SEAMLESS-Space: Effiziente Modellbasierte Systementwicklung für robotische Weltraumanwendungen durch Nahtlos Integrierte Digitale Zwillinge. Förderrichtlinie: Förderung von Vorhaben im Bereich Automatisierungstechnologien & Robotik - Förderschwerpunkt 1 "Providing Services"

Abstract

In SEAMLESS-Space wurde ein Digitaler Zwilling eines Manipulatorarms aufgebaut. Dieser beinhaltet zum einen eine möglichst realistische Bewegungssimulation der Aktuatoren, welche durch das Nutzen datengetriebener vortrainierter KI-Modelle in Echtzeit simuliert werden kann. Zum anderen beinhaltet der digitale Zwilling eine exemplarische Weltraumszene, die zeigt, wie dann der Digitale Zwilling bei der Entwicklung und im operativen Betrieb eines Manipulatorarms genutzt werden kann. Der digitale Zwilling bietet hierfür eine Schnittstelle zur Robotersteuerung, sodass diese wie mit dem realen System genutzt werden kann. Die Robotersteuerung wurde zudem mit einer Action Execution Engine erweitert, welche atomare Aktionen für den Arm zur Verfügung stellt und die Erzeugung von Aktionssequenzen erlaubt. Für eine intuitive Bedienung des Arms sowie Low-Code Programmierung der Aktionssequenzen wurde ein Monitoring und Command Interface entwickelt, welches über ein modernes Web-Frontend ohne lokale Installationen auf dem Operatorrechner dem Benutzer zur Verfügung gestellt wird. Durch die oben genannten Entwicklungen ergeben sich mehrere Anwendungsmöglichkeiten für die Entwickler robotische HW und SW-Komponenten sowie für Betreiber späterer Missionen. In den Phasen A-C kann der Digitale Zwilling für die Evaluierung von Operations- und Systemkonzepten genutzt werden. Zudem bietet ein präzises Abbild des realen Systems in den Phasen B-D verschiedene Testmöglichkeiten wobei die zugrundeliegenden Modelle anhand der damit gewonnen Referenzdaten optimiert werden können. Und zuletzt kann in Phase E die Kommandierung und Überwachung der Inbetriebnahme sowie der robotischen Operationen verbessert werden oder sogar robotische Bewegungen in dem virtuellen Testbed vorevaluiert und -validiert werden. YARO konnte sich durch SEAMLESS-Space einerseits die Methodik aufbauen, schnell und effizient benutzerspezifische Digitale Zwillinge zu erstellen. A digital twin of a manipulator arm was created in SEAMLESS Space. On the one hand, this includes a dynamic motion simulation of the actuators that is as realistic as possible, which can be simulated in real time using data-driven, pre-trained AI models. Secondly, the digital twin includes an exemplary space scene that shows how the digital twin can be used in the development and operation of a manipulator arm. Thereby, the digital twin provides an interface to the robot controller, allowing it to be used in the same way as the real system. The robot controller has also been enhanced with an action execution engine, which provides atomic actions for the arm and allows action sequences to be generated. A monitoring and command interface was developed for intuitive operation of the arm and low-code programming of action sequences. This interface is made available to the user via a modern web front end without the need of local installations on the operator computer. The above developments open up several possible applications for developers of robotic hardware and software components, as well as for operators of future missions. In phases A-C, the digital twin can be used to evaluate operational and system concepts. In addition, a precise representation of the real system in phases B-D offers various testing options, whereby the underlying models can be optimized using the reference data obtained. Finally, in phase E, the command and monitoring of commissioning and robotic operations can be improved, or even robotic movements can be pre-evaluated and validated in the virtual test bed. SEAMLESS-Space enabled YARO to develop a methodology for quickly and efficiently creating user-specific digital twins.