Servomotoren

Andreas Mühlbauer,

Völlig losgelöst: Schwebender Roboter

Auf der ISS assistiert der schwebende Roboter CIMON den Astronauten bei ihren Experimenten. Wie in einem Science-Fiction-Film schwebt er dabei frei in der Station. Um seine gewünschte Position zu erreichen und zu halten, verwendet er von Servomotoren angetriebene Propeller.
Der Roboter CIMON assistierte ISS-Astronaut Alexander Gerst bei einigen Experimenten. © Airbus Space

Die Raumfahrt-Division von Airbus hat den ersten künstlichen Assistenten für Astronauten entwickelt. Er unterstützt die Besatzung der Internationalen Raumstation ISS bei mehreren Experimenten. Zugleich wird der kleine Helfer selbst auf seine Tauglichkeit für spätere, größere Aufgaben geprüft und weiterentwickelt. Kompakte, leichte DC-Servomotoren mit hoher Leistungsdichte erlauben ihm, sich an Bord frei zu bewegen.

Die Raumfahrt-Division von Airbus hat den ersten künstlichen Assistenten für Astronauten namens CIMON entwickelt. © Airbus Space

Airbus hatte die Konzeption des kugelförmigen Flugbegleiter CIMON (Crew Interactive Mobile Companion), der frei im Raum schwebt, zunächst im Rahmen einer eigenfinanzierten Studie untersucht. Im August 2016 kam dann der Auftrag vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Projekt zu verwirklichen. Das gelang einem rund fünfzigköpfigen Team von Airbus und DLR sowie der Ludwig-Maximilian-Universität München (LMU) in weniger als zwei Jahren. Außerdem waren Experten des Computerherstellers IBM dabei, auf dessen Watson-Technologie die künstliche Intelligenz des CIMON-Projekts beruht. Dank ihr lernt der kleine Helfer selbstständig, sich zu orientieren, sich im Raum zu bewegen, Wissen zu sammeln und seinen menschlichen Partner zu erkennen, um mit ihm zu kommunizieren.

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Technologieexperimente im All

Als Teil der Horizons-Mission flog der Astronauten-Assistent im Juni 2018 zur ISS. Hier entwickeln die großen Raumfahrtnationen gemeinsam Lösungen für die globalen Herausforderungen unserer Gesellschaft, „Gesundheit, Umwelt und Klimawandel“ sowie „Digitalisierung, Industrie 4.0, Energie und Mobilität von Morgen“. Als Technologie-Experiment soll CIMON die Zusammenarbeit von Menschen und intelligenten Maschinen an Bord der ISS demonstrieren. Mitglieder der Besatzung können mit seiner Hilfe Checklisten oder Prozeduren abarbeiten und dabei auch in einen echten Dialog mit ihrem Assistenten treten.

Der Einsatz von „Projekt CIMON“ blieb zunächst im Wesentlichen auf drei Experimente beschränkt, die er zusammen mit dem deutschen Crewmitglied und zeitweiligen Kommandanten Alexander Gerst absolvierte. Gemeinsam machten sie sich daran, die Farben des Rubik-Zauberwürfels zu sortieren und führten einen Versuch mit Kristallen sowie ein medizinisches Experiment durch. Dabei unterstützte der künstliche Assistent bei Lernprozessen, gab Schritt-für-Schritt-Anleitungen, prüfte die Erledigung mit Hilfe seiner eingebauten Kamera und griff bei Bedarf auch verbal korrigierend ein.

Schwebende Kugel mit Propellerantrieb

Die verschiedenen Bewegungen des Missionsbegleiters werden durch die Zu- und Abschaltung einzelner Propeller sowie über die Drehzahl der jeweiligen Antriebsmotoren gesteuert. © Airbus Space

