Roboter mit Propeller

Was der Trikopter fertigbringt, das gelang Studierenden der Mechatronik aus dem Saarland auch am Boden: ein eigentlich instabiles Objekt durch eine clevere Art der Steuerung dazu zu bringen, sich selbstständig und sicher zu bewegen. Diesen Balanceakt brachten die angehenden Ingenieure einem Stab bei, der wie ein Akrobat auf einem Ball balanciert, das Gleichgewicht hält und den Ball mit trippelnden Schritten an ein bestimmtes Ziel rollt. Der Stab sollte gleichzeitig den Ball lenken und – damit es noch schwieriger wird – auf drei kleinen Kugeln stehen. Das ist etwa so, als müsste der Akrobat den Balanceakt auf dem Ball mit Rollschuhen ausführen.

Die Lösung des Balance-Problems für den „Ballbot“ basiert auf einem sogenannten Starrkörperproblem: einer starren Kugel und einem Pendelkörper darüber. Beide sind durch ein sphärisches Gelenk miteinander verbunden. Aufrecht stehend befindet sich der Schwerpunkt des Pendels exakt über dem Kugelkontakt mit dem Boden, aber in instabiler Ruhelage. Schon der kleinste Luftzug genügt, um das Pendel kippen zu lassen. Vier Propeller dienen der Stabilisierung und fangen jegliche Kippbewegung ab. Je zwei stehen sich gegenüber. Komplettiert wird das Ganze durch ein ausgeklügeltes Regelungssystem. Droht der Stab zu kippen, erhöht einer der Propeller seine Drehzahl, um den Stab abzufangen. Neigt sich der Stab zur anderen Seite, tritt der Propeller gegenüber in Aktion.

Was spielerisch wirkt, ist raffinierte Ingenieurleistung. Zuerst mussten die Studenten dem Stab beibringen, dass er auf der Kugel stehen bleibt. Dazu wird die Bewegung des Stabs auf dem Ball berührungslos mit einem Sensor gemessen, den die Studenten aus einer Computermaus ausgebaut haben. Zusammen mit weiteren Sensoren misst der Maussensor ständig, was der Stab, der Ball und die Motoren gerade machen. Die Informationen laufen im „Gehirn“ des Ball-Roboters zusammen, einem Mikrocontroller. Ähnlich wie beim Trikopter ermitteln Algorithmen permanent, wie Stab und Ball sich bewegen. Kippt der Stab oder bewegt sich der Ball anders als gewünscht, berechnet der Controller aus den Messsignalen die notwendige Stellgröße: die Propellerkraft, mit der der Regler gegensteuern muss. Dank einer zusätzlichen Kommunikationsschnittstelle kann der Ballbot wie ein Spielzeug beliebig durch den Raum gelenkt werden – per Joy-Stick mit einer handelsüblichen Funkfernbedienung.