Astronaut im Weltraum steuert erfolgreich bodengestützten Rover

Wenn der beste Freund des Menschen ein Hund ist, dann könnten in Zukunft Rover die engsten Begleiter der Astronauten sein. Ein Forschungsteam der ESA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der europäischen Wissenschaft und Industrie hat eine Technik entwickelt, die es Astronauten im Orbit ermöglicht, Rover zu steuern, die Planetenoberflächen erkunden, und ihren Höhepunkt in einer von der Internationalen Raumstation kommandierten erdgestützten Rover-Sitzung erreicht. Ein in der Wissenschaftliche Robotik Journal in dieser Woche beschreibt ihre Ergebnisse.

„Dies ist das erste Mal, dass es einem Astronauten im Weltraum gelungen ist, ein Robotersystem am Boden auf solch immersive und intuitive Weise zu steuern“, kommentiert Aaron Pereira vom DLR.

„Unsere Steuerungsschnittstelle mit 6 Freiheitsgraden beinhaltet Force-Feedback, sodass der Astronaut genau das erleben kann, was der Rover fühlt, selbst bis hin zum Gewicht und der Kohäsion der Felsen, die er berührt. Dies trägt dazu bei, Bandbreitenbeschränkungen und schlechte Beleuchtung auszugleichen oder Signalverzögerung, um ein echtes Gefühl des Eintauchens zu vermitteln – was bedeutet, dass der Astronaut das Gefühl hat, am Tatort zu sein.“

Lassen Sie die Roboter die Belastung übernehmen

Robotik-Ingenieur Thomas Krueger, Leiter des Human Robot Interaction Laboratory der ESA, fügt hinzu: „Roboter können in bekannten, strukturierten Umgebungen eine begrenzte Autonomie erhalten, aber für Systeme, die explorative Aufgaben wie die Probenentnahme in unbekannten, unstrukturierten Umgebungen ausführen, gibt es eine Art ‚Human-in‘ -the-loop“-Überwachung wird unerlässlich. Aber eine direkte Steuerung war aufgrund des inhärenten Problems der Signalverzögerung nicht machbar – mit Übertragungszeiten, die durch die Lichtgeschwindigkeit eingeschränkt sind.

„Also haben wir auf das Konzept hingearbeitet, dass Menschen sicher und bequem in der Umlaufbahn um Mond, Mars oder andere Planetenkörper bleiben, aber nah genug sind, um Rover auf der Oberfläche direkt zu überwachen – und die menschlichen Stärken der Flexibilität und Improvisation mit a robuster, wendiger Roboter zur Stelle, um ihre Befehle präzise auszuführen.“

Ein Team des HRI-Labors der ESA und des Zentrums für Robotik und Mechatronik des DLR arbeitete an einer Reihe von zunehmend komplexeren Tests, die zuerst auf der Erde und dann in den Orbit ausgedehnt wurden.

„Letztendlich mussten wir Machbarkeitsexperimente aus dem Weltraum durchführen, da frühere Untersuchungen zeigen, dass Schwerelosigkeit die menschliche Leistungsfähigkeit bei Kraft- und Bewegungsaufgaben beeinträchtigen kann“, fügt Thomas hinzu. „Diese und andere einzigartige Umweltfaktoren führten dazu, dass erdbasierte Simulationen nicht ausreichen würden.“

Ihre Bemühungen gipfelten im ersten Teil des Analog-1-Experiments Ende 2019. Astronaut Luca Parmitano an Bord der ISS bediente den mit Greifern ausgestatteten ESA Interact-Rover in einer simulierten Mondumgebung in einem Hangar in Valkenburg, Niederlande, um Gestein zu untersuchen und Proben zu sammeln . Der zweistündige Weltraum-Boden-Test war ein Erfolg und überwand eine bidirektionale Signalverzögerung von durchschnittlich mehr als 0,8 Sekunden und eine Datenpaketverlustrate von 1 % plus.

Lösung des Zeitfaktors

„Obwohl sich die ISS nur 400 km über uns im Orbit befindet, werden ihre Signale über geostationäre Telekommunikationssatelliten zur Erde und dann von Texas über ein Transatlantikkabel nach Europa übertragen“, erklärt Aaron.

„Unser Team am DLR musste einen Regelalgorithmus entwerfen, der trotz dieser Zeitverzögerung stabil funktioniert. Da es eine Verzögerung bei der Kraftrückmeldung beim Bediener gibt, könnte es sein, dass sie den Roboter auch nach dem Aufprall weiterbewegen ein Stein, was dazu führen kann, dass der Roboter nicht mehr mit seiner Steuerung synchron ist, möglicherweise wie verrückt vibriert und sich möglicherweise sogar selbst beschädigt.

„Um dies zu verhindern, verwenden wir ein Konzept namens ‚Passivität‘ – wir betrachten die Gesamtmenge an Energie, die ein Bediener einsetzt, und stellen auf der entfernten Seite sicher, dass der Roboter niemals mehr Energie als diese abgibt und umgekehrt . Wenn Sie ein Kind auf einer Schaukel schieben, wird es nie höher als bei der ersten Schaukel gehen – und durch Reibung usw. wird es allmählich immer tiefer und tiefer schwingen.

„Wenn sich beispielsweise der Roboterarm bewegt und plötzlich auf einen Felsen trifft, würde es zusätzliche Energie erfordern, um sich zu bewegen, was der Astronaut nicht befohlen hat, also reduzieren wir die Befehlsenergie sofort, um den Arm zu verlangsamen. Dann, nach 850 Mikrosekunden Verzögerung, wenn der Astronaut den Stein spürt, kann er dann die zusätzliche Energie hinzufügen, um ihn zu schieben.

„Diese ‚Time Domain Passivity Approach for High Delay‘-Technik ist in der Praxis sehr intuitiv und sollte auch mit höheren Verzögerungszeiten gut funktionieren.“

Nächste Schritte auf dem Ätna

Thomas schließt: „Die größte Einschränkung der bisher geleisteten Arbeit besteht darin, dass unsere analoge Mondumgebung in Innenräumen an Realismus mangelt größere internationale Roboter-Testkampagne aufgerufen BÖGEN.

„Luca Parmitano wird wieder den Interact-Rover steuern, diesmal in 1G vom Boden aus.“