di forti sollecitazioni o vibrazioni. Inoltre, devono essere leggeri, compatti e facilmente accoppiabili e disaccoppiabili. L'aspetto commerciale ha imposto un'ulteriore condizione: il costo. Su questo fronte i connettori Datamate di Harwin offrono prestazioni ultraaffidabili in ambienti estremi a un costo notevolmente inferiore rispetto ai prodotti specifici per il settore militare.
