Ein Informationsdienst des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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1 Materialien für den naturwissenschaftlichen Projektunterricht Ausgabe 1/2006 Robotik GEFÖRDERT VOM Ein Informationsdienst des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Sie können präzise und feinfühlig arbeiten. Sie erkunden fremde und gefahrvolle Umgebungen für uns Menschen. Manche von ihnen bewegen sich wie wir auf zwei Beinen. Wieder andere ähneln Lebewesen aus unserer Umwelt. Viele arbeiten Tag und Nacht, um den Menschen das Leben zu erleichtern: Roboter. Sie sind so vielfältig wie zahlreich und ohne sie wäre auf unserer Erde vieles nicht so, wie es heute ist. Auch für Forschungen und Aktivitäten in der lebensfeindlichen Umgebung des Weltraums sind Roboter unverzichtbar. Sie unterstützen die Astronautinnen und Astronauten bei ihren Aufgaben. Dies erfordert den Einsatz modernster Technologien und eröffnet faszinierende Möglichkeiten, um das Wissen über unser Sonnensystem zu vermehren.

2 Luna City News Mond-Ausgabe Luna-City, 24. Dezember 2021 Roboter-Landung auf Ganymed galaktische Presseagentur In der Nacht vom 23. auf den 24. Dezember 2021 wartete man im Kontrollzentrum der europäischen Luft- und Raumfahrtbehörde (European Space Agency) gespannt auf die Nachricht von der erfolgreichen Landung des Raumschiffs Ulysses III. Um genau 2.50 Uhr MEZ war es dann so weit: Ulysses III ist nach einem dreijährigen Flug erfolgreich auf dem Jupitermond Ganymed gelandet. Der erste Schritt zur aktiven Erkundung des größten Mondes unseres Sonnensystems ist getan. Mehr als vier Jahrhunderte nach seiner Entdeckung durch Galileo Galilei im Jahre 1610 bietet sich der Forschung erstmalig die Gelegenheit, die Oberfläche eines der vier Galileischen Monde, die um Jupiter kreisen, ausgiebig zu erforschen und ungeklärte Fragen zu beantworten. Bereits 1995 übermittelte die Sonde Galileo hochauflösende Aufnahmen des Mondes, der fast halb so groß ist wie die Erde. Die Bilder dieser Mission, bei der sich die Sonde in einer Umlaufbahn um den Planeten Jupiter befand, hielten für die Wissenschaft eine Überraschung bereit: Ganymed ist ein eisiger Mond. Die gesamte Oberfläche ist von einer Eisschicht bedeckt. Es wird vermutet, dass der Kern aus geschmolzenem Eis oder Schwefel besteht, der wiederum von einem Mantel aus Silikatgestein umschlossen wird. Vergleichbar mit dem Mond unseres Planeten befinden sich im älteren Teil des Trabanten unzählige urzeitliche Krater. In den jüngeren Regionen, die auf den Bildern heller erscheinen, herrschen ausgedehnte Gebiete mit Gräben und Höhenzügen vor. Mithilfe des Hubble-Teleskops haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine dünne, sauerstoffhaltige Atmosphäre entdeckt. Mit der geglückten Landung des Raumschiffs Ulysses III wird die Erforschung unseres Sonnensystems wesentlich vorangetrieben. Weitere Geheimnisse des Trabanten Ganymed, wie zum Beispiel das exakte Alter und die genaue Beschaffenheit sowohl seines Kerns als auch seiner Oberfläche, können durch diese Mission womöglich gelüftet werden. Ziel der Mission ist neben der Erkundung der Oberfläche das Sammeln und Analysieren von Gesteins- und Bodenproben. Aufgabe 1 Sammelt Informationen über den Mond Ganymed! Findet ihr heraus, welche mittlere Temperatur auf seiner Oberfläche herrscht? Gibt es dort Sauerstoff? Welche Gefahren könnt ihr euch dort für einen Menschen vorstellen? Aufgabe 2 Überlegt gemeinsam, wie die Aufgaben der Mission bewältigt werden können. Welche Hilfsmittel werden zum Beispiel für das Sammeln der Bodenproben benötigt? 2

3 Was sind überhaupt Roboter? Der Begriff Roboter wurde erstmals von dem tschechischen Schriftsteller Karel Ĉapek in dem Schauspiel R.U.R. ( Rossum s Universal Robots, uraufgeführt 1921 in Prag) verwendet. Er leitet sich von robota, dem tschechischen Wort für arbeiten ab und bezeichnet in dem Stück menschenähnliche Maschinen, die die Arbeiter in Fabriken ersetzen. Die Wurzeln unserer heutigen Roboter reichen jedoch noch viel weiter zurück, auch wenn die damaligen Maschinen eher als Automaten (vom griechischen automatos = sich selbst bewegen ) zu bezeichnen sind, da sie konstruktionsbedingt nur jeweils eine einzige Aufgabe erfüllen konnten. Der griechische Mathematiker Archytas (ca v. Chr.) baute antiken Berichten zufolge einen der ersten dieser Automaten; eine dampfbetriebene Taube, die selbsttätig fliegen konnte. Es folgten in den Jahrhunderten viele weitere Modelle; einige erleichterten die Arbeit und andere trugen zur Belustigung der Bevölkerung bei. Mit der Erfindung des mechanischen Uhrwerks im 14. Jahrhundert ergaben sich neue, vielfältige Möglichkeiten und bald darauf tauchten erste Maschinen auf, die schon entfernt an heutige Roboter erinnerten. Es war nun möglich geworden, Bewegungen zeitgesteuert nacheinander folgen zu lassen, ohne dass ein manueller Eingriff in das System erfolgen musste. Als sich im 20. Jahrhundert zunehmend die Elektronik entwickelte, profitierte davon auch die Robotik. Zu den ersten mobilen Robotern gehörten die 1948 von W. Grey Walter gebauten Systeme Elmer und Elsie. Diese dreirädrigen Fahrzeuge konnten eine Lichtquelle ansteuern und Kollisionen mit ihrer Umgebung erkennen. Durch Sensoren war es den Robotern möglich, äußere Einflüsse zu registrieren. Es war nicht mehr wie bei früheren Robotern erforderlich, den vollständigen Bewegungsablauf schon bei der Konstruktion festzulegen. Aufgabe 3 Die Interaktion mit der Umgebung stellt eine wichtige Voraussetzung für Robotereinsätze in unbekanntem Gelände, zum Beispiel auf einem fernen Himmelskörper, dar. Könnt ihr euch denken warum? Stellt euch dazu vor, ihr müsstet mit verbundenen Augen und ohne mit den Händen zu tasten durch eine unbekannte Umgebung laufen. Diese Zashiki Karakuri genannten Puppen wurden seit dem 17. Jahrhundert in Japan gebaut und waren als Luxusgüter bei wohlhabenden Gastgebern beliebt. Die Puppen wurden aufgezogen und setzten sich in Bewegung, sobald eine Tasse mit Tee auf das Tablett gestellt wurde. Nahm ein Gast die Tasse auf, blieb die Puppe stehen und wartete, bis diese wieder zurückgestellt wurde. Nun erfolgte eine Drehung um 180 und die Puppe entfernte sich mit der leeren Tasse. Während der Fahrt bewegten sich Füße und Kopf wippend auf und ab. Der Roboter Elmer konnte mithilfe eines Sensors, der an der höchsten Stelle des Fahrzeugs angebracht war, eine Lichtquelle finden und auf diese zufahren. Das einzelne, drehbare Vorderrad diente der Steuerung und zugleich dem Antrieb, wodurch eine hohe Manövrierfähigkeit erreicht wurde. Die durchsichtige Kunststoffglocke konnte über Schalter Kollisionen mit der Umgebung registrieren. Das Aussehen der Roboter und ihre vergleichsweise langsamen Bewegungen führten zu dem Spitznamen Schildkröte. 3

