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Apr 01, 2024

Robonaut ist seit Jahren kaputt, und jetzt bringt die NASA es nach Hause

Im Februar 2011 startete die NASA Robonaut 2 zur Internationalen Raumstation. Es war ein großer Erfolg für das Robotikteam im Johnson Space Center der NASA in Houston. Es hatte andere gegeben

Im Februar 2011 startete die NASA Robonaut 2 zur Internationalen Raumstation. Es war ein großer Erfolg für das Robotikteam im Johnson Space Center der NASA in Houston. Es hatte schon andere Roboter im Weltraum gegeben, aber Robonaut war der erste fortschrittliche Humanoide, der jemals eine Mission außerhalb der Erde unternahm. An Bord der ISS sollte der Roboter schließlich Seite an Seite mit Astronauten arbeiten und einige der langweiligen und sich wiederholenden Aufgaben ausführen, die viel Zeit in Anspruch nehmen, die die Menschen auf der Station stattdessen für Wissenschaft und Entdeckungen aufwenden könnten.

Eine Zeit lang lief es gut. Der Roboter wurde aus seiner schützenden Schaumstoffverpackung ausgepackt und im Destiny-Labormodul aufgebaut. Es wurde im August 2011 zum ersten Mal in Betrieb genommen und 2012 wurden Übungsschalter umgelegt und Übungshandläufe gereinigt, während es vom Boden aus teleoperiert wurde. Etwa einmal im Monat stellten Astronauten den Robonaut auf, der mehrere Stunden lang Forschungsaufgaben erledigte und so den Übergang von einem experimentellen Projekt zu einem nützlichen Helfer bei der Wartung bemannter Raumschiffe herbeiführte. Robonaut hat sogar einen eigenen Twitter-Account: „Schau mich an. Ich bin im Weltraum!“

Doch 2014 beschloss die NASA, ein komplexes und riskantes Upgrade durchzuführen. Der zur ISS geschickte Robonaut hatte einen Rumpf mit zwei Armen und einem Kopf, und nun wollte die NASA ein Paar Beine hinzufügen. Die Idee war, Robonaut mehr Mobilität innerhalb der Station zu ermöglichen. Die verlängerten, wackeligen Beine würden fast wie ein zweites Armpaar fungieren und es dem Roboter ermöglichen, sich an Handläufen festzuhalten, um sich in der Station zu bewegen, was seine Leistungsfähigkeit erheblich steigert.

Doch das Upgrade verlief nicht nach Plan und führte stattdessen zu einem anhaltenden Problem, das die Astronauten nicht beheben konnten. In den letzten Jahren war Robonaut fast vollständig außer Gefecht gesetzt, und öffentlich zugängliche ISS-Statusberichte zeigen, dass der Roboter das letzte Mal im Dezember 2013 eine vollständige Forschungsaufgabe abgeschlossen hat. Diese Woche gab die NASA bekannt, dass sie Robonaut zurück zur Erde bringen wird festgesetzt werden.

Robonaut bei seinem Task Board im Januar 2013. Foto: NASA

Die Entscheidung, Robonaut Mobilität zu ermöglichen, war schon immer Teil des langfristigen Plans der NASA für den Roboter. Die NASA hatte ursprünglich drei verschiedene Phasen der Robonaut-Operationen vorgesehen. Die erste Phase erfolgte im stationären Betrieb und konnte Ende 2013 mit dem Robonaut-Torso erfolgreich abgeschlossen werden. Phase II war „IVA Mobility“, wobei IVA für „intravehicular“ steht. Für diese Phase benötigte Robonaut eine Möglichkeit, sich im Inneren der ISS fortzubewegen, wo die Beine ins Spiel kamen. Die Beine wären auch für Phase III, „EVA Mobility“, von entscheidender Bedeutung, bei der es darum ging, im Vakuum außerhalb der Station zu arbeiten , obwohl dieses Szenario noch größere Hardware-Upgrades am Roboter erfordert hätte.

