NASA zet robotintelligentie in om astronauten en de industrie sterker te maken

MoveIt Pro van PickNik, gedeeltelijk ontwikkeld met financiering en hulp van NASA, automatiseert demonstraties van robotarmen in de lobby's van twee leercentra van Amazon Web Services. (Afbeelding:PickNik Inc.)

Astronaut zijn is niet altijd glamoureus.

Bemanningsleden op het ruimtestation besteden ongeveer een derde van hun tijd aan het binnenhalen van vracht uit bevoorradingscapsules en het terug dragen van vuilniszakken, zegt Shaun Azimi, hoofd van het Dexterous Robotics-team in het Johnson Space Center van NASA in Houston. En dat met een fulltime team van zeven personen.

Terwijl NASA plannen heeft voor langere verblijven van astronauten op en rond de maan in de latere Artemis-missies, wil het agentschap dat robots een aantal van deze ondergeschikte banen overnemen, waardoor bemanningsleden de vrijheid krijgen om meer van de wetenschap en verkenning te doen waarvoor ze daar zijn. Het probleem is dat, hoewel robots in sciencefiction vaak voor mensen kunnen doorgaan, het ontwikkelen van robots uit de echte wereld (die waarschijnlijker op mobiele zesarmige armen lijken) om zelfs de eenvoudigste menselijke taken uit te voeren buitengewoon ingewikkeld is.

Hivebotics in Singapore gebruikt een aangepaste versie van MoveIt Pro om zijn vlaggenschipproduct, een toiletreinigingsrobot genaamd Abluo, te automatiseren. (Afbeelding:PickNik Inc.)

“Robomanipulatie is historisch gezien als een grote arm in een fabriek die het chassis van een auto van de ene transportband naar de andere beweegt”, zegt Ezra Brooks, Principal Software Engineer bij PickNik Inc., waarbij hij opmerkt dat er geen intelligentie nodig is om deze voorgeprogrammeerde reeks acties keer op keer te herhalen.

Een robot een object in een ongestructureerde omgeving laten herkennen, het benaderen en er een handeling mee uitvoeren is een heel andere en veel moeilijkere klus. Dit is de uitdaging die Boulder, het op CO gebaseerde PickNik, overwint, met hulp van de ruimtevaartorganisatie.

Het bedrijf werkte bijvoorbeeld samen met robotici bij Johnson om software te ontwikkelen waarmee een robot een luik van een ruimtevaartuig kan herkennen – inclusief de grendel, het handvat en de scharnieren ervan – en vervolgens aan de grendel kan draaien, de hendel kan vastpakken en de deur kan openen.

De gebruikersinterface voor de MoveIt Pro-robotbesturingssoftware van PickNik Robotics laat het werk zien dat het bedrijf samen met autofabrikant BMW heeft gedaan om assemblagelijnrobots beter in staat te stellen om met onverwachte situaties om te gaan. (Afbeelding:PickNik Inc.)

Alleen al het plannen van de beweging van een bepaalde startconfiguratie van de gewrichten in een robotarm naar een eindconfiguratie die de volgende actie voorbereidt, "vergt heel slimme wiskunde en veel CPU-paardenkracht", zei Brooks. "Als je dat traject eenmaal daadwerkelijk hebt uitgevoerd, vertelt de software de robot alle minuscule bewegingen die hij moet maken. Misschien meer dan 1000 keer per seconde verzendt hij commando's die zeggen:beweeg dit gewricht met deze snelheid of ga naar een iets andere positie." Een forcefeedback-algoritme laat de robot weten wanneer hij de grendel heeft vastgegrepen, en een besturingsalgoritme bepaalt hoeveel kracht de robot gebruikt om hem te draaien.

Hoewel er nog veel werk moet worden verzet om robots voor te bereiden op maanoperaties, vindt software die PickNik met hulp van NASA heeft ontwikkeld al toepassingen op aarde.

Het werk bij Johnson, gefinancierd in het kader van het Small Business Innovation Research (SBIR)-programma, werd uitgevoerd in het nieuwe Integrated Mobile Evaluation Testbed for Robotics Operations (iMETRO) van het centrum. Daar bewees het team ook dat de software in staat was om bagagetransporttassen met armlift, zoals die op het internationale ruimtestation worden gebruikt, in en uit het luik en een opslagbak te maken, vooruitlopend op toekomstige Artemis-opdrachten van robots.

De software die PickNik testte met Azimi, nu bekend als MoveIt Pro, was ontwikkeld met SBIR-financiering van NASA en de Space Force, en verdere NASA SBIR-contracten hebben geholpen de gebruikersinterface te verfijnen en de autonomie en het vermogen om te herstellen na storingen te verbeteren.

