Każdy zna, kojarzy i uwielbia zdalnie sterowane samochodziki. Dużo osób właśnie takimi bawiło się w młodszym wieku. Dzisiaj możliwe jest też zdalne sterowanie łazika eksplorującego planetę przez astronautę znajdującego się na jej orbicie. Pracują nad tym zespoły badawcze z ESA, Niemieckiego Centrum Lotnictwa DLR oraz Europejskich środowisk przemysłowych i akademickich. Ukoronowaniem dotychczasowych prac i osiągnięć w tej dziedzinie była sesja łazika naziemnego nadzorowana z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Wyniki tej operacji zostały dokładnie opisane w Science Robotics.

„Po raz pierwszy astronauta w kosmosie zdołał kontrolować system robotyczny na ziemi w tak wciągający, intuicyjny sposób” – komentuje Aaron Pereira z DLR.

Użycie kontrolera o 6 stopniach swobody sprawia, że astronauta może doświadczyć tego, co łazik. Nawet ciężaru i spoistości ciał, które dotyka. Rekompensuje to wszystkie ograniczenia przepustowości, słabe oświetlenie lub wszelkie opóźnienia sygnału. Zapewnia to wrażenia na tyle prawdziwe, że astronauta czuje się tak, jakby był na miejscu.

Astronauta Luca Parmitano sterujący zdalnie łazikiem z pokładu ISS. W swojej prawe ręce trzyma kontroler o sześciu stopniach swobody.

„Robotom można przyznać ograniczoną autonomię w znanych środowiskach, ale w przypadku systemów realizujących zadania eksploracyjne, takie jak zbieranie próbek w niezbadanych jeszcze środowiskach nadzór człowieka staje się niezbędny. Jednak bezpośrednie sterowanie nie było możliwe ze względu na nieodłączny problem opóźnienia sygnału spowodowany przez prędkość światła”.
„Dlatego pracowaliśmy nad koncepcją, aby ludzie bezpiecznie i wygodnie przebywali na orbicie wokół Księżyca, Marsa lub innych ciał planetarnych, ale byli wystarczająco blisko, aby bezpośrednio nadzorować łaziki na powierzchni – łącząc ludzkie zalety elastyczności i improwizacji z solidnym, zręcznym robotem na miejscu precyzyjnie wykonującym polecenia” – wyjaśnia inżynier robotyki Thomas Krueger, kierujący Laboratorium Interakcji Człowieka z Robotem w ESA.

Zespół z HRI Lab ESA współpracował z Centrum Robotyki i Mechatroniki DLR przy serii coraz bardziej złożonych testów, najpierw na Ziemi, później na orbicie. Eksperymenty z kosmosu były konieczne, ponieważ według wcześniejszych badań nieważkość może pogorszyć ludzką wydajność przy zadaniach związanych z siłą i ruchem. Między innymi przez to symulacje na Ziemi nie byłyby wystarczające.

Ich wysiłki zakończyły się pierwszą częścią eksperymentu Analog-1 poprowadzoną pod koniec 2019 roku. Astronauta Luca Parmitano z pokładu ISS sterował wyposażonym w chwytak łazikiem ESA Interact w pozorowanym środowisku księżycowym, znajdującym się wewnątrz hangaru w Valkenburg w Holandii. Ich zadaniem było badanie skał i pobieranie próbek. Dwugodzinny test zakończył się sukcesem, pokonując dwukierunkowe opóźnienie sygnału (średnio o ponad 0,8 sekundy) i stratę danych na poziomie wyższym niż 1%.

Łazik w hali badawczej podczas próby.

„Mimo że ISS znajduje się na orbicie zaledwie 400 km nad głową, jej sygnały są przekazywane na Ziemię za pośrednictwem geostacjonarnych satelitów telekomunikacyjnych, a następnie do Europy z Teksasu za pośrednictwem kabla transatlantyckiego” – wyjaśnia Aaron. Zespół z DLR musiał zaprojektować algorytm sterowania działający stabilnie mimo opóźnienia. Przez nie operator łazika byłby w stanie przesuwać go dalej, nawet po uderzeniu w skałę. To mogłoby skutkować utraceniem synchronizacji kontrolera z robotem i potencjalnym uszkodzeniem tego drugiego.

„Aby temu zapobiec, używamy koncepcji zwanej »pasywnością« – patrzymy na całą energię, którą wkłada astronauta i upewniamy się, że robot nie pozbywa się jej więcej oraz vice-versa. To tak jak podczas bujania dziecka na huśtawce, nigdy nie znajdą się wyżej niż po pierwszym pchnięciu – przy tarciu z czasem będzie osiągać coraz mniejszą wysokość”.

Przykładowo, gdy ramię łazika jest w ruchu i nagle uderza w skałę, poruszenie się wymagałoby dodatkowej energii, której operator nie zastosował, więc zmniejsza się rozkazaną energię w jednym momencie, żeby spowolnić ramię. Później, po 850 mikrosekundowym opóźnieniu, kiedy astronauta poczuje skałę, może wybrać dostarczenie dodatkowej energii, żeby odepchnąć ją. „Ta technika oparta na pasywności w stosunku do czasu dla dużych opóźnień jest bardzo intuicyjna w praktyce i powinna działać również z wyższymi czasami opóźnień”.

„Głównym ograniczeniem dotychczasowej pracy jest to, że naszemu wewnętrznemu środowisku księżycowemu brakuje realizmu” – podsumowuje Thomas. – „Tak więc tego lata druga część Analog-1 odbędzie się na wulkanicznych zboczach Etny we Włoszech w ramach większej międzynarodowej kompanii testów robotów i nazwie ARCHES”. Luca Parmitano ponownie będzie sterował łazikiem Interact, tym razem w 1G z ziemi.


Źródło: ESA.

Autor

Marta Rzekanowska