CSA Cooperation
Bodenkontrolle und Dynamikmodellierung von ISS-Robotern (MSS)
Einführung
Kanadas Beitrag zur Internationalen Raumstation (ISS) ist das Mobile Servicing System (MSS), das aus dem Mobile Remote Servicer Base System (MBS), dem Space Station Remote Manipulator System (SSRMS) und dem Special Purpose Dexterous Manipulator (SPDM) besteht.
Bis jetzt ist die geplante Betriebsart für SSRMS und SPDM die Teleoperation durch einen Astronauten an der Robotik-Workstation in der ISS. Es wird jedoch vorhergesagt, dass diese Art der Bedienung der MSS wegen der geringen Geschwindigkeiten, mit denen SSRMS und SPDM betrieben werden, und wegen der potenziell großen Verschiebungen, die von diesen Manipulatoren ausgeführt werden müssen, viel Zeit der Besatzung in Anspruch nehmen wird. Um die Belastung der Astronauten durch die MSS zu verringern, könnten die Operationen an der MSS alternativ von einer Bodenstation aus durchgeführt werden. SSRMS und SPDM bieten Steuerungsmodi, die sich für den Betrieb am Boden eignen würden. Die Steuerung vom Boden aus wird jedoch durch Beschränkungen der Kommunikationsverbindungen wie Zeitverzögerungen und geringe Bandbreite sowie durch das Fehlen eines guten Situationsbewusstseins des Bedieners behindert. In diesem Zusammenhang bezieht sich das Situationsbewusstsein auf das Wissen des Bedieners über die räumlichen Beziehungen zwischen den Geräten, Merkmalen und Hindernissen am Einsatzort. Das Situationsbewusstsein wird bei jedem ferngesteuerten Einsatz beeinträchtigt, bei dem der Bediener nur auf die an der Ausrüstung angebrachten Kamerabilder beschränkt ist, mit denen er die Baustelle wahrnehmen kann. Um diese Einschränkungen zu überwinden, ist ein Virtual-Reality-Ansatz erforderlich, der dem Bediener das realistische Gefühl vermittelt, das Robotersystem jederzeit vollständig unter Kontrolle zu haben. Dies erfordert eine vorausschauende grafische Simulation des gesamten Robotersystems auf dem Bodenkontrollsystem, um die relativ hohe Datenübertragungszeit (mehr als 5-6 Sekunden) zu kompensieren und eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche für die Programmierung, Steuerung und Überwachung des ferngesteuerten Robotersystems bereitzustellen. Um sicherzustellen, dass die MSS-Operationen sicher vom Boden aus durchgeführt werden können, müssen die vorgeschlagenen Bodenkontrolltechnologien in einer realistischen Umgebung demonstriert werden.
Ground-Control Test-Bed
Um das Bodenkontrollkonzept für MSS in einer repräsentativen Umgebung zu validieren, wurde ein Prüfstand entwickelt, in den das MARCO-System integriert und getestet werden kann. Ziel ist es, die Schnittstellen und die Dynamik von MSS sowie die Einschränkungen bei der Kommunikation originalgetreu zu reproduzieren. Eine der Hauptkomponenten des Prüfstandes ist der MSS Operation and Training Simulator (MOTS): ein Echtzeit-Dynamiksimulator, der derzeit für die Schulung von MSS-Bedienern und für die Betriebsplanung verwendet wird. Er bietet eine realitätsgetreue Simulation des MSS-Betriebs, die die Dynamik des starren und flexiblen Körpers der MSS, ihre Steuerungssoftware einschließlich der relevanten Steuerungsmodi und -funktionen sowie alle relevanten Umwelteinflüsse genau nachbildet. Um die MSS-Bodenkontrolle von MARCO aus zu simulieren, hat CSA eine Schnittstelle zu MOTS hinzugefügt, die es ermöglicht, Befehle zu empfangen und Telemetriedaten auf die gleiche Weise zu übermitteln wie die MSS selbst, nämlich über die ISS-Befehls- und Telemetrieserver.
