Die NASA setzt Roboterintelligenz ein, um Astronauten und die Industrie zu stärken

MoveIt Pro von PickNik, teilweise mit Finanzierung und Hilfe der NASA entwickelt, automatisiert Roboterarmdemonstrationen in den Lobbys von zwei Amazon Web Services-Lernzentren. (Bild:PickNik Inc.)

Ein Astronaut zu sein ist nicht immer glamourös.

Besatzungsmitglieder auf der Raumstation verbringen etwa ein Drittel ihrer Zeit damit, Fracht aus Nachschubkapseln einzuschleppen und Müllsäcke wieder hinauszutragen, sagte Shaun Azimi, der das Dexterous Robotics-Team am Johnson Space Center der NASA in Houston leitet. Und das mit einer siebenköpfigen Vollzeitbesatzung.

Da die NASA in den späteren Artemis-Missionen längere Astronautenaufenthalte auf und um den Mond plant, möchte die Agentur, dass Roboter einige dieser einfachen Aufgaben übernehmen, damit die Besatzungsmitglieder mehr Zeit für die Wissenschaft und Erkundung haben, für die sie da sind. Das Problem besteht darin, dass Roboter in der Science-Fiction oft als Menschen durchgehen, die Entwicklung realer Roboter – die eher beweglichen sechsgelenkigen Armen ähneln – für die Ausführung selbst der einfachsten menschlichen Aufgaben jedoch äußerst kompliziert ist.

Hivebotics in Singapur verwendet eine benutzerdefinierte Version von MoveIt Pro, um sein Flaggschiffprodukt, einen Toilettenreinigungsroboter namens Abluo, zu automatisieren. (Bild:PickNik Inc.)

„Robotermanipulation ist in der Vergangenheit so, als würde ein großer Arm in einer Fabrik das Fahrgestell eines Autos von einem Förderband auf ein anderes bewegen“, sagte Ezra Brooks, leitender Software-Ingenieur bei PickNik Inc., und stellte fest, dass keine Intelligenz erforderlich ist, um diese vorprogrammierten Aktionen immer wieder zu wiederholen.

Einen Roboter dazu zu bringen, ein Objekt in einer unstrukturierten Umgebung zu erkennen, sich ihm zu nähern und eine Operation damit auszuführen, ist eine ganz andere und weitaus schwierigere Aufgabe. Dies ist die Herausforderung, die das in Boulder, CO, ansässige Unternehmen PickNik mit Hilfe der Raumfahrtbehörde meistert.

Beispielsweise arbeitete das Unternehmen mit Robotikern bei Johnson zusammen, um eine Software zu entwickeln, die es einem Roboter ermöglicht, eine Luke an einem Raumschiff zu erkennen – einschließlich Riegel, Griff und Scharniere –, dann den Riegel zu drehen, den Griff zu ergreifen und die Tür zu öffnen.

Die Benutzeroberfläche der Robotersteuerungssoftware MoveIt Pro von PickNik Robotics zeigt die Zusammenarbeit des Unternehmens mit dem Automobilhersteller BMW, um Fließbandroboter besser in die Lage zu versetzen, mit unerwarteten Situationen umzugehen. (Bild:PickNik Inc.)

Allein die Planung der Bewegung von einer gegebenen Anfangskonfiguration der Gelenke in einem Roboterarm bis zu einer Endkonfiguration, die ihn für die nächste Aktion vorbereitet, „erfordert sehr kluge Mathematik und viel CPU-Leistung“, sagte Brooks. „Sobald Sie diese Flugbahn dann tatsächlich ausführen, teilt die Software dem Roboter alle winzigen Bewegungen mit, die er ausführen muss. Vielleicht mehr als 1.000 Mal pro Sekunde sendet er Befehle, die sagen:Bewegen Sie dieses Gelenk mit dieser Geschwindigkeit oder bewegen Sie sich in diese etwas andere Position.“ Ein Force-Feedback-Algorithmus teilt dem Roboter mit, wann er den Riegel erfasst hat, und ein Steueralgorithmus bestimmt, wie viel Kraft der Roboter aufwendet, um ihn zu drehen.

Während noch viel Arbeit zu leisten ist, um Roboter auf Mondoperationen vorzubereiten, findet die mit Hilfe der NASA entwickelte Software PickNik bereits Anwendung auf der Erde.

Die im Rahmen des Small Business Innovation Research (SBIR)-Programms finanzierte Arbeit bei Johnson wurde im neuen Integrated Mobile Evaluation Testbed for Robotics Operations (iMETRO) des Zentrums durchgeführt. Dort bewies das Team auch, dass die Software in der Lage ist, den Arm dazu zu bringen, Frachttransporttaschen, wie sie auf der Internationalen Raumstation verwendet werden, in die Luke und in einen Lagerbehälter hinein und aus dieser heraus zu heben, im Hinblick auf zukünftige Artemis-Aufgaben der Roboter.

Die mit Azimi getestete Software PickNik, die jetzt als MoveIt Pro bekannt ist, wurde mit SBIR-Mitteln der NASA und der Space Force entwickelt, und weitere SBIR-Verträge der NASA haben dazu beigetragen, die Benutzeroberfläche zu verfeinern und ihre Autonomie und Fähigkeit zur Wiederherstellung nach Fehlern zu verbessern.