4 Das Jahr 1956 gilt als das Geburtsjahr der Industrie-Roboter, wie wir sie heute kennen. In diesem Jahr beantragte George Devol in den USA ein Patent für die programmierte Übergabe von Artikeln und nur wenige Jahre danach baute er gemeinsam mit Joseph Engelberger den UNIMATE. Dieser etwa zwei Tonnen schwere Roboter wurde zunächst für die Montage von Fernseh-Bildröhren eingesetzt, fand aber schnell seinen Weg in die Automobil-Industrie, die ihm zu großer Verbreitung verhalf. Die Programme für diesen Roboter wurden in Form von Steuerbefehlen für die Motoren auf einer Magnettrommel gespeichert. Seit diesem Zeitpunkt werden Industrie-Roboter wie der UNIMATE in sehr vielen Bereichen der Produktion eingesetzt und ständig weiterentwickelt, um die komplexen Anforderungen, die an sie gestellt werden, zu erfüllen. Der hydraulisch betriebene UNIMATE wurde elektronisch gesteuert und war der erste kommerziell eingesetzte Roboter, dem viele weitere Modelle folgten. Vor allem die Automobil-Industrie hat sich als treibende Kraft bei der Entwicklung von Industrie-Robotern erwiesen. 4

5 Welche Bedeutung haben Roboter für unsere moderne Welt? Roboter in der Industrie Heute ist die Industrie ohne Roboter nicht mehr vorstellbar. Im Jahr 2003 hat sich alleine in Deutschland, der führenden Roboter-Nation in Europa, die Zahl der Industrieroboter um auf erhöht. Weltweit wurden zu diesem Zeitpunkt ca Industrieroboter eingesetzt. In der Bundesrepublik kommen damit auf Beschäftigte in der verarbeitenden Industrie 148 Roboter. Industrieroboter werden in erster Linie dort eingesetzt, wo immer gleiche Bewegungsabläufe erforderlich sind (zum Beispiel: Loch bohren Schraube aufnehmen Schraube vor dem Bohrloch positionieren Schraube festziehen). Gegenüber einem menschlichen Arbeiter hat der Roboter den Vorteil, dass er schnell und präzise arbeitet, keine Pausen benötigt und gleichmäßig jede Schraube mit derselben Kraft festzieht. Während menschliche Kollegen mit der Zeit ermüden und daher im Mehrschichtbetrieb arbeiten, können Roboter 24 Stunden am Tag, sieben Tage in der Woche durchgehend ihre Arbeit verrichten und müssen nur ab und zu gewartet werden. Industrieroboter im DaimlerChrysler-Werk in Bremen bearbeiten die Karosserie eines Autos. Eine solche Anordnung von Robotern, die Hand in Hand arbeiten, wird als Fertigungsstraße bezeichnet, da das zu fertigende Teil der Reihe nach zu den feststehenden Robotern transportiert wird. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für Roboter sind Arbeiten, die unter für den Menschen schwierigen, unangenehmen oder gefährlichen Bedingungen durchgeführt werden müssen. Dazu gehören unter anderem Schweißarbeiten. Für diese Arbeiten muss ein Mensch Schutzkleidung tragen, seine Augen gegen zu helles Licht schützen, in teilweise unbequemen Positionen (zum Beispiel über Kopf) arbeiten und je nach zu verarbeitendem Material muss er sich zusätzlich vor den entstehenden Dämpfen schützen. Alle diese Maßnahmen sind für einen Roboter nicht erforderlich, da die Gefahren entweder nicht bestehen oder bereits bei der Konstruktion der Maschine berücksichtigt werden können, zum Beispiel in Form von hitzebeständigen Materialien. Aufgabe 4 Recherchiert im Internet nach weiteren Anwendungsgebieten für Industrieroboter. Nachteilig beim Einsatz von Robotern ist, dass sie sich am besten in einer immer gleichen Umgebung zurechtfinden. In einem unbekannten oder ständig wechselnden Umfeld müssen aufwändige Maßnahmen getroffen werden, damit sich die Maschine den Umgebungsbedingungen anpassen kann. Diese Maßnahmen bestehen aus Sensoren, zum Beispiel Kameras, die die Umwelt 5

6 Internationale Raumstation ISS im Juni 2002 erfassen und deren Bilddaten von leistungsstarken Computern ausgewertet werden müssen. Dabei können die Sensoren jedoch nur solche Situationen erkennen, die zuvor dem System bekannt gemacht wurden. Um dieses Problem zu umgehen, werden bei häufig wechselnden Umgebungsbedingungen oft ferngesteuerte, so genannte teleoperierte Systeme eingesetzt. Bei diesen Systemen bewertet ein menschlicher Bediener die Umgebungssituation des Roboters und steuert ihn entsprechend. Roboter in der Raumfahrt Auch in der Raumfahrt werden Roboter eingesetzt. Sie können Astronautinnen und Astronauten bei der Arbeit unterstützen und in gefährlichen Arbeitsbereichen ersetzen. Für einen menschlichen Einsatz im Weltraum müssen viele Maßnahmen getroffen werden, bevor ein Ausstieg aus der Raumstation erfolgen darf. Roboter sind dagegen sofort einsatzbereit. Sie benötigen keinen Raumanzug, keine Sauerstoffversorgung und können bequem per Fernsteuerung bedient werden. An der Außenseite der Internationalen Raumstation (ISS) ist beispielsweise ein Roboterarm montiert, der für viele Operationen verwendet werden kann, die noch vor einigen Jahren von Menschen durchgeführt werden mussten. Die Bewegungen des 17 Meter langen Arms können sowohl aus der Station selbst als auch von der Bodenstation auf der Erde kontrolliert werden. Der Roboterarm wird unter anderem dazu genutzt, Raumfähren zu entladen und neue Module an der Raumstation zu montieren. Herzstück des kanadischen Beitrags zur ISS: Der Roboterarm Canadarm 2 erlaubt mit 17 Metern Länge die Durchführung von Wartungs- und Montagearbeiten im Außenbereich der Station. Der Arm ist die Weiterentwicklung eines Systems, das schon seit einigen Jahren in den Ladebuchten des Space Shuttles eingesetzt wird. Neben der fehlenden Sauerstoffversorgung lauern im Weltraum noch vielfältige andere Gefahren. Bereits in 200 bis km Höhe über der Erde, einem Bereich, der als erdnaher Orbit bezeichnet wird und in dem heute ein großer Teil der bemannten Missionen stattfindet, sind die Astronautinnen und Astronauten beispielsweise kaum noch durch die Erdatmosphäre vor gefährlicher Strahlung aus dem Weltraum geschützt. Dieser fehlende Schutz muss durch entsprechend konstruierte Raumfähren und -anzüge kompensiert werden, um gesundheitliche Schäden zu vermeiden. Dies und die Versorgung der Besatzung mit Nahrung und anderen lebensnotwendigen Dingen machen einen großen Teil der enormen Kosten aus, die eine bemannte Raummission verschlingt. Hinzu kommen die erforderlichen Maßnahmen, um die Astronautinnen und Astronauten wieder sicher zur Erde zurückzubringen. Bei sehr langen Raumflügen, zum Beispiel zum Mars, sind Menschen derzeit praktisch nicht einsetzbar. Die enorme Dauer eines solchen Fluges würde den menschlichen Organismus zu stark belasten und die Sicherheit der Raumfahrer könnte nicht gewährleistet werden. Durch die Schwerelosigkeit im Weltraum werden die Muskeln im menschlichen Körper weit weniger belastet als auf der Erde. Dadurch beginnt die Muskelmasse schon nach kurzer Zeit abzunehmen und die Kräfte der Astronautinnen und Astronauten schwinden. Nach einigen Monaten im All könnten sie sich nicht mehr aus eigener Kraft auf den Beinen halten, wenn sie auf einem entfernten Himmelskörper oder der Erde landen. Um dies zu vermeiden, trainieren die Besatzungs- 6

