Wie Robonauts Arbeiten

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Roboter-astronauten können wesentlich effizienter als menschen im weltraum arbeiten - lernen sie, wie sie funktionieren!

Man kann sich kaum ein dramatischeres Unterfangen vorstellen als die Weltraumfahrt, bei der sich tapfere Seelen in erstaunlichen Fahrzeugen versiegeln und durch kontrollierte Explosionen in eine Umgebung gebracht werden, die allen bekannten Leben gegenüber feindlich gesinnt ist - alles im Namen der Wissenschaft und des menschlichen Wagens.

Ein Raumschiff auf dem Mond zu landen, wäre ohne Astronauten nicht dasselbe gewesen. Durch ihren Kommentar beobachteten die Menschen auf der Erde, die die körnigen Schwarzweißbilder der Mondlandschaft beobachteten, eine Verbindung zum Ewigen und Außerirdischen. Ihre Reise bescherte uns eine gemeinsame Erfahrung, die größer ist als alles, was Hollywood schaffen konnte, weil es wirklich war.

Die Raumfahrt fordert von Astronauten ihren Tribut, weil der menschliche Körper nicht für die harten Bedingungen geeignet ist, die die Bereiche außerhalb unserer Atmosphäre regeln. In einer Kapsel oder einem Shuttle müssen Weltraumfahrer regelmäßig trainieren, um den Knochendichteverlust und die Muskelatrophie, die durch längere Zeit in der Schwerelosigkeit verursacht werden, abzuwenden. Die Besatzungsräume müssen mit der richtigen Mischung aus atmungsaktiven Gasen und Wasserdampf unter Druck gesetzt werden, und die Systeme müssen diese Gase zirkulieren und revitalisieren, um die Luft atmungsaktiv zu halten. Die Temperatur muss ebenfalls sorgfältig reguliert werden, ganz zu schweigen von Systemen zur Versorgung mit Lebensmitteln und Wasser sowie zur Entsorgung von Abfällen.

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Draußen stoßen Astronauten auf Temperaturen, die von 120 Grad Celsius auf minus 148 Grad Celsius (minus 100 Grad Celsius) schwanken können, und das ist nur in der Nähe der Erde. Die Temperatur im Weltraum sinkt auf minus 454 Grad Fahrenheit (minus 270 Grad Celsius). Ohne die Erdatmosphäre, die sie vor der Sonnenstrahlung abschirmt, überleben Astronauten voluminöse Raumanzüge, die Millionen von Dollar kosten und im Notfall nicht praktikabel sind. Wenn die Internationale Raumstation (ISS) von einem Objekt getroffen würde und sofort repariert werden müsste, würde ein Astronaut Stunden brauchen, um sich auf einen Weltraumspaziergang vorzubereiten und Reparaturen durchzuführen [Quelle: Coulter, "Robonaut 2 im Februar starten"].

Die NASA und andere Weltraumprogramme erkennen die Gebrechlichkeit des menschlichen Körpers und arbeiten daran, die Zeit ihrer Astronauten optimal zu nutzen und gleichzeitig die Gefährdung zu reduzieren. Einer der derzeit aufregendsten Ansätze hat zu einer neuen Art von Astronauten geführt, einer, die besser geeignet ist, um außerhalb des Weltraums zu überleben.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Entwicklung dieser Roboter-Astronauten oder Robonautenund wie sie den Menschen im Weltraum helfen werden.

Ich, Robonaut

Roboter-Sonden und Rover waren schon vor unserer Mondlandung auf dem Mars unterwegs. Im Jahr 1965 Mariner IV schickte die ersten Nahaufnahmen des roten Planeten zurück. 1997 wurde die Pfadfinder Rover lieferte beispiellose Details über die Atmosphäre und Oberfläche des Mars. Außerdem, wer kann die bemerkenswerten Beiträge von vergessen Geist und Gelegenheit, starteten die beiden Mars Rovers im Sommer 2003, die ihre ursprüngliche Mission so überstanden hatten?

