Balancín-bogie

El sistema de balancín-bogie es un sistema de suspensión inventado por el ingeniero de la NASA Donald B. Bickler en 1988 para su uso en el rover Sojourner de la NASA en Marte , ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} y que desde entonces se ha convertido en el diseño preferido de la NASA para los rovers. ^{[ 4 ]} Se ha utilizado en los robots Spirit y Opportunity de la misión Mars Exploration Rover de 2003 , ^{[ 5 ]} en el rover Curiosity de la misión Mars Science Laboratory (MSL) de 2012 , ^{[ 6 ]} el rover Perseverance de Mars 2020 ^{[ 7 ]} y el rover Pragyan de Chandrayaan-3 de ISRO en 2023.

La función de balancín de la suspensión proviene del movimiento oscilante de la articulación principal, montada en la carrocería a cada lado del rover. Estos balancines están conectados entre sí y al chasis del vehículo mediante un diferencial . Con respecto al chasis, los balancines giran en direcciones opuestas para mantener un contacto de las ruedas aproximadamente igual. El chasis mantiene el ángulo de inclinación promedio de ambos balancines. Un extremo de cada balancín está equipado con una rueda motriz, y el otro extremo está articulado al bogie.

El término « bogie » en la suspensión se refiere al pequeño mecanismo que pivota sobre el balancín central y que cuenta con una rueda motriz en cada extremo. Los bogies se utilizaban comúnmente como ruedas de carga en las orugas de los tanques militares , distribuyendo la carga sobre el terreno, y también eran bastante comunes en los remolques de los camiones semirremolques . Actualmente, tanto los tanques como los semirremolques prefieren las suspensiones de brazo oscilante .

En el rover Sojourner , las ruedas delanteras se fijan a los bogies, mientras que en los rovers MER y MSL, las ruedas delanteras se fijan a los balancines.

El diseño de balancín-bogie es un sistema de suspensión articulado, de amortiguación pasiva (sin amortiguación) que utiliza ejes divididos en lugar de ejes de ancho completo. Su objetivo es mantener el contacto entre las seis ruedas y el terreno irregular, distribuyendo las cargas de las ruedas mediante articulación mecánica y promediado de carga. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La geometría de la suspensión permite al rover superar obstáculos significativamente mayores que el radio de una rueda, limitando al mismo tiempo el movimiento de la carrocería. En aplicaciones de rovers como la misión Mars Exploration Rover, el sistema de balancín-bogie se diseñó con un rango cinemático suficiente para atravesar obstáculos de aproximadamente 20  cm de altura. ^{[ 9 ]}

Como ocurre con cualquier sistema de suspensión, la estabilidad de inclinación está limitada por la altura y la ubicación del centro de masa del vehículo. Los requisitos de ingeniería para la suspensión del Mars Exploration Rover incluían una estabilidad de al menos 45  grados en cabeceo y balanceo en condiciones estáticas. ^{[ 9 ]} Para el rover Curiosity , la documentación de la misión indica que el vehículo puede soportar inclinaciones de al menos 45  grados sin volcar, aunque los límites operativos restringen las inclinaciones permitidas a valores inferiores. ^{[ 10 ]}

Las suspensiones de balancín-bogie se utilizan normalmente a bajas velocidades para reducir las cargas de choque dinámicas al atravesar grandes obstáculos. La documentación de ingeniería de la NASA para la suspensión del Mars Exploration Rover describió objetivos de diseño destinados a limitar las cargas de impacto traslacional a no más de 6  g durante el paso por obstáculos. ^{[ 9 ]}

Cada una de las seis ruedas del rover Curiosity tiene un motor de accionamiento independiente. ^{[ 11 ]} Las ruedas delanteras y traseras tienen motores de dirección independientes, lo que permite al rover girar sobre su propio eje. Las ruedas incorporan tacos para una mayor tracción en suelos blandos y superficies rocosas. ^{[ 12 ]}

Al superar una pared con un obstáculo casi vertical, las ruedas delanteras impulsan el vehículo contra el obstáculo, mientras que las ruedas centrales y traseras proporcionan la fuerza de avance. A medida que la rueda delantera asciende, eleva la parte delantera del vehículo. A continuación, la rueda central asciende el obstáculo, seguida por la trasera, y la articulación de la suspensión mantiene el contacto y la estabilidad durante toda la secuencia. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Debido a que el avance puede ralentizarse al superar obstáculos, los vehículos de balancín-bogie generalmente se optimizan para la movilidad en terrenos difíciles en lugar de para desplazamientos a alta velocidad. Los conceptos de rover propuestos para futuras operaciones tripuladas en la superficie han examinado sistemas de movilidad de mayor velocidad para su uso junto con astronautas y para misiones de exploración de largo alcance. ^{[ 8 ]}

La suspensión de balancín-bogie surgió de los estudios de movilidad de rovers realizados en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA a finales de la década de 1980. Los primeros trabajos sobre conceptos de rovers para Marte incluyeron vehículos experimentales de seis ruedas diseñados para mejorar la estabilidad y la capacidad de superar obstáculos en terrenos difíciles. ^{[ 13 ]}

Según los relatos del programa Mars Pathfinder, Donald B. Bickler desarrolló varios prototipos iniciales de rover antes de que se adoptara el diseño final de la suspensión. Estos incluían un modelo articulado de madera utilizado para demostrar el comportamiento de una suspensión de seis ruedas sin resortes, seguido de un prototipo motorizado conocido como el "pantógrafo Bickler", que utilizaba enlaces paralelos de cuatro barras para proporcionar una gran altura libre al suelo y una mejor capacidad para superar obstáculos. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

El diseño del pantógrafo se incorporó a los estudios de rovers para la propuesta misión Mars Rover/Sample Return en 1988, donde formó la base de un diseño de rover articulado de seis ruedas desarrollado en el JPL. ^{[ 16 ]} Posteriormente, Bickler trabajó en rovers experimentales de la serie Rocky , que adoptaron una configuración de balancín-bogie simplificada que conservaba las ventajas de movilidad de los diseños anteriores al tiempo que mejoraba el rendimiento de escalada con respecto a los conceptos de rover de seis ruedas anteriores. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 13 ]}

El concepto de suspensión se formalizó en la patente estadounidense 4,840,394, Sistema de suspensión articulada , presentada en 1987 y emitida en 1989. ^{[ 19 ]}

• iBOT
• Whippletree (mecanismo)

• El ingeniero que inventó la suspensión del rover de Marte... en su garaje : documental biográfico sobre Donald Bickler y la suspensión Rocker-bogie, creada por el hijo de Donald Bickler, que contiene información histórica adicional, incluyendo imágenes de archivo.
• Vídeo de YouTube de un sistema de suspensión Rocker-bogie inspirado en uno de los rovers de Marte : vídeo de Nguyen Duc Thang que muestra una animación del sistema de suspensión Rocker-bogie de un rover de Marte.