7 mitglieder bei längeren Aufenthalten, zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation (ISS), täglich mehrere Stunden auf speziellen Geräten. Aufgabe 5 Den Rekord für den längsten Non-Stop- Aufenthalt im Weltraum hält zurzeit ein sowjetischer Kosmonaut. Wie heißt er und wie lange hat er an Bord der Raumstation Mir die Erde umkreist? Wer war die erste Frau im Weltall? All diese Gründe haben dazu geführt, dass heute bereits ein Teil der Weltraummissionen ganz ohne menschliche Besatzungen auskommt. Stattdessen werden Roboter ins All geschickt, die die geforderten Aufgaben durchführen und nach dem Ende der Mission im Weltraum zurückbleiben. In Zukunft wird dieser Teil noch zunehmen, denn mit Robotern ist es möglich, Daten über die angesteuerten Himmelskörper zu sammeln, ohne das Leben von Menschen zu gefährden. Dazu werden sie mit vielfältigen technischen Instrumenten ausgerüstet und können ferngesteuert oder selbstständig Informationen aufnehmen und zur Bodenstation auf der Erde senden. Diese Informationen werden wiederum dazu verwendet, zukünftige (vielleicht auch eines Tages bemannte) Missionen besser vorzubereiten. Solche mit Robotern bestückte Raumfahrzeuge wurden beispielsweise von den USA im Jahr 2003 zum Mars geschickt. Die Roboter Spirit und Opportunity erreichten nach sechsmonatigem Flug unseren Nachbar-Planeten und lieferten dank moderner Technik wertvolle Informationen über seine Beschaffenheit. Dr. Shannon W. Lucid hält den Rekord für die meisten Flugstunden einer Astronautin im Orbit. Insgesamt hielt sie sich 223 Tage im Weltall auf. Ein Flug zum Mars und zurück würde mit der heutigen Technologie zwei bis drei Jahre dauern. Während dieser Zeit müsste die Besatzung extreme Belastungen aushalten. Sollte ein Besatzungsmitglied während dieser Zeit ernsthaft erkranken oder ein anderer Notfall eintreten, ist Unterstützung von außen oder der Abbruch der Mission nicht möglich und daher das Leben der Beteiligten gefährdet. Auf der ISS hingegen ist immer ein Rettungsboot vorhanden. Derzeit wird diese Aufgabe von einer Sojus-Kapsel erfüllt, die ständig an der Station angedockt ist und bis zu drei Personen sicher zur Erde zurücktransportieren kann. Aufgabe 6 Erstellt eine Liste, in der ihr die Vor- und Nachteile einer bemannten Mission zum Mond Ganymed gegenüberstellt! Berücksichtigt dabei die angesprochenen Probleme und überlegt, was sonst noch für Gefahren und Probleme auftreten könnten. Aufgabe 7 Habt ihr schon von den beiden Mars-Robotern gehört? Welche Aufgaben hatten Spirit und Opportunity? Wären sie auch für einen Einsatz auf Ganymed geeignet? Weitere Einsatzmöglichkeiten für Roboter im Weltraum werden so genannte Stand-by-Operationen sein. Darunter versteht man das Bereithalten von Systemen vor Ort zur kurzfristigen Verfügung. Auf diese Weise kann der Zeitund Kostenaufwand für Missionen verringert werden, da beispielsweise kein zusätzlicher Raketenstart erforderlich wird. So kann ein mit einem Roboterarm bestückter Satellit in einer Umlaufbahn um die Erde stationiert werden, um bei Bedarf andere, defekte Satelliten anzusteuern und nach Möglichkeit zu reparieren. Erste Untersuchungen in dieser Richtung erfolgten 1999 im Rahmen der GETEX-Mission des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR) in Kooperation mit der Japanischen Raumfahrtagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Dabei wurden mit dem Roboterarm eines Satelliten von der Bodenstation aus verschiedene Be- 7

8 wegungen ferngesteuert durchgeführt und die Rückwirkung dieser Arm-Bewegungen auf den gesamten Satelliten untersucht. Die Erkenntnisse aus dieser Mission lieferten viele hilfreiche Informationen für nachfolgende On-Orbit-Servicing-Missionen ; Missionen, die ganz allgemein den Einsatz von Robotern für Servicearbeiten im Weltraum beinhalten. Entwicklung von Systemen für die Weltraumrobotik Die Bedingungen im Weltraum und auf fernen Himmelskörpern, wie etwa dem Mond Ganymed, stellen an die dort einzusetzenden Systeme hohe Anforderungen. Die erste Bewährungsprobe erfolgt bereits beim Start. Durch die enormen Beschleunigungen, die beim Start einer Rakete auftreten, sind die Komponenten starken Kräften und Vibrationen ausgesetzt. Dabei dürfen weder einzelne Bauteile Schaden nehmen, noch dürfen sich Kabel- und sonstige Verbindungen lösen. Im Weltraum kommen weitere Probleme hinzu. So müssen die empfindlichen elektronischen Bauteile vor kosmischer Strahlung und Magnetstürmen (Sonnenstürmen) geschützt werden und dürfen im Vakuum keine Substanzen an die Umwelt abgeben (ausgasen), während zugleich die Abfuhr von Verlustwärme sichergestellt werden muss. Diese Wärmeabfuhr kann nicht wie auf der Erde üblich durch Lüfter erfolgen, da das Transportmedium Luft für die Konvektion fehlt. Stattdessen werden häufig so genannte Heat-Pipes eingesetzt, die über Flüssigkeiten in einem geschlossenen Leitungssystem die Wärme zu Metallkörpern mit großen Oberflächen abtransportieren, von wo aus sie durch Wärmestrahlung an die Umwelt abgegeben wird. Auch herkömmliche Computer-Festplatten eignen sich nicht für den Einsatz im luftleeren Raum, da bei diesen die Schreib-/Lesemechanik durch die Drehung der Platten auf einem Luftpolster schwebt, was im Weltraum nicht möglich ist. Hier werden als Ersatz meist elektronische Halbleiterspeicher verwendet, die ohne bewegliche Teile auskommen. Weitere Probleme treten bei den mechanischen Komponenten, zum Beispiel eines Roboterarms, auf. Während auf der Erde bewegliche Teile mit einfachem Öl oder Fetten geschmiert werden können, würden sich diese Materialien im Weltraum verflüchtigen. Es müssen geeignete Alternativen wie zum Beispiel magnetische Lagerungen oder spezielle Schmiermittel verwendet werden. Die eingesetzten Komponenten eines Systems müssen zudem langlebig und wartungsfrei sein, denn die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems hängt vom schwächsten Teil ab. Da ein nachträglicher Austausch defekter Komponenten im Allgemeinen nicht wirtschaftlich ist, wird häufig die Zuverlässigkeit zusätzlich dadurch erhöht, dass wichtige Komponenten mehrfach vorhanden sind (Redundanz). Sollte eine dieser Komponenten ausfallen, wird automatisch das Ersatzteil in Betrieb genommen oder die Aufgaben des defekten Teils werden von anderen Funktionseinheiten übernommen. Das Original ist nach getaner Arbeit aus Kostengründen auf dem Planeten zurückgeblieben. Während seiner dreimonatigen Lebensdauer legte Sojourner eine Strecke von etwa 100 Metern zurück. Spirit schaffte diese Distanz an einem einzigen Tag und lieferte selbst nach über einem Jahr Betrieb noch Informationen an die Bodenstation. Der Mars Exploration Rover Spirit (oben) ist am 4. Januar 2004 erfolgreich auf dem Mars gelandet und lieferte Fotos und wichtige Daten zur Beschaffenheit der Planetenoberfläche. Bereits sieben Jahre zuvor hat sein deutlich kleinerer Vorgänger Sojourner den Grundstein für diese Mission gelegt. Rechts im Bild ist eine Kopie dieses ersten Mars-Roboters zu sehen. 8

