Kompakte DC-Servomotoren für Cobot im All
Künstlicher Assistent für Astronauten
Die Raumfahrt-Division von Airbus hat einen 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 es ihm, sich an Bord frei zu bewegen.
Die Raumfahrt-Division von Airbus hat den ersten künstlichen Assistenten für Astronauten namens Cimon entwickelt. (Bild: ©Airbus Space)
Airbus hatte die Konzeption des kugelförmigen Flugbegleiters 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. Aufgrund der KI lernt der kleine Helfer selbständig, sich zu orientieren, sich im Raum zu bewegen, Wissen zu sammeln und seinen menschlichen Partner zu erkennen, um mit ihm zu kommunizieren.
Die kompakten bürstenlosen DC-Servomotoren sind bei 8mm Durchmesser lediglich 24,1mm lang und liefern ein Drehmoment von 1,1mNm. (Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG)
Technologieexperimente im All
Als Teil der Horizons-Mission flog der Astronautenassistent 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 Technologieexperiment 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 des Cobots bleibt zunächst im Wesentlichen auf drei Experimente beschränkt, die er zusammen mit dem deutschen Crewmitglied und zeitweiligen Kommandanten Alexander Gerst absolvierte. Gemeinsam machten sie sich dran, die Farben des Rubik-Zauberwürfels zu sortieren und führten einen Versuch mit Kristallen sowie ein medizinisches Experiment durch. Dabei unterstützt der künstliche Assistent bei Lernprozessen, gibt Schritt-für-Schritt-Anleitungen, prüft die Erledigung mit Hilfe seiner eingebauten Kamera und greift bei Bedarf auch verbal korrigierend ein.
Propellerantrieb für den Cobot
An Bord der ISS schwebt der Medizinball große Assistent trotz seiner 5kg Gewicht 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 der Astronautenassistent 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. 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 von Faulhaber. Der Speed Controller SC1801 des gleichen Herstellers übersetzt die Befehle der Navigationssoftware und regelt die Drehzahl entsprechend. 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.
