19. August 2015

Kon­tur-2: Ro­bo­ter­steue­rung aus der Schwe­re­lo­sig­keit

Kos­mo­naut Oleg Ko­no­nen­ko am Kon­tur-2-Joy­stick
Bild 1/4, Credit: ROSKOSMOS/O. Kononenko.

Kosmonaut Oleg Kononenko am Kontur-2-Joystick

Wäh­rend die In­ter­na­tio­na­le Raum­sta­ti­on ISS über Eu­ro­pa fliegt, steu­ert Kos­mo­naut Oleg Ko­no­nen­ko mit dem Kon­tur-2-Joy­stick des Deut­schen Zen­trums für Luft- und Raum­fahrt (DLR) den Ro­bo­ter ROK­VISS im DLR-La­bor in Ober­pfaf­fen­ho­fen.
Kon­takt zwi­schen ISS und DLR
Bild 2/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Kontakt zwischen ISS und DLR

Das Kon­tur-2-Missi­ons­team im Ein­satz: Wäh­rend Kos­mo­naut Oleg Ko­no­nen­ko in der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS den Kon­tur-2-Joy­sticks be­dient und da­mit Ro­bo­ter ROK­VISS am Bo­den steu­ert, über­wa­chen und be­treu­en die Wis­sen­schaft­ler des Deut­schen Zen­trums für Luft- und Raum­fahrt (DLR) den Kon­takt und ge­ben An­wei­sun­gen.
Ve­te­ran der Raum­fahrt-Ro­bo­tik: ROK­VISS
Bild 3/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Veteran der Raumfahrt-Robotik: ROKVISS

Ro­bo­ter ROK­VISS wur­de be­reits für fünf Jah­re an der Au­ßen­sei­te der In­ter­na­tio­na­len Raum­sta­ti­on ISS ein­ge­setzt. Sein Qua­li­fi­ka­ti­ons­mo­dell am DLR Ober­pfaf­fen­ho­fen soll nun mit dem Kon­tur-2-Joy­stick von der ISS aus be­dient wer­den. Das DLR-In­sti­tut für Ro­bo­tik und Me­cha­tro­nik ent­wi­ckel­te da­für den Joy­stick und die ent­spre­chen­de Soft­ware. Dem Astro­nau­ten an Bord der ISS wird über den Joy­stick ei­ne Kräf­te-Rück­mel­dung ge­ge­ben.
Pro­be für den ers­ten "Te­le-Hands­ha­ke" aus dem All
Bild 4/4, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Probe für den ersten "Tele-Handshake" aus dem All

Die rus­si­schen Kos­mo­nau­ten Gen­na­dy Pad­al­ka (am Joy­stick) und Oleg Ko­no­nen­ko (auf dem Bild­schirm) trai­nie­ren im Deut­schen Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) für den ers­ten "Te­le-Hands­ha­ke" im Herbst 2015. Dann wird ein Kos­mo­naut an Bord der ISS über den Kon­tur-2-Joy­stick den DLR-Ro­bo­ter Space-Jus­tin be­die­nen, der so fern­ge­steu­ert je­man­dem die Hand schüt­teln wird.

Es liegen zwar nur rund 400 Kilometer zwischen dem Kontur-2-Joystick und dem Roboter ROKVISS im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), und doch ist die Fernsteuerung am 18. August 2015 etwas Besonderes: Kosmonaut Oleg Kononenko fliegt nämlich an Bord der Internationalen Raumstation ISS mit 28.000 Kilometern in der Stunde über die Erde hinweg und steuert den Roboter am Boden aus der Schwerelosigkeit. Dabei bleibt die Verbindung zwischen Himmel und Erde nicht einseitig: Roboter ROKVISS (Robotik-Komponenten-Verifikation auf der ISS) meldet über den Joystick zurück, welche Kontaktkräfte am Boden auftreten. Um 16.37 Uhr mitteleuropäischer Zeit (ISS-Orbit 3775) bewegt sich zum ersten Mal der Metallfinger des Roboterarms - ferngesteuert aus dem All. "In dem Augenblick hat auch Oleg Kononenko nicht nur über eine Kamera gesehen, sondern auch über den Joystick genau gespürt, was in unserem Labor mit dem Roboter geschieht", sagt Dr. Jordi Artigas vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. Im Herbst 2015 soll mit dieser Technologie auch der erste "Tele-Handshake" zwischen ISS und Erde durchgeführt werden: Dann soll der humanoide DLR-Roboter Space-Justin ferngesteuert aus dem All jemandem auf der Erde die Hand schütteln - und das auch mit Kraftrückkopplung.

Roboter als verlängerter Arm des Menschen

Für die Zukunft der Raumfahrt bedeutet diese Technologie der Telepräsenz, dass ein Kosmonaut von einer Raumstation aus seinen robotischen Helfer bedienen könnte, der auf der Oberfläche beispielsweise des Mars feinmotorische Arbeiten ausführt - und dabei würde er durch die Kraftrückmeldung das Gefühl haben, selbst vor Ort zu arbeiten. Beim ersten Test am 18. August 2015 war die Aufgabe zunächst jedoch deutlich einfacher: ISS-Kommandant Oleg Kononenko bewegte den Metallfinger von Roboter ROKVISS in alle Richtungen und berührte zunächst leicht eine Kontur, während Dr. Jordi Artigas ihm die entsprechenden Anweisungen vom Boden aus erteilte. Spezielle Sensoren am Roboter erfassen dabei die Kontaktkräfte beispielsweise bei Kollisionen, diese werden dann über Motoren im kraftreflektierenden Joystick an den Kosmonauten weitergegeben.