Die NASA hat ihre Roboter-Astronauten auf einem humanoiden Design basiert. Die erste davon, Robonaut 1 (aka R1), hatte einen Kopf, zwei Augen, zwei Arme und zwei fünfstellige Hände. Die Designer schützten den Kopf von R1 mit einem Epoxidharzhelm und montierten den Kopf an einem Gelenkhals, der es ihm ermöglichte, sich von einer Seite zur anderen zu drehen und nach oben und unten zu schauen. Im bahnbrechenden Robonaut wurden zwei Videokameras geliefert Stereosicht an den Operator und R1 aktiviert, um Objekte zu verfolgen. Stereovision ahmt das menschliche Sehen nach, indem es Bilder von einem rechten und linken "Auge" (Kamera) vergleicht und verwendet Parallaxe - Der scheinbare Unterschied in der Position eines Objekts, der durch den unterschiedlichen Betrachtungswinkel jedes Auges verursacht wird - um die Tiefe zu bestimmen und die Bewegung zu erkennen. Die Arme von R1 waren für einen größeren Bewegungsbereich als menschliche Arme geeignet und bauten jeweils mehr als 150 Sensoren auf.

Die NASA begann 1997 mit dem Bau von R1. Bis 2006 diente sie als experimentelle Plattform für Labor- und Feldtests. Sie war ein erfolgreicher Proof-of-Concept, verließ das Labor jedoch nicht.

2006 unterzeichnete die NASA eine Vereinbarung mit General Motors über die Produktion Robonaut 2 (R2). GM entwickelte zu dieser Zeit auch geschickte Roboter und hatte mit der NASA an dem Mondrover gearbeitet. Die NASA stellte R2 im Februar 2010 vor, und der Robonaut reiste am 24. Februar 2011 zu einer der letzten Space-Shuttle-Missionen zu seinem ständigen Wohnsitz auf der Internationalen Raumstation ISS.

Wie R1 ist R2 darauf ausgelegt, Menschen zu helfen und sich wiederholende, langweilige oder anstrengende Aufgaben zu automatisieren - beispielsweise das Einrichten der für Missionen erforderlichen Werkzeuge und Ausrüstungen -, damit Astronauten sich auf Aufgaben konzentrieren können, für die nur sie qualifiziert sind.

Stellen Sie sich R2 als R1-Plus vor - kleiner, billiger, fortschrittlicher und in der Lage, die Strapazen des Starts und des Weltraums zu überstehen. R2 liefert mehr als 350 Sensoren, von denen 40 die Umgebung erkennt. Dazu gehören vier Kameras für sichtbares Licht in den Augen und eine fünfte Infrarotkamera im Mund, um die Tiefenwahrnehmung zu unterstützen. Sein Magen enthält 38 Computerprozessoren.Obwohl seine Stärke auf dem Niveau von R1 liegt - er kann bis zu 9 Kilogramm heben - ist R2 mit seinen praktischen Anhängern geschickter: Während die Hände von R1 den behandschuhten Händen eines Astronauten ähnelten, sind R2 eher ungeliebten menschlichen Händen.

R2 kann eine Decke manipulieren, einen Umschlag aufnehmen und eine Hantel greifen, aber die Fingerfertigkeit ist größer als die Summe seiner Teile. Benutzer können die Gelenksteifigkeit von R2 steuern, wodurch R2 gegenüber typischen "positionsgesteuerten" Robotern wie Automobil-Montagerobotern, die kein "Nachgeben" in ihren Systemen haben und sich für ihre Arbeit perfekt aufstellen müssen, ein Bein gesetzt wird. Ein solcher Roboter wäre mies, wenn er einen Stift in ein Loch steckt; Selbst eine geringfügige Fehlausrichtung würde dazu führen, dass der Stift in den Bereich um das Loch geschlagen wird. Umgekehrt kann R2 den Weg nach Hause "fühlen", indem er den Stift sanft nach vorne bewegt und kleine, gleitende Korrekturen vornimmt, wenn er wie ein Mensch versetzt ist. Die Flexibilität von R2 macht es auch für seine menschlichen Gefährten sicherer, die ihre Bewegung ohne großen Kraftaufwand anhalten können, um Verletzungen zu vermeiden.

Hier sind die Spezifikationen für Robonaut 1 und 2:

Spezifikationen Robonaut 1Robonaut 2
Höhe6,23 Fuß (1,9 Meter)1,03 m (Taille zum Kopf)
Gewicht410 Pfund (182 Kilogramm)330 Pfund (150 Kilogramm)
StrukturmaterialienMeistens Aluminium mit Kevlar- und Teflon-Polsterung zum Schutz vor Feuer und AblagerungenHauptsächlich Aluminium mit Stahl, vernickelter Kohlefaser und nichtmetallischen Werkstoffen
Computing-PlattformPowerPC-Prozessor38 PowerPC-Prozessoren
BetriebssystemVxWorksVxWorks

Robonauts: Die Zukunft des Weltraums steuern?

