Robotik Weltraumroboter nach dem Baukastenprinzip entwickeln

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Bisher sind Roboter für den Weltraum missionsspezifisch aufgebaut. Der Nachteil: Eine neue Weltraummission erfordert auch eine neue Konstruktion. Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und die Universität Bremen wollen das mit einem modularen Baukastensystem ändern.

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Vom hochspezialisierten Roboter zum flexiblen rekonfigurierbaren System: Der hominide Roboter Charlie ist dank modularer, biologisch inspirierter Sturkturelemente äußerst flexibel.
Vom hochspezialisierten Roboter zum flexiblen rekonfigurierbaren System: Der hominide Roboter Charlie ist dank modularer, biologisch inspirierter Sturkturelemente äußerst flexibel.
(Bild: DFKI, Thomas Frank)

Das Projekt Mod Kom – Modulare Komponenten als Building Blocks für anwendungsspezifisch konfigurierbare Weltraumroboter – zielt auf einen Paradigmenwechsel in der robotischen Raumfahrt ab: weg von den üblicherweise monolithischen, hochspezialisierten und missionsspezifisch ausgelegten Robotern, hin zu frei konfigurierbaren Systemen für verschiedene Missionsszenarien. Das Robotics Innovation Center des DFKI und die Arbeitsgruppe Robotik der Universität Bremen wollen in dem von der DLR-Raumfahrtagentur mit Mitteln des BMWi geförderten Projektes innerhalb von drei Jahren eine modulares Baukastensystem für robotische Weltraumtechnologien erforschen und aufbauen. Als Grundlage sollen Modularisierungskonzepte dienen, die in vergangenen Projekten erarbeitet wurden. Daraus hervorgegangene Technologien, etwa das Open-Source-Softwareframework „Rock“ oder die elektromechanische Schnittstelle EMI sowie weitere Hardware- und Softwarekomponenten werden laut DFKI integriert und weiterentwickelt.

Granularitätsebenen gliedern das Baukastensystem

Die geplante Baukastensystematik soll alle notwendigen software- und hardwaretechnischen Komponenten beinhalten, die es zum Aufbau frei konfigurierbarer mobiler Roboter braucht. Diese gliedern die Bremer Wissenschaftler in unterschiedliche Granularitätsebenen: Zur untersten Ebene gehören beispielsweise Komponenten, die Grundfunktionalitäten zur Systementwicklung liefern wie Gelenke, Strukturelemente oder Elektronikbausteine. Untereinander lassen sich diese Funktionseinheiten mithilfe standardisierter Schnittstellen zu Subsystemen kombinieren, welche ihrerseits spezifiziert und auf einer höheren Granularitätsebene in den Baukasten aufgenommen werden.

Die Roboter SherpaTT und Coyote III bei terretrischen Analogtests in Utah. Die Systeme sind mit standardisierten Schnittstellen ausgerüstet, die das Andocken zusätzlicher Funktionsmodule wie Manipulatoren oder Sensoreinheiten ermöglichen.
Die Roboter SherpaTT und Coyote III bei terretrischen Analogtests in Utah. Die Systeme sind mit standardisierten Schnittstellen ausgerüstet, die das Andocken zusätzlicher Funktionsmodule wie Manipulatoren oder Sensoreinheiten ermöglichen.
(Bild: DFKI, Florian Cordes)

Mit steigender Granularität wird nach Angaben des DFKI eine Ebene von Funktionseinheiten erreicht, die den Aufbau ganzer Systeme ermöglicht, z.B. durch die Kombination von stationären und mobilen Plattformen mit Sensoreinheiten, Nutzlastcontainern oder Manipulatoren. Dank einer übergreifenden Softwarearchitektur können diese Systembausteine auch während der Laufzeit nach dem Plug and Play-Prinzip implementiert werden. Im Projekt entwickelte Schnittstellen sollen zudem den Einsatz von Lern- und Optimierungsverfahren ermöglichen, mit denen sich automatisch geeignete Hardware- und Softwarekonfigurationen generieren und einzelne Module an das Gesamtsystem anpassen lassen.

Die Vorteile der Baukastensystematik

Die Vorteile der Modularisierung von robotischen Systemen sind laut DFKI vielfältig:

  • Eine am Beginn ihrer Entwicklung nicht vorgesehene Funktionalität kann nachträglich hinzugefügt werden. Die Systeme können so flexibel an die Anforderungen unterschiedlicher Missionen anzupasst werden.
  • Durch die Wiederverwendbarkeit der einzelnen Module und Komponenten lassen sich Entwicklungs- und Qualifizierungszyklen auf der Erde deutlich verkürzen und kostengünstiger gestalten.
  • Durch standardisierte Schnittstellen oder spezielle Adapter können auch ursprünglich nicht kompatible, kommerziell erhältliche Komponenten und Schnittstellen zum Baukasten hinzufügt werden.
  • Modularer Systeme besitzen eine größere Robustheit gegenüber Ausfällen. Fehlerhafte Module können schnell und unkompliziert ausgetauscht werden.

Module zur Rekonfiguration austauschen

Die Forschenden wollen die Leistungsfähigkeit der im Projekt Mod Kom entwickelten Systematik anhand eines komplexen mobilen Manipulationssystems demonstrieren. Es soll ausschließlich unter Verwendung des robotischen Baukastens realisiert werden. Dafür kombinieren die Projektpartner einen modular aufgebauten Manipulator mit einer existierenden mobilen Kaufplattform. Ziel ist es, mit dem Endeffektor des Manipulators Module zur Rekonfiguration auszutauschen, und so die Funktionsfähigkeit des Baukastensystems unter Beweis zu stellen. Durch den Einsatz kommerzieller Komponenten wollen die Forschenden nicht nur zeigen, wie bestehende externe Systeme in den Baukasten integriert, sondern auch, wie flexibel einzelne Elemente miteinander verbunden werden können.

Gelenk DFKI-X für den Weltraumeinsatz qualifizieren

Außerdem wollen die Wissenschaftler das Gelenk DFKI-X für den Weltraumeinsatz qualifizieren. Dazu wird es als Bestandteil des Baukastens ausgewählt und derart weiterentwickelt, dass ein möglichst breites Anwendungsspektrum abgedeckt und so eine optimale Wertschöpfung erreicht wird. Der erarbeitete Entwicklungs- und Qualifizierungsprozess soll auch dazu dienen, den Kosten- und Zeitaufwand für die Qualifizierung weiterer Module des Baukastens und damit dessen praktische Umsetzbarkeit für zukünftige Weltraummissionen abzuschätzen.

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