9 Vor dem Start werden umfangreiche Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass ein System die hohen Anforderungen der Raumfahrt erfüllt. In Thermal-/Vakuum-Kammern wird die Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse erprobt, während die Simulation von mechanischen Belastungen auf so genannten Rüttelplatten erfolgt. Thermal-/Vakuum-Kammern können nach Bedarf sehr niedrige oder extrem hohe Temperaturen bei gleichzeitigem Vakuum erzeugen, während Rüttelplatten die beim Start einer Rakete auftretenden Vibrationen durch mechanische Schwingungen simulieren. bis zu 15 Kilogramm heben und erreicht damit ein Last-zu-Eigengewicht-Verhältnis größer 1. Zugleich ist die komplette Elektronik bereits in der Fiberglas-Konstruktion des Arms integriert, wodurch keine externe Steuerung mehr benötigt wird. Neben unterschiedlichen Werkzeugen, beispielsweise zum Löten oder Schrauben, kann der Arm auch durch die DLR Hand II ergänzt werden. Diese Roboterhand besteht aus vier Fingern und ist ansonsten weitgehend der menschlichen Hand nachempfunden. Die Finger wiegen jeweils ca. 375 Gramm, die gesamte Hand ungefähr 1,8 Kilogramm. Die Kombination der Hand mit dem Leichtbau-Roboter erlaubt die Bewältigung von vielfältigen Aufgaben nicht nur im Weltraum, sondern auch auf der Erde, zum Beispiel im Bereich der Service-Roboter. Dieses Anwendungsgebiet der Robotik hat die Unterstützung des Menschen im alltäglichen Leben zum Ziel. Diese Thermal-/Vakuum-Kammer erreicht Temperaturen von minus 180 bis plus 150 Celsius bei einem Restdruck von bis zu einem zehnmillionstel Millibar. In dem Gerät können Systeme mit einer Größe von bis zu einem halben Kubikmeter getestet werden. Ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Auswahl von Komponenten für die Raumfahrt ist ihr Gewicht. Zwar muss ein Roboter für den Einsatz im Weltraum robust genug sein, um den Aufprall von kleinen Partikeln (Weltraumstaub) mit hoher Geschwindigkeit unbeschadet zu überstehen, zugleich sollte das Gewicht aber so gering wie möglich gehalten werden. Dies ist erforderlich, da die Nutzlast der eingesetzten Transportraketen begrenzt ist und der Treibstoffverbrauch direkt vom transportierten Gewicht abhängt. Herkömmliche Industrieroboter, wie sie auf der Erde eingesetzt werden, wiegen teilweise über eine Tonne, wobei sie als Last gerade einmal 100 Kilogramm heben können. Somit ergibt sich ein Last-zu-Eigengewicht-Verhältnis, das kleiner als 0,1 ist. Um dieses Verhältnis zu verbessern, wurde der Energie, Gewicht und damit Kosten sparende Leichtbauroboter LWR (Light-Weight Robot) im DLR-Institut für Robotik und Mechatronik entwickelt. In der nunmehr dritten Generation kann dieser Roboterarm bei einem Gewicht von 13,5 Kilogramm eine Nutzlast von Ist ein Robotersystem erst einmal an seinem Einsatzort im Weltraum angelangt, spielt das Gewicht oft nur noch eine untergeordnete Rolle. Bis auf die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun ist die Anziehungskraft (Gewichtskraft) auf den Himmelskörpern unseres Sonnensystems stets geringer als auf der Erde. In der Schwerelosigkeit spielt nur die Trägheit der Massen eine Rolle. Diese begrenzt vor allem die Geschwindigkeit, mit der ein Roboter Gegenstände bewegen kann, und muss daher bei allen Operationen berücksichtigt werden, um eine Zerstörung der Robotermechanik zu vermeiden. Zur Überwachung der auftretenden Kräfte stehen unterschiedliche Sensoren zur Verfügung, die der Robotersteuerung die Minimierung der Belastungen erlauben. Aufgabe 8 Der Arm LWR III mit montierter Hand II bildet ein Robotersystem, das dem menschlichen Greifapparat nachempfunden ist. Findet heraus, welche Masse der Mars- Roboter Spirit hat und wie viel er auf Ganymed wiegen würde. Welche Gewichtskraft würde Spirit dort erfahren? 9

10 Projektarbeit Roboter im Eigenbau Habt ihr Lust selbst einmal einen Roboter aufzubauen und zu programmieren? Es gibt neben einigen fertigen Modellen auch Bausätze, mit denen das sehr einfach möglich ist. Zu den bekanntesten Roboter-Bausätzen gehören die Sets der LEGO MindStorms-Serie. Sie enthalten neben einem Computer-Baustein verschiedene Module, die es den Robotern erlauben, sich zu bewegen und die Umwelt wahrzunehmen. Die Sets enthalten jeweils mehrere Vorschläge für den Aufbau unterschiedlicher Roboter. Die Bauteile können aber auch sehr gut nach euren eigenen Vorstellungen zusammengesetzt werden. Ist der Roboter fertig gestellt, wird er mit einem PC verbunden und von dort aus programmiert. Je nach Aufbau und Programmierung kann der Roboter zum Beispiel eine Linie verfolgen, nach einer Lichtquelle suchen, sich mit anderen Robotern verständigen und vieles mehr. Der Fantasie sind nahezu keine Grenzen gesetzt. Zwei im Projekt Roberta gebaute Lego-Roboter Plattform bildet, und einer Hand voll elektronischer und mechanischer Bauteile. Zunächst müsst ihr die Bauteile entsprechend der beiliegenden Anleitung auf der Platine anbringen. Dabei lernt ihr nicht nur einige wichtige Eigenschaften der eingesetzten Bauteile, sondern gleichzeitig auch den richtigen Umgang mit einem Lötkolben kennen. Zwei Motoren bilden den Antrieb von ASURO und bewegen jeweils ein Rad. Mithilfe einer Kunststoffhalbkugel hält der Roboter sein Gleichgewicht. Dies ermöglicht neben beliebigen Richtungsänderungen sogar das Drehen auf der Stelle. Zusätzlich enthält der Bausatz Kollisionstaster, Helligkeitssensoren und Drehzahlsensoren für beide Räder. Die Drehzahlsensoren erfassen optisch die Umdrehungen der Räder und erlauben so zum Beispiel die Geschwindigkeitsbestimmung. Bei geeigneter Programmierung ist zudem eine Positionsermittlung möglich. Über sechs an der Frontseite angebrachte Taster kann der Roboter Kollisionen mit seiner Umwelt feststellen und darauf reagieren. Mit den Helligkeitssensoren können Farbunterschiede des Bodens unter dem Roboter erkannt und so beispielsweise das Überfahren einer Linie festgestellt werden. Mit dieser Grundausstattung ergeben sich bereits viele Möglichkeiten um eure Ideen umzusetzen. Neben den hier vorgestellten und im Bausatz bereits enthaltenen Modulen ist die Erweiterung des Roboters über eine Steckleiste möglich. Wenn ihr nach einiger Zeit eurem ASURO weitere Fähigkeiten beibringen wollt, könnt ihr über diese Leiste den Roboter mit zusätzlicher Hardware ausbauen. Die Programmierung von ASURO erfolgt, wie schon bei den MindStorms-Robotern, über einen PC. Getriebe Batteriehalter Hauptschalter Drehzahlsensor Kollisionstaster Einen etwas anderen Weg geht der Roboter-Bausatz ASURO, den das DLR entwickelt hat. Das Set besteht aus der Hauptplatine des Roboters, die zugleich die mechanische 1-Euro-Münze 10