Jenseits der NASA

Unabhängig von der Zukunft der Robonauten heizt sich die Konkurrenz beim Wiedereintritt wie ein Shuttle auf.

  • Die Europäische Weltraumorganisation aktualisiert ihren Eurobot mit vier Rädern, zwei Armen, austauschbaren Händen mit Werkzeugen, einem fortschrittlichen Navigationssystem, Kameras und Sensoren. Die Agentur erwägt auch die teilweise Umgestaltung von Robotern, beispielsweise einen Rover mit Rädern, die zu Füßen werden.
  • China hofft, bis 2012 einen unbemannten Rover auf den Mond zu schicken und eine Robotermission zu starten, um Proben bis 2017 zurückzubringen.
  • Japan hat angekündigt, bis 2015 einen Zweibeiner-Roboter auf den Mond zu bringen und bis 2030 eine Mondbasis zu bauen.

Robonaut 2 (R2) wird wie sein Vorgänger mit Telepresence gesteuert, bei dem eine Person - entweder ein Astronaut oder ein Bediener bei der Missionssteuerung - den Roboter aus der Ferne führt und dabei mit Hilfe von Onboard-Kameras durch seine Augen blickt. Der Bediener kann Handschuhe tragen, um die Hände von R2 zu bedienen, oder er kann die Kopfbewegungen von R2 steuern, indem er einen Helm trägt, der entfernt mit dem Kopf des Roboters verbunden ist.

R2 ist jedoch keine bloße Marionette. Wie die Mars-Rover arbeitet auch der Robonaut unter kontrollierter Autonomie, was bedeutet, dass er mit Befehlssequenzen (Skripten) geladen wird, die ihm mitteilen, wie bestimmte Aufgaben autonom ausgeführt werden. Ein Bediener überwacht seinen Fortschritt während dieser Aktionen und kann in Echtzeit Korrekturen vornehmen. Die Hoffnung ist, dass R2 eines Tages von einem Robo-Trainee zum Robo-Mitarbeiter wechseln wird und nur sehr wenig Beobachtung oder Anleitung erfordert.

Wie bei R1 bestehen auch R2s Gehirne aus einer Reihe von PowerPC-Prozessoren - einer Technologie, die in anderen Weltraumanwendungen verwendet wird -, auf denen das Echtzeitbetriebssystem VxWorks läuft. Die NASA sagt, dass diese Kombination flexibles Computing bietet und vielfältige Entwicklungsaktivitäten unterstützt. Die Systemsoftware ist in C und C ++ geschrieben. Die ControlShell-Software unterstützt den Entwicklungsprozess und bietet eine grafische Entwicklungsumgebung, die das Verständnis der Forscher für das System und den Code verbessert.

Zunächst wird R2 auf ein Labor auf der Internationalen Raumstation ISS beschränkt. Dort werden Tests mit einer Reihe von Platinen mit Schaltern, Knöpfen und Anschlüssen durchgeführt, wie sie die Astronauten betreiben. Ingenieure vor Ort senden bei Bedarf Hardware- und Software-Updates. Schließlich wird R2 mit einem Bein oder Beinen ausgestattet, die über Zehen verfügen, die zu den in die Wände der Station eingebauten Haushalten passen. Dadurch kann R2 klettern, wobei die Hände frei bleiben, um Ausrüstung zu tragen oder Aufgaben zu erledigen.

Schließlich erhält R2 eine Ausrüstung für extravehikuläre Aktivitäten (EVA) und kann außerhalb der Station Weltraumspaziergänge unternehmen. Es wird dann in der Lage sein, Arbeitsstätten einzurichten und die Zeit zu reduzieren, die Menschen draußen verbringen müssen. Da R2 viel schneller nach außen wechseln kann als Astronauten, kann R2 auch auf Notfälle reagieren. Die NASA arbeitet an einer Batterie (derzeit muss R2 angeschlossen sein), um die Reichweite von R2 zu erhöhen, und zukünftige Robonauten könnten mit Rädern oder sogar einem Jetpack für Erkundungs- und Wartungsaufgaben ausgestattet werden. Geschickte Roboter wie R2 werden sich auch nicht auf die Erforschung des Weltraums beschränken: Eines Tages könnten sie gefährliche Orte auf der Erde anstelle von Menschen wie Vulkanen und Atomkraftwerken betreten.

