Autonome Roboter für den Einsatz im Weltraum und auf der Erde

Ein hominider Roboter, der den Mars erkundet, ein autonomes Unterwasserfahrzeug, das mit Hilfe eines IceShuttles in den Ozean des Jupitermondes Europa vordringt, und ein sechsbeiniger Laubroboter, der auf fremden Planeten Infrastruktur aufbaut – auf der ILA Berlin Air Show vom 1. bis 4. Juni stellt das Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) aktuelle Forschungsprojekte und Systeme vor.

Laufroboter „Charlie“

Im Mittelpunkt der Forschungsinitiative VaMEx (Valles Marineris Explorer) des DLR Raumfahrtmanagements steht die Entwicklung eines heterogenen, autonomen Roboterschwarms zur Erforschung des Valles Marineris auf dem Mars, des größten Grabenbruchsystems unseres Sonnensystems. Aufgrund von Hinweisen auf Wasservorkommen, früherer vulkanischer Aktivität und der Abschattung von UV-Strahlung erfüllt dieses Gebiet die Voraussetzung für die Existenz außerirdischen Lebens. Berge, Schluchten und Höhlen machen es jedoch zu einem für die Exploration extrem komplexen Terrain.

In der ersten Projektphase von VaMEx wurden Rover und flugfähige Vehikel als sich komplementär ergänzende Schwarmteilnehmer entwickelt, die durch eine autonome Navigation eine effiziente Wegfindung sowie den Aufbau von Übersichtskarten ermöglichen. In dem 2015 gestarteten Teilprojekt VIPE, das von der Raumfahrt-Agentur des DLR mit Mitteln des BMWi gefördert wird, entwickelt das Robotics Innovation Center (RIC) eine den Schwarm ergänzende hominide Roboterplattform, die sich auch innerhalb der zerklüfteten Felsformationen fortbewegen sowie in Höhlen und Felsspalten vordringen und navigieren kann.

Dafür bauen die Wissenschaftler auf den vierbeinigen, affenähnlichen Laufroboter „Charlie“ auf. „Durch seine leichte und hochintegrierte Bauweise, seine Agilität und taktile Sensorik ist er ideal geeignet, schwieriges Gelände zu überwinden“, betont das DFKI. Die Projektpartner vom Lehrstuhl für Medientechnik der TU München und der NavVis GmbH erforschen zudem einen neuartigen visuellen Positionierungs- und Kartierungsansatz, der durch den Einsatz einer 360° Panoramakamera eine sehr präzise Positionsbestimmung auch unter anspruchsvollen Bedingungen ermöglicht.

Tauchroboter „Leng“ und IceShuttle „Teredo“

Auf der Suche nach Leben in unserem Sonnensystem ist auch der Jupitermond Europa von großem Interesse: Unter einer mehrere Kilometer dicken Eisdecke wird dort ein tiefer Ozean vermutet, der die Grundlage für extraterrestrisches Leben bieten könnte. Wie sich dieser Ozean erreichen und erforschen ließe, hat das Robotics Innovation Center im Projekt Europa-Explorer untersucht. Dafür entwickelten die DFKI-Wissenschaftler das autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) „Leng“, das sicher im Wasser navigieren kann.
Ein zweiter Roboter, das IceShuttle Teredo, würde das AUV zu dem verborgenen Ozean transportieren, indem es sich durch die äußere Eiskruste des Mondes bohrt, und später als Basisstation und Schnittstelle zu den Wissenschaftlern auf der Erde dienen.

Im Fokus des Projekts stand insbesondere die Navigationsfähigkeit des Unterwasserfahrzeugs: Um sich präzise selbst lokalisieren zu können, ist Leng mit einer Vielzahl unterschiedlicher Navigationssensoren ausgestattet. Diese senden u.a. Schallsignale aus, über die das Fahrzeug seine Position ähnlich der GPS-Methode bestimmen kann. Anhand seines Abstands und Blickwinkels auf einen bestimmten Punkt errechnet das System seine Position und findet nach seinem Tauchgang eigenständig zur Basisstation zurück, um die gesammelten Informationen über eine Schnittstelle an das IceShuttle zu übermitteln und seine Energie aufzuladen.

Laufroboter „Mantis“

Auch der mehrgliedrige Laufroboter „Mantis“, den das Robotics Innovation Center gemeinsam mit der Universität Bremen in dem Vorhaben LIMES entwickelt hat, soll auf fremden Planeten zum Einsatz kommen. Der Roboter, den die Wissenschaftler nach dem Vorbild einer Gottesanbeterin designt haben, verfügt über einen äußerst flexiblen und adaptiven Bewegungsapparat, der ihm einen hohen Grad an Mobilität auf unebenen und unstrukturierten Oberflächen ermöglicht.

Ausgestattet mit einer Vielzahl unterschiedlicher Sensoren nimmt Mantis seine Umgebung nicht nur visuell, sondern auch taktil wahr und kann dadurch zum Beispiel die jeweilige Untergrundbeschaffenheit analysieren. Seine vorderen beiden Extremitäten, die zusätzlich mit Greifwerkzeugen ausgestattet sind, dienen ihm nicht nur zum Laufen, sondern auch zur Manipulation.

Bei zukünftigen Raumfahrtmissionen soll der Roboter vor allem in unebenem, schwer zugänglichem Terrain zum Einsatz kommen, etwa um Bodenproben zu entnehmen oder den Aufbau von Infrastruktur zu ermöglichen.

Neben der mechatronischen Entwicklung haben die DFKI-Wissenschaftler in dem von der DLR Raumfahrt-Agentur mit Mitteln des BMWi geförderten Projekt unterschiedliche Bewegungsmuster mit Hilfe maschineller Lernverfahren generiert und optimiert, die den Roboter verschiedenste Umgebungsformationen und Untergründe überqueren lassen.

Dank seiner Fähigkeiten könnte Mantis auch in terrestrischen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei Katastropheneinsätzen in schwer zugänglichem Gelände oder im Bereich der Mensch-Roboter-Kooperation in industriellen Produktionsprozessen von Firmen, wie der Airbus Group.