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MechatronikRunde Bewegung

Kugelfahrzeug mit balancierendem Antrieb
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Mechatronik: Runde Bewegung
Ein Projekt aus der modernen Mechatronik verbindet Sensorik, schnelle Datenverarbeitung und Aktorik zu einer funktionierenden Einheit.

Am Anfang einer neuen Entwicklung steht oft der Spieltrieb. In die Technik übertragen bedeutet das: Nicht jedes machbare Projekt lässt sich direkt sinnvoll einsetzen, es schafft aber Grundlagenwissen für spätere Anwendungen. Ein Beispiel hierfür ist das in einer Bachelorarbeit entstandene Kugelfahrzeug, das sich autonom auf einer beweglichen Hohlkugel ausbalanciert. Das Projekt zeigt die Möglichkeiten der modernen Mechatronik und verbindet Sensorik, schnelle Datenverarbeitung und Aktorik zu einer funktionierenden Einheit. Hochdynamische, elektronisch kommutierte Kleinantriebe zeigen hier ihr Potenzial als Schnittstelle zwischen Elektronik und Mechanik.

Sogenannte Projektstudien eröffnen Ausblicke in die Zukunft und begeistern Menschen. Das gilt gerade im Bereich der Mechatronik: Sie verbindet drei dynamisch wachsende Themengebiete und bringt zunehmend mehr Neuheiten hervor. Das Unternehmen Gigatronik Stuttgart, ein mittelständisches Unternehmen mit Schwerpunkt Automobilelektronik und Informationstechnologie, hat deshalb einen Mechatronikdemonstrator als Bachelorarbeit unterstützt. Er dient Demonstrationszwecken an Messen und Recruiting-Tagen. Komplexe Lageregelung in Verbindung mit schneller mechanischer Umsetzung der nötigen Befehle war Herausforderung sowohl an die Entwickler als auch an die Komponenten. Für die mechanische Umsetzung wurden kompakte EC-Motoren mit durchmesserkonformen Getrieben und integrierten Encodern von Faulhaber verwendet.

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Schnelle Reflexe nötig

Wie der Mensch auf zwei Beinen nimmt auch ein Kugelfahrzeug eine labile „Haltung“ ein. Es bedarf dauernder aktiver Nachregelung, um eine Position im Raum beizubehalten. Der Vorgang muss dabei sehr schnell ablaufen, sozusagen reflexartig: Je schneller die Reaktion, desto geringer sind die nötigen Korrekturen für die Stabilität. Im vorliegenden Fall balanciert ein mit Elektronik, Antriebsmotoren und Akku versehenes Fahrzeug auf einer Kugel. Das Fahrzeug ist etwa 30 mal 30 mal 15 Zentimeter groß und wiegt zweieinhalb Kilogramm. Schwerpunktverschiebungen lassen die Kugel auf dem Untergrund leicht wegrollen. Wie ein Artist muss das Fahrzeug solche Kugelbewegungen durch entsprechende Gegenbewegungen ausgleichen. Dazu misst ein hochintegrierter Inertialsensor auf der Elektronikplatine des Prototypensteuergeräts Gigaboxgate Beschleunigung, Drehraten und die Stärke des Erdmagnetfeldes.

Die eigentliche Regelung wird mit Simulink modelliert, über ein Simulink-Target mittels Autocodegenerierung in C-Code überführt und auf dem Steuergerät als ein Echtzeittask integriert. Die Software berechnet aus den Messwerten den tatsächlichen Zustand des Gesamtsystems. Es wird dazu als dreidimensionales, inverses Pendel betrachtet. Nick- und Wankwinkel ermittelt ein Lagebeobachter. Zwei PD-Regler geben die nötigen Impulse für den stabilisierenden Antrieb aus. Sie wandeln dann drei im Kreis um je 120 Grad versetzte omnidirektionale Antriebsräder in mechanische Bewegung relativ zur Kugeloberfläche um.

Hochdynamisch und exakt

Für den Antrieb der Räder kommen nur kompakte Antriebseinheiten in Frage. Die geforderte Dynamik schränkt die Auswahlmöglichkeiten auf elektronisch kommutierte Motoren ein. Als optimal haben sich 20 Millimeter durchmessende bürstenlose Servomotoren mit aufgestecktem Encoder erwiesen. Ein durchmesserkonformes Getriebe mit einer Untersetzung von 14:1 ergänzt das Antriebspaket. Damit kann der kleine 20-Watt-Antrieb kurzzeitig bis zu 0,7 Newtonmeter für die Lagekontrolle zu Verfügung stellen. Eine Zahnriemenuntersetzung erhöht das Drehmoment an den Rädern weiter. Die hohen Wirkungsgrade von Motor und Getriebe ermöglichen den Einsatz kleinerer Akkus. Die geringere Masse wiederum verbessert die schnelle Reaktion des Fahrzeugs auf Lagebefehle. Die drei Antriebseinheiten sind dauernd unabhängig voneinander im Einsatz, um die Steuerbefehle in mechanischen Vortrieb umzusetzen.

Ein weiterer Vorteil für schnelle, dynamische Korrekturen ist die Eigenschaft von Kleinmotoren allgemein und besonders der elektronisch kommutierten Varianten, kurzzeitig erhebliche Überlast zu vertragen. Durch das geringe Volumen ist die Wärme abstrahlende Oberfläche vergleichsweise hoch, die Wärmekapazität der Materialien bietet einen weiteren Abwärmepuffer. In Verbindung mit dem hohen Wirkungsgrad, also vergleichsweise geringer Verlustleistung, ist so eine erheblich über der Nennleistung liegende Energieabgabe möglich. Diese Leistungscharakteristik in Verbindung mit den geringen bewegten Massen prädestiniert kleine EC-Antriebe für hochdynamische Aufgaben vor allem in Fällen, bei denen es auf geringen Bauraum und/oder sehr geringe träge Massen ankommt, etwa an der Spitze von Auslegern oder Roboterarmen. A. Zeiff/A. Kaluza/S. Harms/pb

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