De eerste Artemis-missies zullen kort zijn, maar uiteindelijk zullen bemanningen van ongeveer vier personen een maand per jaar op de maan doorbrengen en in een ruimtestation in een baan om de maan, genaamd Gateway. Gedurende de overige elf maanden, zei Azimi, konden robots voorraden laden en lossen en eenvoudige inspectie- en onderhoudswerkzaamheden uitvoeren, waardoor de volgende bemanning het meeste uit hun verblijf kon halen. “Ik zie het graag als een manier om de waarde te maximaliseren van het geld dat we uitgeven om mensen naar het maanoppervlak te krijgen”, zei hij.

Hij merkte op dat dezelfde robots soortgelijke rollen zouden kunnen vervullen op commerciële ruimtestations die een handvol bedrijven nu aan het bouwen zijn voor een lage baan om de aarde, die waarschijnlijk ook slechts parttime bemand zouden zijn.

Voorlopig, zei Azimi, bouwt PickNik een commercieel klantenbestand op aarde op, dat de productontwikkeling helpt financieren en duurzaam maken. “Onze ontwikkeling via NASA SBIRs richt zich dus op de kloof tussen het gebruik op land en het gebruik in de ruimte.” Voor inconsistente communicatie tussen de aarde en de maan zijn bijvoorbeeld meer onafhankelijke robots nodig. En de mogelijkheid om eventuele problemen op afstand op te lossen zal veel belangrijker zijn als menselijke operators zich op 400.000 kilometer afstand bevinden. Maar al deze mogelijkheden komen ook op aarde van pas.

In de Integrated Mobile Evaluation Testbed for Robotics Operations-faciliteit in het Johnson Space Center bewees de robotbesturingssoftware van PickNik zijn bekwaamheid in taken zoals het passeren van vrachtzakken door een luik en deze in opslagbakken plaatsen, vooruitlopend op het werk dat NASA graag zou willen dat robots uitvoeren tijdens de latere Artemis-missies. (Afbeelding:NASA)

Brooks zei dat het 35-koppige bedrijf misschien geen commercieel product had ontwikkeld zonder vroege financiering van NASA. Op het gebied van robotica, zei hij, “moet je jaren en jaren van onderzoek en iteratieve ontwikkeling doen om algoritmen te verfijnen en serieus onderzoek te doen om op een punt te komen waarop je zelfs een duidelijk product zou kunnen verkopen.” NASA financierde een groot deel van dat fundamentele werk.

En, zei hij, het helpt om samen te werken met een van ’s werelds beste robotica-organisaties. “Werken met NASA is echt de moeite waard vanuit het perspectief van het kunnen duiken in het diepe van echt moeilijke problemen waar bijna niemand anders nog tegenaan loopt.”

In feite werd Brooks geconfronteerd met enkele van deze problemen toen hij als NASA-contractant werkte aan de On-Orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1-missie van het bureau, een ambitieus robotica-project dat uiteindelijk een paar jaar nadat hij naar PickNik was vertrokken, werd geannuleerd. Hij zei dat het werk hem hielp bij het voorzien en aanpakken van de uitdagingen waarmee het MoveIt-team te maken zou krijgen.

Alle door NASA gefinancierde softwareontwikkeling is al samengevoegd in MoveIt Pro, het vlaggenschipproduct van het bedrijf, aldus Brooks. De software, uitgebracht in 2023, heeft een aanzienlijk klantenbestand gevonden. BMW gebruikt het om meer intelligentie in zijn robotassemblagelijnen te brengen, en het automatiseert demonstraties van robotarmen in de lobby's van twee leercentra van Amazon Web Services.

Een bedrijf genaamd Lightspeed gebruikt MoveIt Pro om enorme robotarmen te programmeren die ‘panelen’ van muren, daken en vloeren bouwen in een poging het landelijke tekort aan betaalbare woningen aan te pakken. En PickNik heeft de software aangepast om Hivebotics uit Singapore te helpen zijn vlaggenschipproduct, een toiletreinigingsrobot genaamd Abluo, te automatiseren.

Voordat MoveIt Pro ooit robots in de ruimte kan automatiseren, zullen ingenieurs en ruimtevaartorganisaties volgens Brooks echter veel werk moeten verzetten om het vertrouwen in robotintelligentie voor ruimtemissies op te bouwen. “Het is veel ingewikkelder dan welke andere software dan ook die ooit naar de ruimte is gevlogen.”

Maar Azimi zei dat de uitbetaling de moeite waard zal zijn. Robots die logistiek werk kunnen doen, kunnen waarschijnlijk het onderhoud van de faciliteiten uitvoeren en zelfs wetenschappelijke experimenten draaiende houden terwijl de bemanning weg is, zei hij. “Alles wat robots in die elf maanden kunnen doen, loop je voor op waar je zou zijn als je die mogelijkheid helemaal niet zou hebben.”

Kijk hier voor meer informatie  .