11 Roboter-Wettbewerbe In den vergangenen Jahren ist eine Vielfalt von Wettbewerben für Jugendliche und Kinder entstanden, an denen jährlich viele Teams teilnehmen. Eine Auswahl der spannendsten und größten Wettbewerbe wird hier kurz vorgestellt. Unter den angebenen Links findet ihr nähere Informationen und erfahrt, welche Aufgaben bewältigt werden müssen und wie ihr teilnehmen könnt. Mit dem nötigen Teamgeist, viel Engagement und Interesse an der Technologie seid ihr dabei. Ihr erfahrt, welche Einsatzgebiete es für Roboter tatsächlich gibt, und vielleicht ist euer Roboter ja in der Lage, eine echte Mission durch kreative Lösungsansätze zu bewältigen. Viel Spaß ist garantiert und die Gewinner werden mit tollen Preisen belohnt. Was: FIRST LEGO League Wann: September bis Dezember Wer: 270 Teams mit 5 10 Schülerinnen und Schülern zwischen 10 und 16 Jahren (diese Zahl bezieht sich auf werden mehr als 350 Teams erwartet, Tendenz steigend!). Was: RoboCup Junior Wann: April bis Juli Wer: 170 Teams im Alter von Jahren und Jahren (diese Zahl bezieht sich auf werden mehr Teams erwartet, Tendenz auch hier steigend!). Die beiden größten Wettbewerbe sind der FIRST LEGO League und der RoboCup Junior. Was: Formel Spurt Wann: Mai bis Juni Wer: Was: ca. 3o Teams im Alter von Jahren ROBOKING Wann: jährlich Wer: Was: Wann: Mai Wer: Jugendliche von Jahren Eurobot 8 Teams im Alter von Jahren FIRST LEGO League (FLL) ist ein internationaler Wettbewerb mit jeder Menge Spaß. Jedes Jahr wird von Asien über Europa nach Afrika bis Amerika der FIRST LEGO League Champion gesucht. Über 270 Teams starten alleine in Deutschland, um die nächste knifflige Mission mit ihrem Roboter zu bewältigen. 74 Teams aus mehr als 20 Ländern werden im Jahr 2006 zum finalen Wettbewerb nach Atlanta in Amerika fahren und dort 2 1 / 2 Tage lang gegeneinander antreten und ihren Robotern alles abverlangen. In jedem Jahr steht ein Bereich aktueller Forschung im Mittelpunkt des Wettkampfes. Bisherige Themen waren Forschung in der Antarktis (2001), Städtebau (2002), Eroberung des Mars (2003), Roboter helfen Menschen mit Behinderung (2004) und die Erforschung der unbekannten Tiefen der Meere (2005). 11

12 Wer sich beteiligt, kann also einen großen Beitrag zur internationalen Forschung leisten. Kinder und Jugendliche im Alter von Jahren können sich an die Aufgabe begeben und gemeinsam forschen, einen vollautomatischen Roboter bauen, basteln, programmieren, testen und präsentieren alles mit dem Ziel, diese herausfordernde und wichtige Mission zu bewältigen. Der Fantasie sind dabei keine Grenzen gesetzt. Als Roboter werden die Lego-Mindstorm-Systeme eingesetzt. Auch der RoboCup Junior ist ein internationaler Wettbewerb. RoboCup ist forschen, entwickeln, entdecken und jede Menge Fun für alle Kinder und Jugendlichen im Alter zwischen 10 und 18 Jahren. Dabei gibt es verschiedene Disziplinen und Aufgaben. Ihr könnt selbst entscheiden, ob euer Roboter Fußball spielen, eine kreative Tanzperformance darbieten oder als Retter in den Einsatz geschickt werden soll. Die Disziplin Dance ist ein großer Publikumsmagnet. Bei der Umsetzung mit Tanz und Musik sind der Fantasie auch hier keine Grenzen gesetzt. Nicht nur die Roboter werden nach eigenen Vorstellungen programmiert; auch die Kostüme und Verkleidungen für Roboter und Teammitglieder dürfen nach Lust und Laune selber entworfern werden. Das große Ziel soll 2050 erreicht werden. Ein Team aus vollautomatisierten Robotern wird nach den Regeln der FIFA gegen den amtierenden Fußballweltmeister antreten. Auch ihr könnt einen Beitrag zu diesem Zukunftsmatch leisten. Pünktlich zur WM 2006 in Deutschland wird parallel die RoboCup Weltmeisteschaft in Bremen ausgetragen. RoboCup Rescue ist Forschung und Entwicklung von Technologie zur Rettung von Leben bei Naturkatastrophen und anderen bedrohlichen Situationen. Durch solche Technologien können im Notfall mehr Menschen gerettet werden. Der Roboter muss also eine lebenswichtige Mission während des Wettbewerbs durchführen. Er folgt dabei einer schwarzen Linie. Die Opfer bestehen in diesem Fall aus kleinen Figuren, die der Roboter selbstständig finden muss. Jedes Jahr wird der Schwierigkeitsgrad etwas erhöht. Beim Soccer-Wettbewerb gibt es ein verkleinertes Spielfeld und der Soccer-Ball sendet Infrarotsignale aus, die von einfachen Sensoren detektiert werden können. Im Gegensatz zu den Wettbewerben der FIRST LEGO League ist die Plattform für die Robocup-Disziplinen offen. Hier ist z. B. der Einsatz von Robotern auf der Grundlage der vorher vorgestellten ASURO-Systeme denkbar. 12

13 Wie ist ein Robotersystem aufgebaut? Ein Roboter ist ein System, das aus mehreren Komponenten besteht: der Mechanik, Sensoren und Aktoren sowie der Steuerung. Die Mechanik legt das Erscheinungsbild des Roboters und die möglichen Bewegungen im Betrieb fest. Sensoren und Aktoren dienen zur Interaktion mit der Umwelt des Systems. Die Steuerung sorgt dafür, dass der Roboter seine Aufgaben erfolgreich ausführen kann, und wertet dazu beispielsweise die Sensorinformationen aus, regelt die Motoren und plant die durchzuführenden Bewegungen. Häufig sind auch menschliche Bediener Teil der Steuerung und geben dem Roboter Befehle, deren Ausführung sie anschließend überwachen. Mechanischer Aufbau Abhängig vom vorgesehenen Einsatzzweck wird zunächst der mechanische Aufbau eines Robotersystems entworfen. Für Montagearbeiten wird zum Beispiel häufig eine Form gewählt, die dem menschlichen Arm ähnelt. Ein solcher Arm mit mindestens drei voneinander unabhängigen Bewegungsachsen kann jeden Punkt innerhalb seiner Reichweite ansteuern. Soll zusätzlich in jedem Punkt ein Werkzeug in jede beliebige Lage gebracht werden können, so sind drei weitere Bewegungsachsen nötig. Ein derartiges System kann Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden ausführen. Die Gelenke A-C (rot) ermöglichen jeweils die Bewegung um genau eine Achse. Sie können über die starren Arme (blau) jeden beliebigen Arbeitspunkt innerhalb der Reichweite des Arms ansteuern. Um einen Greifer an diesem Punkt beliebig (zum Beispiel senkrecht nach oben) positionieren zu können, wird zusätzlich das Handgelenk D benötigt. Es erlaubt Bewegungen um drei weitere Achsen. Man spricht bei einem solchen System von sechs Freiheitsgraden. Was ist ein Freiheitsgrad? Ein Freiheitsgrad beschreibt die Bewegungsmöglichkeit entlang einer translatorischen oder rotatorischen Koordinate. Im dreidimensionalen Raum gibt es somit sechs Freiheitsgrade. Neben Bewegungen entlang der drei Koordinatenachsen X, Y und Z sind dies Drehungen um eben diese Achsen. Ein einzelnes Gelenk kann auch mehrere Freiheitsgrade zur Verfügung stellen, etwa Heben/Senken und Drehen. Ein solches Gelenk benötigt dazu mindestens zwei unabhängige Bewegungsachsen. Der menschliche Arm besitzt ebenfalls sechs Freiheitsgrade, erreicht diese jedoch mit sieben Gelenkachsen. Er wird daher als kinematisch redundant bezeichnet. Aufgabe 9 Wie verteilen sich die sieben Achsen auf Ellenbogen, Schulter- und Handgelenk? Versucht nacheinander alle Bewegungen um jeweils eine dieser Achsen auszuführen, während die anderen Achsen starr bleiben. 13

