Telepräsenz auf der ISS: Fernsteuerung mit Rückkoplung

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 flog 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

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 soaus 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.

Telepräsenzsystem: Steuerung 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.

Fotostrecke

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 – 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 – 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.

Fotos: DLR (CC-BY 3.0)