MARCO
Die vom DLR entwickelte modulare Architektur für Roboterkontrolle (MARCO) ist ein Spin-off des ROTEX-Flugexperiments, das 1993 vom DLR durchgeführt wurde. Im Anschluss an dieses Experiment wurde das Bodensegment weiterentwickelt, um dem System mehr und mehr Fähigkeiten hinzuzufügen. In den letzten Jahren hat das DLR seine Arbeit im Bereich der Weltraumrobotik auf den Entwurf und die Implementierung eines aufgabenorientierten Roboterprogrammier- und -kontrollsystems auf hohem Niveau konzentriert. Ziel war es, ein einheitliches Konzept für eine flexible, hochgradig interaktive, online programmierbare Teleoperations-Bodenstation sowie ein Offline-Programmiersystem zu entwickeln, das alle sensorbasierten Steuerungsfunktionen enthält, die teilweise im ROTEX-Szenario getestet wurden. Zusätzlich zur früheren ROTEX-Bodenstation sollte es jedoch die Fähigkeit besitzen, ein Robotersystem auf einer impliziten, aufgabenorientierten Ebene zu programmieren, einschließlich eines hohen Maßes an Autonomie an Bord.
Das aktuelle System bietet eine sehr flexible Architektur, die leicht an anwendungsspezifische Anforderungen angepasst werden kann. Um die Roboter immer intelligenter zu machen, basiert die Programmier- und Kontrollmethodik auf einer umfassenden Nutzung verschiedener Sensoren wie Kameras, Laser-Entfernungsmesser und Kraft-Drehmoment-Sensoren. Sie kombiniert die sensorbasierte Teleprogrammierung (als Grundlage für die On-Board-Autonomie) mit den Merkmalen der Telemanipulation unter Zeitverzögerung (gemeinsame Steuerung durch Bedienereingriff). Roboteroperationen in einer bekannten Umgebung, z.B. zur Unterstützung oder sogar zum Ersatz eines Astronauten bei Aktivitäten innerhalb des Fahrzeugs, können vollständig vorprogrammiert und am Boden verifiziert werden - einschließlich der sensorischen Rückkopplungsschleifen - für die weitere sensorgestützte autonome Ausführung an Bord. Ein Nutzer der Nutzlast, der normalerweise keine Kenntnisse in der Robotik hat, kann die gewünschten Aufgaben in einer virtuellen Welt leicht zusammenstellen. Als Mensch-Maschine-Schnittstelle wird eine hochentwickelte VR-Umgebung mit DataGlove und Hochleistungsgrafik bereitgestellt.
Übrigens kann MARCO auch als Telepräsenzsystem verwendet werden, ohne dass die meisten grafischen VR-Umgebungen benötigt werden. Für Serviceaufgaben in einer unbekannten oder nur teilweise bekannten Umgebung, z.B. das Einfangen und Reparieren eines ausgefallenen Satelliten oder die Montage und Wartung von ISS-Modulen, ist ein hohes Maß an Flexibilität bei der Programmierung und Steuerung erforderlich. Außerdem muss der Bediener den Eindruck haben, die Objekte in der Umgebung direkt mit dem Robotersystem als "verlängertem Arm" in den Weltraum zu manipulieren. Für diese Aufgabe muss die Möglichkeit gegeben sein, über haptische Eingabegeräte und visuelles Feedback unmittelbar mit der entfernten Umgebung zu interagieren.
1999 wurde MARCO für die Teleoperation des Robotermanipulators auf dem japanischen Satelliten ETS-VII eingesetzt. Das verbesserte MARCO-System wird nun eingesetzt, um zu zeigen, dass MSS-Operationen sicher vom Boden aus durchgeführt werden können.
Programmierung und Kontrollmethodik
Ein nicht spezialisierter Benutzer - z.B. ein Nutzlast-Experte - sollte in der Lage sein, das Robotersystem im Falle einer internen Wartung in einer Raumstation (d.h. in einer bekannten Umgebung) fernzusteuern. Für externe Wartungsarbeiten (z.B. die Reparatur eines defekten Satelliten) ist jedoch eine hohe Interaktivität zwischen Mensch und Maschine erforderlich. Um diese Anforderungen zu erfüllen, basiert der Entwurf des Programmiersystems auf einem 2in2-Schichten-Konzept, das die hierarchische Kontrollstruktur von der Planungs- bis zur Ausführungsebene darstellt:
Auf der Benutzerebene wird der Befehlssatz auf das reduziert, "was" getan werden muss (Planungsebene). Auf dieser aufgabenorientierten Ebene werden keine spezifischen Roboteraktionen berücksichtigt. Auf der anderen Seite muss das Robotersystem wissen, "wie" die Aufgabe erfolgreich ausgeführt werden kann, was in der Expertenebene (Ausführungsebene) beschrieben wird.