Auf der nächsten Seite finden Sie weitere Informationen zum Lesen von Robotern.

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Weitere großartige Links

  • Johnson Space Center
  • YouTube-Kanal der NASA-Robonaut
  • NASA Robotics-Startseite
  • Robonaut 2 Startseite
  • RoboSapiens: Robonaut

Quellen

  • Chang, Kenneth. "Die NASA sucht einen Roboter zum Mond zu schicken." Die New York Times. 1. November 2010. (3. Mai 2011)
    //nytimes.com/2010/11/02/science/space/02robot.html
  • Coulter, Dauna. "Die NASA umreißt große Pläne für einen humanoiden Roboter." NASA Science News. 29. April 2010. (4. Mai 2011)
    //science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/29apr10_r2/
  • Coulter, Dauna. "Robonaut 2 soll im Februar starten." NASA Science News. 31. Januar 2011. (4. Mai 2011)
    //science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2011/31jan_r2/
  • Dean, Brandi. Amt für öffentliche Angelegenheiten, NASA - Johnson Space Center. Persönliche Korrespondenz 5. bis 10. Mai 2011.
  • Europäische Weltraumorganisation. "Roboter verwandeln Arbeit im Weltraum." 1. September 2010. (3. Mai 2011)
    //esa.int/esaKIDSde/SEMKH5WNPBG_LifeinSpace_0.html
  • General Motors (über PR NewsWire). "Robonaut 2 kommt an der Internationalen Raumstation an." Die New York Times. 25. Februar 2011. (2. Mai 2011)
    //markets.on.nytimes.com/research/stocks/news/press_release.asp
    docTag = 201102250900PR_NEWS_USPRXDE54767 & feedID = 600 &
    press_symbol = 27294563
  • Jha, Alok. "Treffen Sie Robonaut 2, Astronaut Assistant." The Guardian (Großbritannien). 2. November 2010. (3. Mai 2011)
    //guardian.co.uk/science/2010/nov/02/robonaut-2-international-space-station
  • Mehling, Joshua. Robonaut Projektingenieur. Persönliche Korrespondenz 9. Mai 2011
  • Moseman, Andrew. "Japanisches Konsortium: Wir schicken einen humanoiden Roboter auf den Mond." Entdecken Sie das Magazin 80 Beats Blog. 4. Mai 2010. (3. Mai 2011)
    //blogs.discovermagazine.com/80beats/2010/05/04/japanese-consortium-well-send-a-humanoid-robot-to-walk-on-the-moon/
  • NASA. "Autonomer Betrieb des ISS Task Boards." 18. Februar 2011. (4. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=Z0k8YVTrXVs
  • NASA. "Human Space Flight: Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystem." (17. Mai 2011)
  • NASA. "#NASATweetup: STS-133 Discovery - Demo Teil 1 von Robonaut." 4. November 2010. (5. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=Z78QUUioRzI
  • NASA. "#NASATweetup: STS-133 Discovery - Demo 2 von Robonaut 2." 5. November 2010. (5. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=bJ187uUib2o
  • NASA. "#NASATweetup: STS-133 Discovery - Robonaut 2 Demo Part III." 5. November 2010. (5. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=6sXHz3T9rn8
  • NASA. "#NASATweetup: STS-133 Discovery - Robonaut 2 Demo Part IV." 5. November 2010. (5. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=69ttCyfgFAY
  • NASA. "NASA und GM machen einen Riesenschritt in der Robotik." 13. Juli 2010. (5. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=hrxcJn_EcG4
  • NASA. "NASAFacts: Robonaut 2." (4. Mai 2011)
    //nasa.gov/pdf/464887main_Robonaut2FactSheet.pdf
  • NASA. "NASA startet R2, um sich der Space Station Crew anzuschließen." 13. Juli 2010. (3. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=vfhS_st5ams
  • NASA. "Robonaut 2." (2. Mai 2011)
    //robonaut.jsc.nasa.gov/
  • NASA. "Robonaut 2: Ein Traum wurde Wirklichkeit." 2. März 2011. (2. Mai 2011)
    //youtube.com/watch?v=kepkSnrSec0
  • Vause, John. "Chinas ehrgeizige Pläne im Weltraum." CNN. 26. November 2007. (4. Mai 2011)
    //articles.cnn.com/2007-11-26/tech/china.space.race_1_chang-e-helium-3-lunar-orbiter?_s=PM:TECH


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