14 Besitzt der beschriebene Roboter mehr als sechs Gelenkachsen, so kann er einzelne Raumpunkte auf verschiedene Arten erreichen. Insbesondere das Umgreifen von Hindernissen wird dadurch ermöglicht. Ein so universell bewegliches System wird jedoch nicht für jede Aufgabe benötigt, daher kommen auch Roboter mit weniger Achsen und damit einer geringeren Anzahl an Freiheitsgraden zum Einsatz. Dies liegt vor allem daran, dass die Anzahl der beweglichen Achsen maßgeblich entscheidend für den Preis eines Roboters ist. Sensoren und Aktoren für Robotersysteme Heutzutage werden Roboter zu einem großen Teil von Elektromotoren angetrieben. Die stetige Weiterentwicklung der Motoren und vor allem der eingesetzten Getriebe hat dazu geführt, dass diese immer öfter den Vorzug vor den teilweise noch anzutreffenden Hydrauliksystemen erhalten. Diese flüssigkeitsbetriebenen Systeme haben gegenüber Motoren den Nachteil, dass sie neben elektrischer Energie zusätzlich einen Kompressor sowie einen entsprechenden Vorrat an Hydraulikflüssigkeit benötigen. Dieser Aufwand macht die Hydraulik für den Einsatz auf mobilen Robotern und im Weltraum unpraktikabel. Moderne Elektromotoren erreichen hingegen bereits mit kleinen Bauformen hohe Leistungen und können daher oft vollständig im System, zum Beispiel einem Roboterarm, integriert werden. Der zusätzliche Einsatz von Getrieben erlaubt zudem die Übertragung von großen Kräften und somit den Bau von leistungsfähigen Robotern. Dieses Gelenk eines Roboterarms beinhaltet den Motor, ein entsprechendes Getriebe, die Ansteuerelektronik und einige Sensoren, beispielsweise zur Kraft-Momenten-Messung. Die Überwachung des Roboters erfolgt durch die Steuerung, die die Daten der Sensoren auswertet. Generell lässt sich zwischen Sensoren zur Beobachtung der Umwelt und Sensoren zur Erfassung des Roboterzustands unterscheiden. Zur Beobachtung der Umwelt werden neben Kameras häufig Ultraschallsensoren oder Laserscanner verwendet. Ultraschallsensoren senden einen Schallimpuls aus und ermitteln anhand der Laufzeit des Signals zum Hindernis und zurück die Entfernung zu diesem. Viele Laserscanner arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip und sind dabei sehr viel schneller, aber auch teurer als Ultraschallsensoren. Stereokameras nutzen ebenso wie einige Laserscanner das Prinzip der Triangulation und ermitteln so die Entfernung zu einem Objekt. Die am häufigsten anzutreffenden Sensoren zur Umwelterfassung sind jedoch einfache Schalter, welche zum Beispiel Kollisionen erkennen können. Die Erfassung des Roboterzustands dient dagegen dazu, den Roboter zu positionieren, eventuell auftretende Fehler zu erkennen und diese zu vermeiden. Für die Lagebestimmung eines Roboterarms sind üblicherweise die Gelenke mit Sensoren bestückt, die den Winkel zwischen den Aus den Winkelstellungen der einzelnen Gelenke lässt sich eindeutig die Position des Roboterarms ermitteln. (Das Gelenk A dreht den Arm um die senkrechte Achse. In der Stellung Null Grad zeigt der Pfeil aus der Bildebene heraus in Richtung des Betrachters.) 14

15 beiden Armabschnitten, die wiederum durch das Gelenk verbunden sind, messen. Wenn diese Winkel für alle vorhandenen Gelenke bekannt sind, kann das System daraus die Position des Arms ermitteln. Aufgabe 10 Wie sieht der Roboterarm bei den Gelenkstellungen (A = 270, B = 180, C = 180 ) bzw. (A = 90, B = 270, C = 90 ) aus? Zur Vermeidung von Fehlern und Ausfällen werden Robotersysteme oft auch mit Temperaturund Überlastsensoren ausgestattet. Diese signalisieren einen kritischen Zustand, sodass durch geeignete Maßnahmen drohende Defekte vermieden werden können. Eine weitere Sensorart bilden die Kraft-Momenten-Sensoren. Sie erlauben die gleichzeitige Bestimmung von Positionsabweichungen und auftretenden Belastungen in Gelenken. Durch den Einsatz dieser Sensoren wird ein definiertes Zupacken des Roboters ermöglicht, das heißt der Roboter wird durch den Einsatz der Kraft-Momenten-Sensoren mit einem Tastgefühl ausgestattet. Die Sensoren werden dazu direkt an der Schnittstelle zwischen Antrieb und Mechanik im Gelenk eingesetzt. Teleoperierte Systeme bestehen aus Robotern, die von einem Menschen bedient werden. Seine Aufgabe ist es, die jeweilige Situation, in der sich das Robotersystem befindet, zu erkennen und zu bewerten. Dies geschieht meist durch Videobilder und/oder andere Sensorinformationen, die vom System übermittelt werden. Auf Grund dieser Informationen entscheidet der Bediener, was zu tun ist, und sendet dem Roboter die erforderlichen Steuersignale. Ein teleoperiertes System entspricht also einer Fernsteuerung mit Rückmeldung, wobei sich der Bediener sowohl im Nebenraum als auch am anderen Ende der Welt befinden kann. Der größte Vorteil dieser Systeme besteht darin, dass der Operateur auch auf unvorhergesehene Ereignisse angemessen reagieren kann. Er kann unter günstigen Umständen sogar bei teilweisem Ausfall der Roboter-Hardware eine gestellte Aufgabe erfolgreich beenden, indem er durch den Defekt unmöglich gewordene Sequenzen durch alternative Bewegungen kompensiert. Dieses Vorgehen wäre bei einem rein programmgesteuerten Industrieroboter undenkbar, da es unmöglich ist, alle eventuell auftretenden Probleme vorherzusehen und in einem Programm abzudecken. Die Miniaturausgabe eines Kraft-Momenten-Sensors (links) wird zum Beispiel in den Fingergelenken dieser Roboterhand eingesetzt. Dadurch wird ein sehr feinfühliges Greifen ermöglicht, ohne das gegriffene Objekt zu beschädigen. Steuerung von Robotersystemen Um der steuernden Person die auftretenden Kräfte am Roboter zu verdeutlichen, werden so genannte Force-Feedback-Systeme eingesetzt. Dies bedeutet, dass die Kräfte am Roboter durch Sensoren gemessen werden. Über kleine Motoren werden diese dann am Eingabegerät des Bedieners simuliert. Durch die Kraft-Rückkopplung ist es möglich, selbst sehr feinfühlige Bewegungen präzise auszuführen. Beispiele hierfür sind so genannte minimal-invasive -Operationen, bei denen ein Chirurg mithilfe eines Roboters durch winzige Öffnungen innerhalb des menschlichen Körpers operieren kann. Der Arzt sitzt dabei an einem Computer, kontrolliert auf einem Bildschirm die Bewegungen des Roboters und erteilt die notwendigen Befehle. Da 15

