Erfassung der feinmotorischen Performanz beim On-Orbit Servicing mittels Telemanipulation und Unterwassersimulation

Bei einer großen Anzahl von Montagetätigkeiten hängt der Erfolg oder die Qualität des Resultates nicht zuletzt von der Güte der feinmotorischen Leistung des Bearbeiters ab. Dies bezieht sich nicht nur auf Tätigkeiten auf der Erde, sondern auch auf den extraterrestrischen Raum. Gerade im Bereich des On-orbit-Servicing und damit bei Reparaturen und Montagetätigkeiten im Orbit wird die Performanz der Menschen durch die widrigen äußeren Umstände beeinflusst. Dabei sind Fehler in dieser Umgebung nicht selten mit Gefahren für die beteiligten Personen verbunden. Neben den starken Temperaturschwankungen, dem Vakuum sowie der Mikrogravitation herrschen im Orbit hohe Konzentrationen an belastender Strahlung. Aus diesen Gründen ist der Mensch während entsprechender Außenbordeinsätze mit besonderen Raumfahrtanzügen, den sogenannten Extravehicular Activity Spacesuits (EVA Spacesuits), ausgestattet (Thomas, 2006). Diese Anzüge bieten zwar einerseits Schutz vor den widrigen Bedingungen im All, schränken den Menschen jedoch andererseits in seiner Beweglichkeit und seinem Blickfeld ein. Neben dieser Einschränkung wirkt die ungewohnte Mikrogravitation zusätzlich beeinträchtigend auf den Organismus und den menschlichen Bewegungsapparat (Parrish, 1999; Thomas, 2006). Diese Einschränkungen können zu Einbußen hinsichtlich der feinmotorischen Leistung bei den entsprechenden Montage- und Reparaturtätigkeiten im Orbit führen. Zusätzlich sind die kostenaufwendigen und zeitintensiven Außenbordeinsätze trotz weitreichender Vorsichtsmaßnahmen nach wie vor mit einem erheblichen Sicherheitsrisiko für den Menschen verbunden. Aus diesem Grund wird nach Alternativen und Unterstützungsmöglichkeiten für die entsprechenden Außenbordeinsätze von Astronauten1 gesucht (McCain, 1991).Eine Möglichkeit zur Unterstützung von Astronauten beim On-orbit-Servicing könnten die Telemanipulationssysteme darstellen (King, 2001). Diese Systeme bestehen grundsätzlich aus einem Operator, einem Rechnersystem und einem Teleoperator (Hung, 2003). Durch diesen Aufbau können Aktionen in einer entfernten Umgebung durchgeführt werden. Folglich könnten mithilfe entsprechender Telemanipulationssysteme Reparaturen und Wartungsarbeiten vorgenommen werden, ohne dass ein Mensch direkt vor Ort in der entfernten Umgebung physisch präsent sein muss. Bereits während der Robotik-Komponenten-Verifikation auf der Internationalen Raumstation (ROKVISS) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Kooperation mit der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) konnte ein Telemanipulationssystem seine Raumfahrttauglichkeit unter Beweis stellen (Albu-Schäffer, 2006). Eine Grundlage für diesen Aufbau lieferte der DLR-Leichtbauroboter. Diese Roboter finden in mehreren Telemanipulationssystemen Verwendung. Eine nähere Betrachtung entsprechender Telemanipulationssysteme im Hinblick auf ihre Tauglichkeit, Astronauten beim On-orbit-Servicing zu unterstützen, ist daher sinnvoll. Dabei sollte darauf hingewiesen werden, dass die Telemanipulationssysteme ihrerseits Faktoren aufweisen, die die Performanz des Benutzers beeinträchtigen könnten, z. B. eine Zeitverzögerung bei der Datenübertragung (Keshavarzpour, 2008)

Evaluation und Weiterentwicklung eines kapazitiven taktilen Näherungssensors

Die vorliegende Arbeit hat die Technologie eines kapazitiven taktilen Näherungssensors zum Thema. Zunächst wird anhand eines existierenden Sensors gezeigt, wie dieser in der Robotik in zwei Aufgabenbereichen gewinnbringend eingesetzt werden kann: in der robusten Manipulation und in der Überwachung des Umfelds des Roboters. Im Bereich der Manipulation werden zwei neue Untergebiete für diese Art von Sensoren erschlossen: die Haptische Exploration und die Telemanipulation. Dann wird diese Technologie in einem neuen Entwurf entscheidend weiterentwickelt, indem ihre Funktionalität erweitert, ihre Integrierbarkeit verbessert und ihre Ortsauflösung erhöht wird. Für den Bereich der Manipulation wird ein Zwei-Backen-Greifer mit vorhandenen Sensormodulen ausgestattet. Eine gradientenbasierte Regelung ermöglicht das berührungslose Ausrichten an Objekten in den sechs Raumfreiheitsgraden. Diese Methode ist Grundlage für die weiteren Methoden der Haptischen Exploration und der Telemanipulation. Die traditionelle Haptische Exploration wird erweitert, indem berührungslose Explorationsschritte eingeführt werden, welche effizient ausgeführt werden können. Die Telemanipulation beinhaltet, dass der Nutzer des Systems eine Kraftrückkopplung spürt, welche mit dem Gradienten, der durch die Näherungssensoren detektiert wird, korrespondiert. Mit dieser Unterstützung kann der Nutzer Objekte effizienter explorieren und greifen. Die Überwachung des Umfelds des Roboters wird realisiert, indem ein End-Effektor mit den vorhandenen Sensormodulen ausgestattet wird. In einem Szenario zur Konturverfolgung bzw. Kollisionsvermeidung wird gezeigt, dass der End-Effektor unvorhergesehene Hindernisse erfolgreich umfahren kann. Im vorgestellten Ansatz wird gezeigt, dass die geschätzte Krümmung der Hindernisfläche für eine prädiktive Regelung verwendet werden kann. Aus der anwendungsbezogenen Evaluation des Sensors werden die Anforderungen des neuen Entwurfs abgeleitet. Der Sensor wird in seiner Funktionalität erweitert, insbesondere mit der Fähigkeit, im beidseitig-kapazitiven Modus zu messen. Dieser Modus verbessert die Robustheit bei der Detektion von nicht leitenden Materialien. Hinsichtlich der Integrierbarkeit wird der Sensor modularisiert, d. h. einzelne Sensoreinheiten sind in der Lage autark zu messen und die Signale zu verarbeiten. Schließlich wird eine flexible Ortsauflösung für den Sensor realisiert, damit dieser situativ eine höhere Ortsauflösung oder eine höhere Empfindlichkeit aufweisen kann. Es wird gezeigt, dass sich die Methoden, welche für den ersten Sensor entwickelt wurden, auch mit dem neuen Sensor umsetzen lassen. Durch die bessere Integrierbarkeit und Vielseitigkeit werden die Voraussetzungen für eine weitere Verbreitung der Technologie geschaffen