An Bord der ISS schwebt der medizinballgroße Assistent trotz seiner Masse von fünf Kilogramm schwerelos im Raum. Damit er sich zielgerichtet bewegen kann und dabei nicht aneckt, ist er mit sieben röhrenförmigen Luftdüsen ausgestattet, in denen jeweils zwei kleine Propeller untergebracht sind. Sie erlauben ihm auch körpersprachliche Interaktion. „Vier Röhren sind in der x-Achse ausgerichtet und für Vor- und Zurückfahren zuständig, wo wir die höchste Geschwindigkeit brauchen“, erläutert Philipp Schulien, Science Engineer bei Airbus in Friedrichshafen. „Bei entsprechender Ansteuerung der einzelnen Propeller geben sie dem Missionsbegleiter auch die Fähigkeit zu nicken oder ‚den Kopf zu schütteln‘. Zwei Röhren sind für die seitliche Bewegung, eine ist für Auf und Ab ausgerichtet. Diese Anordnung – anstelle je eines größeren Propellers pro Achse – wurde unter anderem auch wegen der strengen Lärmschutzbestimmungen der ISS gewählt.“

Wenn der kleine Helfer mit einem Crewmitglied zusammenarbeitet, soll er sich in einer „Box“ aufhalten, einem gedachten Quader im Luftraum der Station. Um an Ort und Stelle zu bleiben, muss CIMON allerdings einigen Aufwand betreiben, denn sein zulässiger Aufenthaltsbereich bewegt sich mit der ständigen Rotation der ISS ebenfalls im Kreis. Außerdem wird die Luft an Bord ständig umgewälzt. Der herrschende Luftstrom und die Rotation würden ihn ohne Gegenwehr schnell an die nächste Bordwand drücken. Die Propeller in seinen Luftdüsen geben deshalb regelmäßig kleine Schubimpulse zur Positionskorrektur.

Mit Servomotoren die Position halten

Die kompakten bürstenlosen DC-Servomotoren sind bei 8 mm Durchmesser lediglich 24,1 mm lang und liefern ein Drehmoment von 1,1 mNm. © Faulhaber

Die verschiedenen Bewegungen des Missionsbegleiters werden durch die Zu- und Abschaltung einzelner Propeller sowie über die Drehzahl der jeweiligen Antriebsmotoren gesteuert. Letztere sind bürstenlose Servomotoren der Serie 0824…B aus dem Portfolio des Antriebsspezialisten Faulhaber. Der Speed Controller SC1801 des gleichen Herstellers übersetzt die Befehle der Navigationssoftware und regelt die Drehzahl entsprechend. Philipp Schulien nennt gleich mehrere Gründe für diese Wahl: „Motoren von Faulhaber haben sich bereits in der Raumfahrt bewährt. Da bei der Beförderung ins All jedes Gramm und jeder Kubikzentimeter zählt, brauchen wir immer möglichst viel Antriebskraft bei möglichst geringem Gewicht und Volumen. Die gewählte Kombination ist ausgesprochen kompakt. Daneben sind absolute Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Wartungsfreiheit ebenso wichtig. Nicht zuletzt sollen die Antriebe auch möglichst wenig Energie verbrauchen und sehr leise sein, um die Crew nicht durch zusätzliche Geräuschentwicklung zu belasten.“ Aus denselben Gründen sind auch noch weitere Motoren von Faulhaber zur ISS geflogen: Sie treiben die Peristaltikpumpen für ein Bioexperiment an, das ebenfalls während der Horizons-Mission durchgeführt wird.

Der Astronautenassistent blieb nach Abschluss der Mission an Bord und führte sein eigenes Training weiter. Seine Rückmeldung soll den Entwicklern auf der Erde helfen, das Konzept zu perfektionieren. So soll er nach der Probe- und Lernphase einmal in der Lage sein, bei technischen Problemen Lösungen vorzuschlagen. Er könnte zum Beispiel Reparaturarbeiten anleiten, indem er die nötigen Schritte ansagt und einen Laserpointer auf zu lösende Schrauben richtet. Geplant ist auch, dass er eines Tages selbstständig Funktionen oder Zustände von Einrichtungen an Bord überwacht und bei auftretenden Schwierigkeiten als Frühwarnsystem fungiert. Mit solchen Fähigkeiten könnte der Assistent dann beispielsweise bei Langzeitmissionen zu Mond oder Mars wichtige Aufgaben übernehmen. Da „Projekt CIMON“ auch lächeln und Witze erzählen kann, sind künftig auch irdische Varianten des kleinen Helfers geplant, die zum Beispiel in Krankenhäusern oder im sozialen Bereich arbeiten.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Seegen, Leiter Marketing bei Faulhaber, und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee / am

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