16 Roboter im Gegensatz zum Menschen nicht zittern und mit hoher Genauigkeit positioniert werden können, werden durch dieses Verfahren die Belastungen für den Patienten erheblich reduziert. Der Arzt überwacht während einer Operation die Bewegungen des Roboters auf dem Bildschirm. Die Steuerung erfolgt über ein spezielles Eingabesystem, das sehr feinfühlige Bewegungen in alle Richtungen ermöglicht. Ein Zittern der Hände wird vom Computer herausgefiltert, bevor die Befehle an den Roboter weitergegeben werden. wenn Roboter und Bediener räumlich voneinander getrennt sind und die Kommunikation zeitverzögert erfolgt. Zur Bedienung eines Weltraum-Roboters (Flugsegment) von der Bodenstation auf der Erde aus (Bodensegment) werden daher teilweise aufwändige Vorkehrungen getroffen, um diese Zeitverzögerung zu kompensieren. So wird beispielsweise ein möglichst genaues mathematisches Modell des Roboters verwendet, um die tatsächlichen Bewegungsabläufe des Systems in Echtzeit zu simulieren. Das Modell wird auf dem Monitor des Operateurs dargestellt. Sobald ein Kommando an das Flugsegment gesendet wird, erfolgt die Eingabe desselben Kommandos in den Simulator. Der Bediener kann sich dann für die weitere Steuerung an den Bewegungen und Positionen des simulierten Roboters orientieren. Die Sensordaten des realen Roboters werden bei ihrem Eintreffen ebenfalls als Eingabe in den Simulator geleitet und erlauben zum einen die Korrektur der simulierten Position, zum anderen aber auch die stetige Verbesserung des Modells im laufenden Betrieb. Unabhängig von den Befehlen des Bedieners muss auch ein teleoperiertes Robotersystem in der Lage sein, sich selbst vor Beschädigungen durch ungünstige Bewegungen zu schützen. Wenn beispielsweise der Roboter während des Steuerns durch den Operateur mit einem Hindernis kollidiert, dieser Vorgang aber durch Kommunikationsprobleme oder andere Ursachen bedingt nicht sofort bemerkt wird, sollte der Roboter die Bewegung selbsttätig unterbrechen und seinen Zustand dem Bediener signalisieren. Auf diese Weise können schwer wiegende Beschädigungen des Systems vermieden werden, die im Extremfall das Scheitern einer Mission bedeuten könnten. Dies ist besonders wichtig, Ein Forscher steuert den Roboter über einen Force- Feedback-Handschuh. Dadurch ist es ihm möglich, die an der Roboterhand auftretenden Kräfte zu spüren und darauf zu reagieren. 16

17 Fahre in Richtung der Lichtquelle (1). Wenn du dabei auf ein Hindernis stößt, fahre etwas zurück (2), drehe dich nach rechts und fahre ein Stück geradeaus (3), suche dann wieder die Lichtquelle (4)! Oberes Bild: Der Roboter kann sowohl von einem Astronauten vor Ort als auch von einem Operateur im Bodensegment gesteuert werden. Bei der Bedienung vor Ort erhält der Astronaut eine optische Rückmeldung direkt vom Roboter oder über einen Bildschirm. Unteres Bild: Bei der Fernbedienung aus der Bodenstation treffen die Signale vom Roboter häufig verzögert ein. Um die Steuerung zu erleichtern, wird daher ein Modell des Roboters im Computer mit identischen Steuerbefehlen gespeist. Dieser Simulator berechnet aus dem Modell und den Befehlen die Bewegungen und die Position des entfernten Roboters. Wenn die realen Daten eintreffen, wird gegebenenfalls die simulierte Position korrigiert und das Modell aktualisiert. Eine Weiterentwicklung der teleoperierten Roboter bilden die teilautonomen Systeme. Bei diesen werden wiederkehrende oder häufig benötigte Bewegungsabläufe in Sequenzenzusammengefasst, die der Roboter selbsttätig ausführen kann, nachdem der Operateur sie angestoßen hat. So kann sich der Roboter beispielsweise zu einer vorher einprogrammierten Position bewegen, dort ein bereitliegendes Werkzeug aufnehmen und schließlich eine neue Position anfahren, in der er auf weitere Befehle wartet. Noch einen Schritt weiter gehen autonome Systeme, die vollständig ohne Benutzereingriffe operieren können. Diese Roboter bekommen Aufgaben gestellt, die sie selbstständig abarbeiten. Für auftretende Schwierigkeiten werden zuvor entsprechende Verhaltensweisen programmiert. Eine einfache Aufgabenstellung für einen autonomen mobilen Roboter könnte zum Beispiel wie folgt aussehen: Um diese Aufgabe ausführen zu können, muss der Roboter mit entsprechenden Sensoren ausgestattet sein. Dadurch kann er die Lichtquelle finden, aber auch Zusammenstöße mit Hindernissen rechtzeitig erkennen. Die Sensoren zur Erfassung der Umwelt sind daher ein wesentliches Merkmal von autonomen Robotern, da diese zur Ausführung der ihnen übertragenen Aufgaben keine Informationen eines externen Bedieners mehr erhalten. Aufgabe 11 Was für ein System würdet ihr für die Erkundung von Ganymed einsetzen? Warum? Diskutiert darüber in der Gruppe und überlegt, was der Roboter auf dem Jupitermond machen soll! Formuliert eine Aufgabenbeschreibung für euren Roboter. Wie könnte etwa das Programm zur Untersuchung eines Felsbrockens mit einer Kamera aussehen? 17

18 Wo sind Roboter in der Raumfahrt bereits im Einsatz? Roboter werden heute vor allem zur Unterstützung von Astronautinnen und Astronauten und zur Erkundung von Planeten eingesetzt. Die Anforderungen an die Systeme unterscheiden sich in beiden Fällen erheblich voneinander. Roboter zur Unterstützung von Astronauten Um den Menschen die Erfüllung ihrer Missionen zu erleichtern, werden sie häufig von Robotern unterstützt. Die dafür eingesetzten Systeme werden derzeit fast ausnahmslos teleoperiert; teilweise von den Astronauten selbst, teilweise von der Bodenstation auf der Erde. An Bord der Space Shuttles befindet sich beispielsweise ein Roboterarm, der unter anderem dazu genutzt wird, Satelliten einzufangen, zu reparieren und zu warten. Das Weltraumteleskop Hubble war bereits mehrfach das Ziel von solchen Reparaturmissionen, bei denen Mensch und Roboter Hand in Hand arbeiteten. Das Weltraumteleskop Hubble wurde vom Roboterarm eines Space Shuttles eingefangen und wird nun repariert. Hier nutzt ein Astronaut die Möglichkeit, sich von dem Roboter an schwer zugängliche Stellen transportieren zu lassen, um dort Wartungsarbeiten durchführen zu können. Nach Abschluss der Reparatur wird der Roboterarm das Teleskop wieder in den Weltraum freigeben. Zurzeit arbeiten Forscher der amerikanischen Weltraumbehörde NASA (National Aeronautics and Space Administration) an einem teilautonomen persönlichen Assistenten für Astronauten. Er soll die Besatzung von Raumstationen ständig begleiten und über den aktuellen Zustand der Station sowie andere wichtige Daten informieren. Zugleich misst der Roboter die lebenswichtigen Umgebungsdaten wie zum Beispiel Luftdruck, Sauerstoffgehalt und Temperatur und schlägt bei kritischen Veränderungen Alarm. In gefährlichen oder unübersichtlichen Situationen, zum Beispiel einem Leck in der Außenhaut der Station, kann der Assistent auch alleine vorausgeschickt werden und so ohne Risiko für die Astronauten Messungen durchführen. Der Personal Satellite Assistant (PSA) soll die Astronauten beim Aufenthalt in der Raumstation auf Schritt und Tritt begleiten und ihnen wichtige Daten zur Verfügung stellen. Die integrierte Kamera und das Display erlauben Videokonferenzen sowohl mit der Bodenstation als auch mit Astronauten in anderen Teilen der Station. Der etwa 15 cm durchmessende Roboter schwebt wegen der Schwerelosigkeit frei im Raum und kann seine Position über sechs Steuerdüsen variieren. Er reagiert auf Sprachbefehle, kann aber auch über eine Fernbedienung gesteuert werden. Roboter zur Erkundung von Planeten Für Missionen zu entfernten Planeten werden Roboter eingesetzt, da sie derzeit die einzige Möglichkeit darstellen, gefahrlos große Distanzen zu überbrücken, um aktiv fremde Umgebungen zu erkunden. Sie werden von Raumtransportern auf vorausberechneten Flugbahnen in das vorgesehene Zielgebiet transportiert. Dort angekommen, werden sie ausgeklinkt und landen auf der Oberfläche des Planeten. Von dort erfolgen die Kontaktaufnahme mit den Forscherinnen und Forschern auf der Erde und der Beginn der Erkundung. Um ein möglichst großes Gebiet auf der Planetenoberfläche erfassen zu können, sind die eingesetzten Robotersysteme meist mobil ausgelegt; sie können also selbsttätig ihren Standort verändern. Die Roboter sind zu diesem Zweck mit Sensoren und Aktoren ausgestattet, die ihnen zum Beispiel das Sammeln und Analysieren von Bodenproben und die Untersuchung von Gestein erlauben. Gleichzeitig liefern die Systeme oft spektakuläre Bilder von ihrer Umgebung. Die gesammelten Daten werden per Funkverbindung an das Bodensegment übertragen. Aus den erhaltenen Infor- 18