Frühe Artemis-Missionen werden von kurzer Dauer sein, aber irgendwann könnten etwa vierköpfige Besatzungen einen Monat pro Jahr auf dem Mond und in einer Raumstation im Mondorbit namens Gateway verbringen. Während der anderen 11 Monate, so Azimi, könnten Roboter Vorräte laden und entladen sowie einfache Inspektions- und Wartungsarbeiten durchführen, sodass die nächste Besatzung ihren Aufenthalt optimal nutzen könne. „Ich sehe darin gerne eine Möglichkeit, den Wert des Geldes zu maximieren, das wir ausgeben, um Menschen auf die Mondoberfläche zu bringen“, sagte er.

Er wies darauf hin, dass dieselben Roboter ähnliche Aufgaben auf kommerziellen Raumstationen erfüllen könnten, die eine Handvoll Unternehmen derzeit für die erdnahe Umlaufbahn bauen und die wahrscheinlich auch nur Teilzeitbesatzung haben würden.

Azimi sagte, PickNik baue derzeit einen kommerziellen Kundenstamm auf der Erde auf, der dazu beitrage, die Produktentwicklung zu finanzieren und nachhaltig zu gestalten. „Unsere Entwicklung durch NASA-SBIRs konzentriert sich also auf die Lücken zwischen diesem terrestrischen Anwendungsfall und dem Anwendungsfall im Weltraum.“ Beispielsweise wird die inkonsistente Kommunikation zwischen Erde und Mond mehr unabhängige Roboter erfordern. Und die Möglichkeit, auftretende Probleme aus der Ferne zu beheben, wird viel wichtiger, wenn menschliche Bediener 240.000 Meilen entfernt sind. Aber all diese Fähigkeiten sind auch auf der Erde nützlich.

In der Einrichtung „Integrated Mobile Evaluation Testbed for Robotics Operations“ im Johnson Space Center hat die Robotersteuerungssoftware PickNik ihre Leistungsfähigkeit bei Aufgaben wie dem Durchführen von Frachttransfertaschen durch eine Luke und dem Platzieren dieser in Lagerbehältern unter Beweis gestellt, in Erwartung der Arbeit, die die NASA von Robotern während der späteren Artemis-Missionen erwarten würde. (Bild:NASA)

Brooks sagte, das 35-köpfige Unternehmen hätte ohne frühzeitige Finanzierung durch die NASA möglicherweise kein kommerzielles Produkt entwickelt. In der Robotik, sagte er, „muss man jahrelange Forschung und iterative Entwicklung betreiben, um Algorithmen zu verfeinern und ernsthafte Wissenschaft zu betreiben, um an einen Punkt zu gelangen, an dem man überhaupt ein eindeutiges Produkt hätte, das man verkaufen könnte.“ Die NASA hat einen Großteil dieser grundlegenden Arbeit finanziert.

Und es sei hilfreich, mit einer der weltweit führenden Robotikorganisationen zusammenzuarbeiten, sagte er. „Die Zusammenarbeit mit der NASA ist wirklich lohnend, da man so in die Tiefe wirklich schwieriger Probleme eintauchen kann, mit denen bisher fast niemand sonst konfrontiert ist.“

Tatsächlich stieß Brooks auf einige dieser Probleme, als er als NASA-Auftragnehmer an der On-Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1-Mission der Agentur arbeitete, einem ehrgeizigen Robotikprojekt, das ein paar Jahre nach seiner Abreise zu PickNik abgesagt wurde. Er sagte, die Arbeit habe ihm geholfen, die Herausforderungen vorherzusehen und zu bewältigen, mit denen das MoveIt-Team konfrontiert sein würde.

Die gesamte von der NASA finanzierte Softwareentwicklung sei bereits in MoveIt Pro, dem Flaggschiffprodukt des Unternehmens, integriert, sagte Brooks. Die im Jahr 2023 veröffentlichte Software hat einen bedeutenden Kundenstamm gefunden. BMW nutzt es, um mehr Intelligenz in seine Robotermontagelinien zu bringen, und automatisiert Roboterarmdemonstrationen in den Lobbys von zwei Amazon Web Services-Lernzentren.

Ein Unternehmen namens Lightspeed nutzt MoveIt Pro, um riesige Roboterarme zu programmieren, die „Paneele“ aus Wänden, Dächern und Böden bauen, um dem landesweiten Mangel an bezahlbarem Wohnraum entgegenzuwirken. Und PickNik hat die Software angepasst, um Hivebotics aus Singapur bei der Automatisierung seines Flaggschiffprodukts, eines Toilettenreinigungsroboters namens Abluo, zu unterstützen.

Damit MoveIt Pro eines Tages jedoch Roboter im Weltraum automatisieren kann, müssen Ingenieure und Raumfahrtagenturen laut Brooks noch viel Arbeit leisten, um Vertrauen in die Roboterintelligenz für Weltraummissionen aufzubauen. „Es ist weitaus komplizierter als wirklich jede andere Software, die jemals ins All geflogen wurde.“

Aber Azimi sagte, dass sich die Mühe lohnen werde. Roboter, die zu logistischen Aufgaben fähig sind, könnten wahrscheinlich die Wartung von Anlagen übernehmen und sogar wissenschaftliche Experimente am Laufen halten, während die Besatzung abwesend ist, sagte er. „Alles, was Roboter in diesen 11 Monaten tun können, Sie sind dem voraus, was Sie wären, wenn Sie diese Fähigkeit überhaupt nicht hätten.“

Weitere Informationen finden Sie hier  .