MODKOM

Im hier vorgestellten Projekt MODKOM lag der Fokus auf der technologischen, mechatronischen und softwaretechnischen Entwicklung modularer Funktionseinheiten für rekonfigurierbare Robotersysteme. Diese sollen in unterschiedlichen Raumfahrtmissionen einsetzbar sein. Durch die Etablierung eines modularen Baukastens, die Möglichkeit zur nachträglichen Ergänzung oder Anpassung von Systemfunktionen sowie die Wiederverwendbarkeit von Funktionseinheiten und die Einbindung bestehender Technologien sollen Entwicklungs- und Qualifizierungszyklen verkürzt werden. Methoden der künstlichen Intelligenz unterstützen dabei den Baukasten-Ansatz und ermöglichen es den Modulen, autonom zu agieren.

Die Top-Level-Anforderungen der Baukastensystematik lassen sich wie folgt zusammenfassen: Rekonfigurierbarkeit, externe Kompatibilität, Mehrzweckeinsatz, Möglichkeit zur Weiterentwicklung und Erweiterung sowie eine terrestrische Umgebung zur Leistungsdemonstration.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde innerhalb von MODKOM ein entsprechender Baukasten entwickelt. Dieser umfasst mehrere modulare Komponenten, die im Projekt designt und aufgebaut wurden. Sie können mit Hilfe einer Softwarelösung nach missionsspezifischen Vorgaben kombiniert werden. Zum modularen Baukasten gehören unter anderem ein 6-DoF-Manipulatorarm, Basismodule mit elektronischen Einschüben, verschiedene Nutzlastmodule (Akku, Kamera, Gassensor), Adapter für multifunktionale Schnittstellen sowie ein Robotergelenk.

Um Modularität zu gewährleisten, wurde die multifunktionale Schnittstelle des DFKI (EMI-MOD) innerhalb von MODKOM weiterentwickelt. Sie erlaubt eine Lego-ähnliche Kombination aller Systeme, Module und Subsysteme miteinander, sofern diese mit EMI-MOD ausgestattet sind.

Darüber hinaus enthält der Baukasten Systeme von Drittanbietern, wie beispielsweise den Rover Hunter SE von AgileX Robotics. Dieser wurde mit einer vom DFKI entwickelten Plattform mit integrierten EMI-MODs ausgestattet. Dadurch kann er Systeme aufnehmen, die ebenfalls über EMI-MOD verfügen, wie etwa die Nutzlastmodule oder den Manipulatorarm. Ein weiteres Zukaufteil ist die iSSI® der iBOSS GmbH, ebenfalls eine multifunktionale Schnittstelle. Es konnte gezeigt werden, dass Systeme mit iSSI® mithilfe eines speziell entwickelten Adapters an die vom DFKI entwickelten Module gekoppelt werden können. Dies bestätigt die Flexibilität des Baukastenkonzeptes und dessen großes Potenzial für zukünftige Raumfahrtmissionen.

Ein besonderer Schwerpunkt mit Blick auf Raumfahrtanwendungen lag auf der Entwicklung eines dynamischen Quasi-Direct-Drive-Robotergelenks. Dieses wurde in einem iterativen Prozess entwickelt. Zunächst wurden Prototypen für den Motor und die zugehörige Motorelektronik entworfen und getestet. Darauf aufbauend entstand die finale Iteration, das DFKI-X2D-Gelenk, das durch Qualifizierungstests den Technology Readiness Level (TRL) 5 erreichte. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung praktischer Anwendung im All dar.

Über das ursprüngliche Projektziel hinaus wurde erfolgreich ein markerloses Visual Servoing implementiert. Dies stellt einen wichtigen Meilenstein für softwarespezifische Lösungen zur autonomen (Re-)Konfiguration modularer Subsysteme dar, die während einer Mission über eine multifunktionale Schnittstelle genutzt werden können.

Zusätzlich wurde eine Softwarelösung entwickelt, die sowohl hardware- als auch softwaretechnische Komponenten des Baukastens in Form eines Katalogs abbildet. Diese Komponenten können nach missionsspezifischen Vorgaben kombiniert werden. Mithilfe einer Simulation lassen sich Missionen vorab modellieren. Als Ergebnis werden passende, im Katalog vorhandene Komponenten empfohlen. Der Katalog ist erweiterbar und kann auch für weitere Hardware- und Softwarekomponenten genutzt werden, einschließlich solcher von Drittanbietern, sofern kompatible Schnittstellen vorliegen.

Abschließend konnten bereits Ergebnisse aus dem MODKOM-Baukasten in anderen Projekten angewendet werden. So wurden der erdbeerpflückende Rover SHIVAA und der für planetare Anwendungen entwickelte Rover Artemis2 mit modularen Strukturkomponenten und elektronischen Modulen aufgebaut, deren Grundlagen in MODKOM entwickelt wurden.