EAGLE - Exoskeletal Adaptive Gravitational Leverage Equipment: Eine technologische Lösung zur Optimierung der Mobilität von Astronauten bei Extraterrestrischen Missionen.
Astronautinnen und Astronauten sind während ihrer Weltraummissionen extremen Bedingungen ausgesetzt. Eine davon sind Veränderungen der Schwerkraft und der Schwerkraftrichtung, die eine Vielzahl von Herausforderungen für die Astronauten mit sich bringen. So belastet beispielsweise die vollständige Schwerelosigkeit auf der ISS die Muskulatur und das Herz-Kreislauf-System der Astronauten erheblich. Um den Verlust von Muskelmasse auszugleichen, müssen Astronautinnen und Astronauten täglich mehrere Stunden trainieren. Darüber hinaus benötigen Astronautinnen und Astronauten, die zum ersten Mal fliegen, eine gewisse Eingewöhnungszeit in Schwerelosigkeit, damit ihr motorisches System feinmotorische Bewegungen wieder präzise ausführen kann.
Während der 42., 44. und 46. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR haben wir mit unseren Exoskeletten, dem Recupera REHA- und dem UBEX-System, den Einfluss des Trainings feinmotorischer Bewegungen unter simulierter Mikrogravitation untersucht.
In dem aktuellen Experiment möchten wir nachweisen, dass unser UBEX-Exoskelett in der Lage ist die, während eines Parabelflugs auftretenden wechselnden Gravitationskräfte mithilfe der aktiv geregelten Gelenke des Exoskelett Systems in Echtzeit zu kompensieren. Diese Art der online Adaptation an die unterschiedlichen Kräfte und Kraftrichtungen ermöglicht es uns zukünftig gezielt Kräfte in die Arme und perspektivisch mit einem Ganzkörper-Exoskelett auf Arme und Beine eines Astronauten einzuleiten, um kontinuierlich Erdgravitation zu simulieren.
Ein Exoskelett, das die auf der Erde wirkenden Gravitationskräfte während beliebiger Aktivitäten simuliert, würde effiziente Bewegungen unterstützen, beispielsweise solche, die für die Fernsteuerung robotischer Systeme mittels Exoskeletts erforderlich sind. Unter wechselnden Gravitationsbedingungen ist dies jedoch nur möglich, wenn ein solches System in der Lage ist, die zuvor beschriebenen unterschiedlichen Gravitationskräfte zu kompensieren.
Darüber hinaus würde ein aktives Exoskelett, das von einem Astronauten oder einer Astronautin über längere Zeiträume am Tag getragen wird, den Verlust von Muskelmasse reduzieren und gleichzeitig als Trainingsgerät dienen können, indem gezielt und kontrolliert zusätzliche Kräfte auf den Körper ausgeübt werden.
Experiment
Die Komplexität der Regelung wird im Verlauf der Flugtage immer weiter erhöht. Hierzu werden beim ersten Flug lediglich 2 der 4 aktiven Gelenke in die Regelung einbezogen am zweiten Tag 3 und am letzten Tag alle 4. Für die drei Flüge verfolgen wir unterschiedliche Ziele hinsichtlich der Komplexität der Regelung.
Grundsätzlich möchten wir das Exoskelett adaptiv regeln, sodass es die während des Fluges auftretenden variierenden Gravitationskräfte kompensiert. Diese reichen von 0 g während der Parabel über etwa 1,8 g während der Hyper-g-Phase beim Einleiten und Abfangen der Parabel bis hin zu 1 g im stationären Flug.
Das Exoskelett wird grundsätzlich drehmomentgeregelt betrieben und verwendet einen Regelmodus, der als Gravitationskompensation bezeichnet wird. In diesem Modus erzeugt jedes aktive Gelenk genau das Drehmoment, das erforderlich ist, um die von diesem Gelenk getragenen Teile der Exoskelett Struktur in einer stabilen Position zu halten.
Am Boden ist dies vergleichsweise einfach, da die Gravitationskräfte konstant sind. Während eines Parabelflugs ändern sich diese Kräfte jedoch fortlaufend. Daher muss sich die Regelung des Exoskeletts mithilfe der Messdaten einer Inertial Measurement Unit (IMU) kontinuierlich an die aktuellen Bedingungen anpassen.