Insgesamt nur vier Minuten standen für die Teamarbeit zwischen ISS und DLR zur Verfügung, um die Fernsteuerung aus dem All zu testen - unerwartet hatte zu Beginn des Überflugs wahrscheinlich ein Bauelement der Raumstation die Antenne abgeschattet, und die direkte Funkverbindung ließ auf sich warten. "Wir waren alle sehr angespannt, als der Kontakt nicht unverzüglich zustande kam", sagt DLR-Wissenschaftlerin Cornelia Riecke. Das gesamte Missionsteam im DLR-Labor saß konzentriert an den Konsolen, um den ersten Einsatz des Kontur-2-Joysticks zu begleiten. Dann - nach fast fünf ewig langen Minuten - stand die Verbindung zwischen Weltraum und Erde und die Experimente konnten wie geplant durchgeführt werden. "Die Generalprobe hat reibungslos geklappt, die Technik funktioniert." Um 16.42 Uhr verschwand die ISS dann samt Kosmonaut und Joystick wieder hinter dem Horizont und so aus dem Empfangsgebiet der DLR-Antenne in Weilheim, die zuvor Steuerbefehle und Kraftrückmeldungen aus dem russischen Segment der ISS über das German Space Operations Center (GSOC) des DLR an den Roboter und wieder zurück geleitet hatte.

Anwendungen in Echtzeit

Um durchschnittlich 30 Millisekunden verzögerte sich die Übertragung der Daten. "Eine Zeitverzögerung von etwa 100 Millisekunden entspricht in etwa der menschlichen Reaktionszeit und macht dem Kosmonauten keine Probleme - für die Roboterregelung sind bereits 30 Millisekunden eine sehr große Herausforderung, da der geschlossene Regelkreis zwischen Erde und ISS instabil werden kann", erläutert Dr. Jordi Artigas. Auch der Verlust von Datenpaketen bei der Übertragung erschwert die reibungslose Kooperation von Kosmonaut und Roboter. Hier greift die vom DLR entwickelte Methode "Time Domain Passivity Control" für Telepräsenzsysteme, die eine stabile und hochperformante Operation unter allen möglichen Kommunikationsbedingungen ermöglicht - bis zu Zeitverzögerungen von etwa einer Sekunde.

Am 21. August 2015 sollen bei zwei Überflügen der ISS die Experimente weitergeführt werden, bei denen der Kosmonaut verschiedene Aufgaben mit dem Roboter ausführen wird. Dabei wird er den Metallfinger von ROKVISS in alle Richtungen steuern und unter anderem Konturen auf dem Versuchsaufbau abfahren. Auch dabei wird die Sichtbarkeit der ISS vorgeben, wie viel Zeit für die verschiedenen Experimente zur Verfügung steht. "Wir werden jeweils sieben bis acht Minuten Kontakt mit der ISS haben", erläutert DLR-Wissenschaftler Dr. Bernhard Weber.

Arbeiten auf Mars oder Mond

Das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik forscht bereits seit den 90er Jahren im Bereich der Telerobotik: Auch in der Raumfahrt sollen Mensch und Roboter als Team zusammenarbeiten. Mal steuerten die DLR-Wissenschaftler den Roboterarm ROTEX im Inneren des Space Shuttles vom Boden aus, mal bedienten sie das Flugmodell von Roboter ROKVISS an der Außenseite der ISS. Nun wurde erstmals ein Roboter mit mehreren Freiheitsgraden von der ISS aus mit Kraftrückkopplung gesteuert. "Mit Kontur-2 haben wir somit den nächsten Meilenstein erreicht: Nun verwenden Kosmonauten unsere Technologie, um mit Robotern am Boden zu arbeiten", sagt Prof. Alin Albu-Schäffer, Leiter des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik. Dabei könnte dieser in Zukunft nicht auf der Erde, sondern auf Mars oder Mond stehen und beispielsweise Habitate aufbauen - während er dafür aus einer Raumstation im Orbit ferngesteuert wird.

Kontakt
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    Stra­te­gi­sche Kom­mu­ni­ka­ti­on Raum­fahrt
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Pro­gramm­stra­te­gie Raum­fahrt­for­schung und -tech­no­lo­gie
    Telefon: +49 2203 601-3882
    Hansestraße 115
    51149 Köln
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  • Prof. Dr.-Ing. Alin Olimpiu Albu-Schäffer
    In­sti­tuts­lei­ter
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    In­sti­tut für Ro­bo­tik und Me­cha­tro­nik
    Telefon: +49 8153 28-3689
    Münchener Straße 20
    82234 Oberpfaffenhofen-Weßling
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  • Jordi Artigas Esclusa

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    Telefon: +49 8153 28-3243
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  • Cornelia Riecke

    In­sti­tut für Ro­bo­tik und Me­cha­tro­nik
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  • Dr. Bernhard Weber

    In­sti­tut für Ro­bo­tik und Me­cha­tro­nik
    Telefon: +49 8153 28-2194
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