19 mationen können die Forscher wichtige Erkenntnisse für zukünftige Missionen gewinnen. Die Roboter werden nach dem Ende der Mission, das nicht zuletzt auch von der Lebensdauer des Systems abhängt, üblicherweise auf den Planeten zurückgelassen, da ein Rücktransport zur Erde zu teuer wäre. Sensoren und Aktoren aktuell eingesetzter Roboter Das Spektrum der bei der Planetenerkundung eingesetzten Instrumente ist groß. Neben den gängigen, bereits vorgestellten Sensoren findet man häufig Spektrometer zur chemischen Analyse von Gestein und Staub sowie Geräte zur Messung von Radioaktivität. Mit derartigen Hilfsmitteln lassen sich Alter und Zusammensetzung der Planetenoberfläche bestimmen und so Rückschlüsse auf die Entstehung des Himmelskörpers ziehen. Die Aktoren der Weltraumroboter bestehen zumeist aus einer mobilen Plattform und einem Manipulator in Form eines Roboterarms. Zur Fortbewegung werden Räder, Ketten oder Beine eingesetzt. Letztere sind sehr schwierig zu realisieren. Der Manipulator ermöglicht die Positionierung von Sensoren, kann aber auch mit Werkzeugen zum Graben, Greifen oder Bohren ausgestattet werden. Anforderungen an Robotersysteme beim Einsatz auf Planeten Beim Einsatz auf fernen Planeten sind die Anforderungen an Robotersysteme besonders hoch. Während bei der Unterstützung von Astronauten unter Umständen eine Reparatur oder der Austausch von Komponenten durch anwesende Menschen möglich ist, sind Roboter bei Erkundungsmissionen auf sich alleine gestellt. Fehlerbehebungen in der Software des Systems sind zwar begrenzt per Funkverbindung möglich, Hardwareausfälle können in der Regel jedoch nicht kompensiert werden. Erschwerend kommen die Umweltbedingungen auf fernen Himmelskörpern hinzu, welche bereits bei der Konstruktion der Roboter berücksichtigt werden müssen. Neben Staub und Gasen können beispielsweise auch große Temperaturunterschiede auftreten. So schwanken die Temperaturen auf dem Mars etwa zwischen 25 Celsius am Tag und weniger als -120 Celsius in der Nacht. Die Funkverbindung zur Bodenstation hält der Roboter entweder direkt oder über einen oder mehrere Satelliten. Diese Relaisstationen empfangen die Signale des Roboters, falls deren Reichweite zu gering ist oder keine direkte Verbindung zur Erde möglich ist, und leiten sie verstärkt weiter. Bedingt durch die dabei auftretenden Verzögerungen in der Kommunikation werden die Robotersysteme häufig teilautonom ausgelegt. Der Roboter erhält den Befehl zu einem bestimmten Punkt zu navigieren und führt die dazu erforderlichen Bewegungen selbsttätig aus, wobei er auftretende Hindernisse (Felsbrocken, Spalten etc.) erkennen und umfahren muss, ohne auf helfende Befehle des entfernten Operateurs zu warten. Aufgabe 12 Ähnlich wie dieser Mars-Rover sind viele Roboter zur Planetenerkundung konstruiert. Der hohe Aufbau bietet den dort integrierten Kameras einen guten Überblick, der Manipulator zwischen den Vorderrädern ermöglicht die Interaktion mit der Umwelt. Die große Rückenfläche besteht aus Solarzellen und dient der Stromversorgung des Systems, während die kleine runde Antenne auf dem Rücken des Roboters für die Kommunikation mit der Bodenstation auf der Erde benötigt wird. Welche Anforderungen muss ein Roboter auf Ganymed erfüllen? Macht euch Gedanken, wie man diese Probleme lösen könnte! Technische Realisierbarkeit Die wohl Aufsehen erregendsten Missionen im Bereich der Planetenerkundung mit Robotern hat die NASA im Jahr 2003 gestartet und damit 19

20 die Grenzen des derzeit Realisierbaren gezeigt. Nach dreijähriger Vorbereitung sind im Juni und Juli 2003 die beiden baugleichen Rover Spirit und Opportunity zum Mars gestartet. Der Zeitpunkt war günstig, da der Planet zu dieser Zeit auf seiner Umlaufbahn um die Sonne der Erde so nah gekommen ist wie nie zuvor seit Beginn der Raumfahrt. Nach sechsmonatiger Reise in ihren Raumsonden sind beide Roboter im Abstand von wenigen Tagen auf dem Mars angelangt. Bei der Landung musste die Reisegeschwindigkeit von über fünf Kilometern pro Sekunde abgebaut werden: zunächst beim Eintauchen in die Marsatmosphäre durch einen Hitzeschild geschützt, später gebremst von einem Fallschirm und Bremsraketen. Kurz vor dem Aufprall auf dem Planeten wurden zusätzlich Airbags gezündet, die die Wucht des Aufschlags weiter abmilderten. Nach der Landung auf der Oberfläche haben beide Roboter den Erkundungsbetrieb mit dem Ziel aufgenommen, Spuren von Wasser auf dem Planeten zu finden; einer Grundvoraussetzung für mögliches Leben auf dem Mars. Um diese Aufgabe zu erfüllen, sind die Rover mit verschiedenen wissenschaftlichen Geräten, unter anderem aus Deutschland, bestückt worden. Neben Stereokameras und Mikroskopen handelt es sich dabei um Spektrometer. Das MIMOS II Spektrometer wurde von Forschern an der Johannes- Gutenberg-Universität Mainz entwickelt und wird zur Identifikation von Mineralien eingesetzt, während das Spektrometer APXR des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie zur Untersuchung von Staub und Gestein dient. Diese Geräte können über die Roboterarme direkt an den zu untersuchenden Stellen positioniert werden und damit auch Messungen an Felsbrocken durchführen, die zum Anheben zu schwer sind. Aufgabe 13 Sucht im Internet nach weiteren Weltraumrobotern im Einsatz! Beide Rover waren zunächst für eine Lebensdauer von 90 Tagen ausgelegt. Da sie sich aber als weitaus haltbarer erwiesen haben als zunächst angenommen, wurden die Missionen immer wieder verlängert. Bis zum Jahreswechsel 2004/2005 haben die beiden Roboter mehrere Kilometer Marsboden befahren und dabei mehr als Bilder zur Erde gefunkt. Während dieser Zeit wurden einige Felsbrocken untersucht, die nach Meinung der Wissenschaftler Zeichen von früheren Wasservorkommen auf dem Planeten aufweisen. Diese erfolgreich verlaufenen Missionen haben viele Erkenntnisse über den Planeten Mars geliefert und sind ein wichtiger Schritt hin zu weiteren Erkundungsflügen innerhalb unseres Sonnensystems. Panoramaaufnahme des Mars Exploration Rovers Sojourner am ersten Tag seines Aufenthalts auf dem Planeten. Im Vordergrund sind die eingefallenen Lande-Airbags erkennbar. Aufgabe 14 Trotz des großen Erfolges ergaben sich während dieser Mars-Missionen auch einige Schwierigkeiten. Sucht im Internet nach Informationen zu den aufgetretenen Problemen. Was kann man daraus lernen und was würdet ihr bei einer Mission zum Jupitermond Ganymed anders machen? 20