Experten Ebene
Auf der untersten Systemebene ist der Sensorsteuerungsmechanismus aktiv. In Anlehnung an den Menschen haben wir ihn Reflex genannt, was bedeutet, dass alle Aktionen, die auf dieser Ebene initiiert und ausgeführt werden, vollautomatisch ausgeführt werden. Auf dieser Ebene wird ein Paradigma des Lehrens durch Zeigen verwendet, um die Referenzsituation, die der Roboter erreichen soll, aus der Sicht der Sensoren darzustellen: In der virtuellen Umgebung werden die nominalen sensorischen Muster gespeichert und entsprechende Reaktionen (der Roboterbewegungen) auf Abweichungen im Sensorraum erzeugt. Die Expertenprogrammierschicht wird durch die Ebene Elemental Operation (ElemOp) vervollständigt. Sie integriert die Sensorsteuerung mit der Positions- und Endeffektorsteuerung. Im Telemanipulationsmodus generiert der Benutzer Positionsbefehle und wählt die geeigneten Sensorsteuerungsstrategien für die Pfadverfeinerung aus (gemeinsame Steuerung).
Benutzer Ebene
Die aufgabenorientierte Ebene bietet eine leistungsstarke Mensch-Maschine-Schnittstelle für einen einfachen Benutzer, der mit Robotik nicht so vertraut ist. Eine Operation ist durch eine Abfolge von ElemOps gekennzeichnet, die die roboterabhängigen Aktionen verbirgt. Für den Benutzer einer Operation ist der Manipulator völlig transparent. Das bedeutet, dass der Benutzer sich keine Gedanken darüber machen muss, was der Roboter genau tut, d.h. die Roboteraktion ist offensichtlich "versteckt". Um die Operationsebene anzuwenden, muss der Benutzer das Objekt/den Ort auswählen, das/den er bearbeiten möchte, und die Objekt-/Orts-Operation starten: Über eine 3D-Schnittstelle (DataGlove oder SpaceMouse) kann ein Objekt ergriffen und an einen geeigneten Ort bewegt werden. Nachdem der Benutzer alle Objekte an ihre Zielorte verschoben hat, kann die Ausführung der generierten Aufgabe gestartet werden. Das System bietet Statusinformationen und umfassende Schnellübersichten zur Überwachung der Task-Ausführung.
MSS Kontrolle
Um das Konzept des MSS-Betriebs vom Boden aus zu validieren, wurde ein Demonstrationsszenario entworfen, bei dem die MARCO-Software zur Steuerung des MSS-Betriebs- und Schulungssimulators (MOTS) verwendet wird. Das MARCO-System wurde über eine Schnittstellenaufgabe in der MARCO-Kontrollstation an die Befehls- und Telemetrieschnittstellen des MOTS angepasst.
System-Schnittstellen
Zur Herstellung der Kommando- und Telemetriedatenübertragungsverbindungen wurde das Telerobotiksystem des DLR über eine Client-Server-Kommunikation mit MOTS verbunden. Um die Kommunikation für das ursprüngliche MARCO-System transparent zu machen, wurde ein Schnittstellencomputer installiert, der als Datenumwandlungsstation zwischen MARCO und MOTS fungiert. Das bedeutet, dass die MARCO-Schnittstellenstruktur an die bestehenden MOTS-Schnittstellen und deren Timing angepasst wurde. Dieser Ansatz hat sich während der ETS-VII-Weltraumroboter-Mission sehr gut bewährt.
MOTS wird als dynamische Engine verwendet, um Kontrollschleifen in der Bodensimulation mit dem gleichen Verhalten zu schließen, wie es auf dem realen SSRMS im Weltraum erwartet wird. Die aktuellen Eingabegeräte wie SpaceMouse oder DataGlove werden durch zwei Joysticks ergänzt, von denen einer für die Positions- und der andere für die Orientierungssteuerung des Manipulators zuständig ist, um eine originalgetreue Nachbildung der Benutzeroberfläche an Bord zu schaffen.