„Das Raumstationsprogramm war daran interessiert, unsere Reichweite zu erweitern“, sagte Julia Badger, Robonaut-Projektmanagerin am Johnson Space Center der NASA, diese Woche gegenüber IEEE Spectrum. „Wenn wir uns bewegen könnten, könnten wir das Logistikmanagement übernehmen, möglicherweise Filter reinigen oder Reparaturen durchführen. Der Wechsel war die nächste Ebene der Fähigkeiten, die wir entwickeln und testen konnten.“

Die wackeligen Beine des Robonauten.Foto: NASA

Aber das Hinzufügen neuer Beine zum ISS-Robonaut wäre viel aufwändiger, als sie einfach zur Station zu transportieren und am Robonaut-Rumpf festzuschrauben. Die Beininstallation würde die Aufrüstung eines erheblichen Teils der Kernhardware des Robonaut erfordern, einschließlich neuer Computer und neuer Verkabelung, um die Beine mit dem Hauptprozessor des Roboters zu verbinden, ganz zu schweigen von einem komplexen mechanischen Montageprozess. Erschwerend kam hinzu, dass Robonaut ursprünglich als Forschungsroboter für den Einsatz auf der Erde entwickelt wurde. „Robonaut war überhaupt nicht dafür konzipiert, von Astronauten bedient zu werden“, sagte Badger. „Er war als Laborroboter konzipiert und wir nutzten die Gelegenheit, ihn ins All zu schicken.“

Selbst für die NASA war die Beinaufrüstung ehrgeizig. Auf die Frage, ob das Team zuversichtlich sei, dass es funktionieren würde, sagte Badger: „Ich glaube definitiv nicht, dass wir zuversichtlich waren. Bei der ISS geht es im Wesentlichen darum, neue Dinge auszuprobieren, daher haben wir durch die Entwicklung dieser Verfahren und die Durchführung dieser komplexen Operation durch die Astronauten viel gelernt.“ Sie fügte hinzu, dass die Besatzungsmitglieder „hervorragende Arbeit geleistet“ hätten und dass das Problem mit dem Roboter nicht auf die Arbeit der Astronauten zurückzuführen sei, sondern auf die Komplexität der Hardware zurückzuführen sei.

Die NASA ging davon aus, dass die Astronauten etwa 20 Stunden brauchen würden, um den Bein-Upgrade durchzuführen, für den das Robonauten-Team auf der Erde 14 Stunden benötigte. Am Ende dauerte es etwa 40 Minuten. Die Arbeiten begannen am 16. Juli 2014 und wurden am 28. August abgeschlossen und als erfolgreich bezeichnet.

Fast sofort erkannte das Robonaut-Team am JSC, dass etwas nicht stimmte. Am 29. August war der Roboter teilweise eingeschaltet, am Boden konnten jedoch keine Telemetriedaten festgestellt werden. Nicht lange danach wurde ein loses Kabel repariert und der Roboter bestand die Zwischenprüfungen, aber beim nächsten Einsatz am 17. Dezember (das erste Mal, dass Robonaut nach dem Upgrade mit Motorstrom versorgt wurde) ließen sich die Beine nicht bewegen.

Astronaut Steve Swanson mit Robonaut im Jahr 2014, nach Abschluss des Bein-Upgrades.Foto: NASA

Zwischen Januar und August 2015 verzeichneten Astronauten und Bodenteams eine Reihe unberechenbarer Verhaltensweisen, darunter Sensorausfälle, Kommunikationsausfälle und wiederholte Prozessorabstürze. Bis September deuteten weitere Fehlerbehebungen darauf hin, dass das Problem bei der Stromversorgung der Robonaut-Prozessoren lag. „Wir begannen innerhalb unseres Betriebsfensters, die Stromversorgung unserer Computer zu verlieren, und mit der Zeit wurde es immer schwerwiegender“, erzählte uns Badger. „Ein Aus- und Wiedereinschalten würde es im Allgemeinen zurückbringen, nur für kurze Zeit. Das Problem bestand darin, dass wir es manchmal einschalten konnten, weil es zeitweise auftrat, und manchmal einfach sofort ausfiel, weil es nachließ. Wir konnten den Daten nicht unbedingt vertrauen – das war sehr verwirrend.“

David Wettergreen, Robotiker an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, der sich auf autonome Roboter zur Planetenerkundung spezialisiert hat, erklärte, dass die Komplexität von Robotersystemen die Fehlererkennung und -vermeidung zu einer gewaltigen Aufgabe mache. „Bei einfacheren Systemen kann man vernünftigerweise davon ausgehen, dass alles funktioniert, und wenn nicht, kann es wie Ihr Auto debuggt und repariert werden“, sagte er. „Aber wenn ein Roboter nicht zugänglich ist, wie ein autonomes Unterwasserfahrzeug, oder wenn die Sicherheit an erster Stelle steht, wie ein selbstfahrendes Auto, dann müssen entweder alle Fehlermodi im Voraus verstanden und entschärft werden, oder der Roboter muss es tun.“ in der Lage sein, sich selbst zu diagnostizieren und zu reparieren.“ Um die Sache noch anspruchsvoller zu machen, fügte er hinzu, seien Techniken wie Fehlertoleranz und Fehlerbeseitigung Bereiche intensiver aktiver Forschung.

