Ein EPFL-Roboter im Weltraum

Im Projekt METERON untersucht die Europäische Weltraumorganisation (ESA), wie fortschrittliche Roboter zur Reparatur von Satelliten im Orbit oder zur Sondierung feindlicher Umgebungen wie der Mars- und der Mondoberfläche eingesetzt werden können. Geplant ist, dass Astronauten die Roboter von der Internationalen Raumstation (ISS) aus über eine haptische Schnittstelle steuern, die es ihnen ermöglicht, jede Bewegung zu "fühlen".

Für dieses Projekt hat sich die ESA für eine Schnittstelle auf Basis des berühmten Delta-Roboters entschieden, der vor 34 Jahren von Reymond Clavel an der EPFL School of Engineering entworfen wurde. Das neue Gerät, das von Force Dimension - einem Spin-off der VRAI-Gruppe der EPFL unter Leitung von Charles Baur - entwickelt wurde, erreichte Anfang dieses Monats die ISS.

Da es auf den Mars- oder Mondoberflächen derzeit keine ferngesteuerten Rover gibt, setzt die ISS-Crew Roboter auf der Erde ein. Ein erster Test ist bereits erfolgt, und die Ergebnisse waren sehr gut. Die ISS-Astronauten benutzten die deltabasierte Steuerung sigma.7, um einen Roboter in einer ESA-Anlage in den Niederlanden zu steuern. Der Roboter wurde über einen Hindernisparcours zu einer Probenentnahmestelle geführt, wo er Gestein sammelte. Am 25. November fand eine öffentliche Demonstration statt.
 

Realistisches haptisches Feedback

Das Konzept besteht aus zwei Maschinen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die erste ist ein Roboter mit variabler Geometrie, ausgestattet mit Technologie, einschliesslich eines Beschleunigungssensors, Wägezellen und anderer Sensoren, die es ihm ermöglichen, mit seiner Umgebung zu interagieren. Die zweite ist die haptische Steuerung sigma.7 - an Bord der ISS -, die sieben Bewegungsgrade ermöglicht. Sie bietet ein Force-Feedback, wenn sich der Roboter bewegt und Objekte berührt, was den Astronauten ein realistisches Gefühl für die Umwelt vermittelt. "Das Feedback ist so naturgetreu, dass der Bediener zwischen harten, weichen, glatten und rauen Oberflächen unterscheiden kann", erklärt Force Dimension-Mitbegründer François Conti. "Der Roboter funktioniert wie ein Avatar. Es ist, als ob der Astronaut tatsächlich persönlich auf der Oberfläche war."

Das Ganze geschieht in nahezu Echtzeit. "Die Kommunikation zwischen Erde und Mond kann zu einer Verzögerung von wenigen Sekunden führen", sagt François Conti. "Aber die ESA arbeitet an neuen Technologien, die diese Verzögerung ausgleichen werden. Von einer Raumstation im Mondorbit aus wird ein komplexer Telebetrieb möglich."

In Zukunft werden Astronauten Oberflächenroboter von der Umlaufbahn um den Mond oder Mars oder von einer Planetenbasis aus steuern.

Der Roboter im ESA-Werk in den Niederlanden

"Selbst auf dem Mond dauert es Stunden, bis ein Astronaut für einen Einsatz vorbereitet ist, nur um einen Anzug anzuziehen und die Luftschleuse vorzubereiten", sagt Jessica Grenouilleau, Meteron-Projektleiterin bei der ESA-Gruppe Exploration Systems. "Wenn Astronauten die Möglichkeit haben, die Roboter in der Nähe in Sicherheit und Komfort ihrer Basis oder ihres Raumschiffs zu steuern, kann viel mehr erreicht werden".

Vibrationsfestigkeit beim Start
Die Geschwindigkeit, Wendigkeit und Leichtbauweise des Delta-Roboters machen ihn zum idealen Kandidaten für Weltraummissionen. Aber die Ingenieure von Force Dimension mussten hart daran arbeiten, die sigma.7-Schnittstelle so zu optimieren, dass sie platzsparend ist und starken Vibrationen durch die Raketentriebwerke standhalten kann. "Trotz eines extrem engen Zeitplans", sagt Conti, "hat das Gerät bis Ende Sommer alle Qualifikationstests bestanden". Der Roboter wurde dann sorgfältig verpackt, bevor er vom Launch Pad 0 auf Wallops Island im US-Bundesstaat Virginia gestartet wurde. Er wurde huckepack mit der Fracht-Versorgungsmission der Cygnus-Sonde an Bord einer Antares-Rakete zur ISS geschickt..

Der Delta-Roboter war ursprünglich für die Verpackung von Schokolade, Keksen und Medikamenten konzipiert und wurde auch im Bereich der Messtechnik eingesetzt. In jüngster Zeit wurde der Delta-Roboter in seiner haptischen Version für die Feinchirurgie und die Tiefsee-Erkundung eingesetzt. Der Roboter ist nun auf dem Weg, den Weltraum zu erobern. "Die Ingenieure der Force Dimension konnten den Spielplatz des Delta-Roboters um den Weltraum erweitern", sagt Reymond Clavel. "Bei der Entwicklung einer Version, die mit den einzigartigen Anforderungen dieser Umgebung umgehen kann, haben sie gezeigt, dass die Deltas noch viel zu bieten haben. Das ist ein bemerkenswerter Erfolg."

1985 entwickelte Reymond Clavel, damals Direktor des Robotic Systems Laboratory 2 (LSRO2) der EPFL, den ersten Delta-Roboter. Es besteht aus drei Armen und arbeitet entlang von vier Achsen, oder Graden an Bewegungsfreiheit. Dank seinem präzisen, ultraschnellen und leichten Design war der Roboter ein sofortiger Hit in der globalen Verpackungsindustrie. Seitdem wurden zahlreiche Versionen entwickelt, deren Anwendungen von Verpackung und 3D-Druck über Präzisionschirurgie bis hin zur Uhrenindustrie reichen. Mit Force Dimension geht der Delta-Roboter jetzt in eine völlig neue Richtung: die Weltraumforschung.