Diese Konfiguration ist geeignet, um alle Funktionen zur Telemanipulation des SSRMS bereitzustellen, so wie es die Astronauten tun werden. Darüber hinaus können wir die Steuerungsfunktionen von MARCO demonstrieren, wie z.B. Aufgabenzerlegung, Bahnplanung, Kollisionsvermeidung, redundante Kinematik, sensorgestützte Steuerung und gemeinsame Steuerung. Die MARCO-Architektur zur Steuerung von Robotern im Weltraum umfasst alle Funktionen zur Programmierung, Steuerung und Überwachung der MSS auf der ISS. Es stehen verschiedene Teleoperationsmodi zur Verfügung, von der direkten Telemanipulation bis zur aufgabenorientierten Programmierung und Ausführung.
Sensorgestützte lokale Autonomie
Wie vor einigen Jahren im ROTEX-Experiment gezeigt wurde, ist der Ansatz der prädiktiven Grafik, der auch die Simulation aller verfügbaren Sensoren (Kraft-Drehmoment-, Entfernungs-, Sicht- oder sonstige Sensoren) umfasst, ein sehr hilfreiches Werkzeug, um die lokalen Regelkreise auf der Grundlage von Sensordaten zu testen und zu verifizieren, sogar am Boden. Trotz des Mangels, dass MARCO keine eigenen Steuerungen an Bord der ISS installieren kann, wäre es möglich, autonome Aufgaben mit dem MBS auszuführen, z.B. mit Hilfe der auf der SSRMS montierten Sichtsysteme. Alle Objekte, die mit dem Endeffektor (EE) des SSRMS gegriffen werden können, sind mit einem Power and Data Grabble Fixture (PDGF) ausgestattet. Auch die SSRMS selbst ist über eine solche PDGF mit der ISS verbunden: PDGFs sind runde, antennenähnliche Vorrichtungen, die für die mechanische Betätigung und die Strom-, Energie- und Datenübertragung zu und von einer Vielzahl von Geräten und Nutzlasten über zwei Paare von Nabelanschlüssen ausgelegt sind. Die Strom- und Datenverbindungen werden zu und von beiden Enden des SSRMS sowie zu und von jeder mit einem PDGF ausgestatteten Nutzlast geliefert. Der PDGF dient auch als Basis für die SSRMS und SPDM. Viele von ihnen werden um die Außenstruktur der Station herum angeordnet sein, so dass der Arm buchstäblich Hand in Hand gehen kann. Ein PDGF verfügt über eine Zielmarkierung, um die Astronauten bei der Telemanipulation des SSRMS zu unterstützen (siehe die Zielmarkierung mit den beiden gekreuzten Linien im eingerahmten Bereich von Abbildung 4).
Ähnlich wie bei der ETS-VII-Mission kann diese "operative" Markierung verwendet werden, um die EE automatisch in eine Position zu bringen, von der aus der PDGF leicht angebracht werden kann. Die Bildanalyse generiert die erforderlichen Befehle, um die EE mit dem PDGF auszurichten. In der MARCO-Terminologie ausgedrückt, kann diese visuelle Servo-Aufgabe als ein Reflex betrachtet werden. Unter der Annahme, dass ein korrektes Modell der PDGF-Marker und der Kameras zur Verfügung steht, bietet MARCO eine Simulationsumgebung, mit der Sie die gesamte visuelle Servo-Aufgabe vollständig am Boden vorbereiten, testen und überprüfen können, ohne das reale Raumfahrtsystem anzuschließen.
Derzeit müssen wir die autonomen Verhaltensweisen, d.h. MARCOs Reflexschicht, am Boden implementieren, mit allen Einschränkungen, die die Up- und Downlink-Kommunikation betreffen. Ähnlich wie bei der Arbeit an der ETS-VII wenden wir eine Move-and-Wait-Strategie an, bei der wir die aktuellen Videobilder abrufen, die PDGF-Marker extrahieren und entsprechende Bewegungsbefehle generieren, die an den Roboter an Bord gesendet werden (siehe Abbildung 2). In der MARCO-Philosophie befindet sich die Reflexschicht auf der untersten Ausführungsebene (siehe Abbildung 1), d.h. "in der Nähe" der Robotersteuerung, die eigentlich alle lokalen Regelkreise, wie z.B. das autonome visuelle Servoing, integrieren sollte. Für die Zukunft wäre es schön, die Möglichkeit zu haben, die Reflexschicht in den SSRMS-Bordcontroller zu integrieren.