„Robonaut muss sowohl robust als auch sicher sein“, sagte er, „daher ist die erforderliche Systemtechnik auf dem neuesten Stand der Technik.“

Die täglichen zusammenfassenden Berichte der ISS geben einen Einblick, wie sehr die Astronauten auf der Station und das Robonauten-Team am Boden darum kämpften, zu verstehen, was mit dem Roboter schief lief. Im Jahr 2016 schien es, als würde Robonaut fast Stück für Stück auseinandergenommen und analysiert.

[Astronaut Tim] Kopra hat einen Camcorder aufgestellt, um Video-Downlinks in Standardauflösung von Robonaut-Operationen im US-Labor aufzunehmen. Er nutzte das Oszilloskop, das Multimeter und die Stromsonde, um die Bodenteams bei dieser Fehlerbehebung zu unterstützen, indem er die Controller-Karte ausschaltete und Robonaut ohne die Controller-Karte erfolgreich mit Strom versorgte. Die von der heutigen Aktivität gesammelten Daten werden vor Ort analysiert, um die Ursache des Fehlers in der Stromversorgung zu ermitteln. —Auszug aus dem ISS Daily Summary Report, 23.03.16

Zwei Controllerkarten, von denen das JSC-Team vermutete, dass sie dafür verantwortlich sein könnten, wurden sogar zum Testen zur Erde zurückgeschickt. Aber nach der Inspektion im Labor waren die Karten in Ordnung, und die Suche nach einer Lösung ging weiter, wobei das Team alles überprüfte und noch einmal überprüfte, einschließlich der Masse an Kabeln im Inneren des Roboters:

Die Crew führte eine Fehlerbehebung am Robonaut-Chassis durch. Frühere Fehlerbehebungen deuteten auf ein Problem mit zwei Karten hin, die zurückgegeben und vor Ort getestet wurden. Die heruntergefahrenen Karten wurden entlastet und während der heutigen Aktivitäten erhielten die Teams beim ersten Einschalten eine gute Reaktion vom Robonauten. Die Kontrollleuchten entsprachen den Erwartungen eines funktionierenden Robonauten. Bei dem Versuch, intermittierende Fehlerzustände einzugrenzen, wurden verschiedene Einschaltzyklen durchgeführt. Schließlich entlastete das Team mehrere der Kabel. Die Karten wurden nicht aus dem CPCI-Gehäuse (Compact Peripheral Component Interconnect) entfernt und bleiben installiert, und alle Kabel blieben angeschlossen. Die Teams planen, die Ergebnisse zu analysieren, um etwaige Maßnahmen für die Zukunft zu entwickeln.– Auszug aus dem ISS Daily Summary Report, 01.02.17

Es mag überraschend erscheinen, dass die Robotikexperten der NASA das Problem nicht schneller diagnostizieren und beheben konnten, da Weltraumhardware sorgfältig entworfen, gebaut und getestet wird, bevor sie ins All geht. Aber der ISS-Robonaut, an dem die Astronauten arbeiteten, unterscheidet sich geringfügig von den anderen fünf Robonauten am JSC. Die Raumstation Robonaut ist ein R2-B-Modell, während es sich bei den Robotern auf der Erde um R2-Cs handelt, eine spätere Version, die laut Badger „eine ziemlich bedeutende Weiterentwicklung des Designs“ darstellt. Letztendlich sagte sie, dass diese Unterschiede endlich die Antwort lieferten, Jahre nachdem das Problem zum ersten Mal aufgetreten war.

Die Astronauten Peggy Whitson, Shane Kimbrough und Thomas Pasquet bei der Fehlerbehebung bei Robonaut am 01.02.17. Foto: Thomas Pasquet über Facebook

„Es hat sehr lange gedauert, bis wir es herausgefunden haben, aber am Ende hat der [ISS-]Roboter den Weg vom Computergehäuse zum Boden verfehlt“, sagte sie. „Die Strömung suchte sich einen anderen Weg und verschlechterte langsam den Roboter. Da sich dieser Roboter im Orbit von denen am Boden unterschied, war es irgendwie ein Fehler, dass dieser Bodenpfad nicht vorhanden war, und er war sehr schwer zu finden.“

Dies bedeutete, dass der elektrische Strom nicht so durch Robonauts Körper floss, wie er sollte. Es ist möglich, dass einige seiner Schaltkreise und Prozessoren überhaupt keinen Strom erhielten, während andere Komponenten durch zu viel Strom praktisch zerstört wurden. Der Fehler führte dazu, dass Robonaut langsam getötet wurde.

Wettergreen von der CMU sagte, er sei auf ähnliche Szenarien gestoßen. „Fehler bei der ordnungsgemäßen Erdung von Schaltkreisen können zu wirklich seltsamen Symptomen führen, die zunächst keinen Bezug zur eigentlichen Ursache zu haben scheinen – mit der Elektronik kann scheinbar alles passieren“, sagte er. „Das Debuggen kann lange dauern, da das Problem nicht leicht reproduzierbar ist und möglicherweise nicht oft oder sogar jedes Mal auf die gleiche Weise auftritt.“

„Fehlersuche mit @AstroRobonaut-Experten vor Ort, um einige technische Probleme zu beheben“, twitterte Astronaut Tim Kopra im März 2016. „Er ist noch nicht ganz geheilt.“ Foto: Tim Kopra über Twitter

Letzten August versuchten Astronauten, eine Erdungsbrücke zu installieren, aber das brachte keine Lösung. Die Stelle, an der sie den Jumper anbringen wollten, war laut Badger mit einem speziellen Dichtmittel bedeckt, das empfindliche Komponenten vor Kurzschlüssen durch möglicherweise um die ISS schwebende Fremdkörper schützt. Die Astronauten mussten versuchen, das zu beseitigen, und „es gab große Schwierigkeiten“, sagte Badger. „Es gab noch einige Zweifel, ob es sich tatsächlich um eine wirksame Verbindung handelte oder nicht. Wir sind auch ziemlich zuversichtlich, dass dieser fehlende Draht wahrscheinlich noch weitere Schäden verursacht hat.“

Es ist dieser andere Schaden, der am besorgniserregendsten ist. Selbst wenn das ursprüngliche Erdungsproblem gelöst wurde – und das Robonaut-Team ist sich nicht sicher, ob dies der Fall ist – leidet Robonaut mit ziemlicher Sicherheit unter erheblichen Leistungseinbußen, die dadurch verursacht werden, dass Strom unkontrolliert durch das Computergehäuse fließt. Es gab noch ein paar zusätzliche Dinge, die das Team hätte versuchen können, aber als die NASA fragte, ob sie auf dem Rückflug einer bevorstehenden Nachschubmission etwas freien Frachtraum nutzen wollte, um Robonaut nach Hause zu bringen, sagte das Team ja. Abhängig davon, wie viel Schaden sie feststellen, besteht der Plan darin, entweder den ISS Robonaut zu reparieren und zur Station zurückzuschicken oder ihn gegen eine der R2-C-Einheiten bei JSC auszutauschen und stattdessen diese hochzuschicken.

Badger konnte keinen Zeitrahmen nennen, wann Robonaut wieder auf der ISS sein könnte – es gibt keine garantierte Mission und sie müssen Platz finden, was eine Herausforderung sein könnte, da Robonaut eine relativ große Nutzlast ist. Das bedeutet, dass die Beine möglicherweise nicht einmal befestigt werden können, wenn sie es zum zweiten Mal hochschicken, obwohl Badger verspricht, dass „die Wiedereingliederung viel, viel einfacher sein wird“, wenn das der Fall ist.

„@Astro_sabot (Astronaut Mark T. Vande Hei) und ich haben Robonaut für die Rückkehr zur Erde zur Reparatur und Sanierung eingepackt“, twitterte Astronaut Joseph M. Acaba gestern zusammen mit einem Bild vom 9. Februar. „Wir freuen uns auf seine Rückkehr.“ „Foto: Joseph Acaba‏ über Twitter

Letzten Freitag wurde Robonaut gepackt, um ihn für die Rückkehr zur Erde vorzubereiten. Während sich das Team in Houston darauf vorbereitet, seinen Roboter wieder in Form zu bringen, erinnert uns Badger daran, dass es wichtig ist, die gesamte Robonaut-Mission im Kontext zu halten.

„Der Sinn der ISS besteht darin, verschiedene Dinge ausprobieren zu können. Ich denke, [Robonaut] hat uns viel Wissen darüber vermittelt, welche Anforderungen an humanoide Roboter im Weltraum in der Zukunft gestellt werden“, sagte sie. „Wir bringen es nach Hause, reparieren es und hoffen, es in naher Zukunft wieder dorthin fliegen zu können, um unsere ursprünglichen Ziele der Weiterentwicklung neuer Technologien fortzusetzen.“

[ NASA-Robonaut

Aktualisiert am 16.02.18 16:50 Uhr: Kommentare des CMU-Robotikers David Wettergreen hinzugefügt.

Eine gekürzte Version dieses Beitrags erscheint in der Druckausgabe vom April 2018 unter dem Titel „Robonaut Returns for Repairs“.