Eine weitere Anwendung für die visuelle Bahnverfeinerung könnte eine aktive Schwingungsdämpfung sein, die den gleichen visuellen Servo-Ansatz wie oben beschrieben verwendet. Aufgrund der inhärenten Schwingungen am Tool Center Point (TCP) des SSRMS - die Länge des SSRMS beträgt etwa 17 Meter - wäre es sehr hilfreich, insbesondere zeitsparend für den Bediener, wenn eine gewünschte Bewegung schneller zum Stillstand käme als ohne aktive Dämpfung.
Pfad Planung
Im aktuellen Zeitplan für die SSRMS-Aktivitäten, die von den Astronauten per Telemanipulation durchgeführt werden, handelt es sich bei den meisten Aufgaben um Transferbewegungen von Montageteilen aus der Ladebucht des Shuttles zu einem Zielpunkt auf der ISS. Jeder kann sich vorstellen, dass diese Aufgaben sowohl sehr zeitaufwändig als auch schwierig zu erledigen sind, da das SSRMS während der Transferbewegung viele Male neu konfiguriert werden muss. Das bedeutet, dass nur 6 Gelenke des SSRMS während einer Armbewegung verwendet werden können, da das 1. oder 2. Gelenk immer blockiert ist. Daher schlagen wir vor, die gesamte Bahn am Boden zu planen, indem wir das geometrische Modell des Shuttles, des SSRMS und der ISS verwenden und dabei alle 7 Gelenke des SSRMS einsetzen. Wir schlagen vor, die Bahn autonom an Bord auszuführen, natürlich unter Aufsicht der Bodenkontrollstation. Die in MARCO integrierte Bahnplanungskomponente verwendet eine schnelle Methode mit linearer Komplexität in der Anzahl der Freiheitsgrade (DOF). Sie hat sich als sehr effizient erwiesen, da sie auf eine vollständige Darstellung des hochdimensionalen Suchraums verzichtet. Im Gegensatz zu den meisten bekannten Bahnplanungsansätzen, deren Komplexität von quadratisch bis exponentiell reicht, kann sie auch für Roboter mit einer beliebigen Anzahl von DOFs angewendet werden.
Redundante Kinematik
Zusätzlich zum Pfadplanungsansatz, der alle 7 DOFs des SSRMS nutzt, könnte ein redundanter Modus bei kartesischen Bewegungen sehr nützlich sein. Stellen Sie sich vor, der Bediener möchte den TCP ein wenig weiter bewegen, aber eines der langen Glieder des SSRMS würde mit einem anderen Teil der ISS kollidieren. Dann muss der Bediener in einen Joint-Level-Modus wechseln, um das SSRMS in eine Position zu bringen, in der die Bewegung nicht mehr kollidiert. Aber jeder Modus auf der gemeinsamen Ebene ändert den aktuellen TCP, was unerwünscht sein könnte, denn der SSRMS sollte die aktuelle TCP-Position halten. Andernfalls könnte es zu Kollisionen zwischen dem getragenen Objekt, das am TCP befestigt ist, und einem anderen Teil kommen. Ähnlich wie beim menschlichen Arm hält eine redundante Bewegung den TCP und bewegt die Armglieder in eine Konfiguration, die für die Fortsetzung der aktuellen Bewegungsaufgabe geeignet ist.
Telepräsenz-Anwendung
Für Serviceaufgaben auf der ISS, z.B. die Wartung der jeweiligen Module, ist ein hohes Maß an Flexibilität bei der Programmierung und Steuerung erforderlich. Zusätzlich muss der Bediener den Eindruck haben, die Objekte in der Umgebung mit dem Robotersystem als "verlängertem Arm" direkt in den Raum hinein manipulieren zu können. Für solche Aufgaben sollte die Möglichkeit gegeben sein, über haptische Eingabegeräte und direktes visuelles Feedback unmittelbar mit der entfernten Umgebung zu interagieren. Die entsprechenden Anforderungen für Telepräsenzanwendungen können durch die Steuerungs- und Programmierfunktionen von MARCO leicht erfüllt werden. Dies erfordert jedoch eine andere Art von Kommunikationsinfrastruktur an Bord der ISS als die bestehende. Derzeit untersuchen wir die Möglichkeit, genau diese Kommunikationsstrukturen auf dem europäischen Teil der ISS einzurichten, um direkte Kommunikationsverbindungen (Daten und Video) mit deutlich reduzierten Zeitverzögerungen (von mehreren Sekunden auf etwa einige hundert Millisekunden) zu ermöglichen.