Die Aktuatorik - Wie bewegt sich ein Unterwasserroboter?
Abschnittsübersicht
Die Aktuatorik - Wie bewegt sich ein Unterwasserroboter?
Hier sehen wir zwei unserer Hippocampus-Roboter in voller Aktion. Aber wie bewegen die sich eigentlich genau?
Hippocampus in Aktion von Thies Lennart Alff (CC BY-NC-SA)
Die Motoren
Das HippoCampus haben wir bereits kennengelernt. Es erinnert in seinem Design stark an eine Drohne, bzw. einen Quadrocopter, denn auch das HippoCampus hat vier x-förmig angeordnete Motoren mit Propellern. Die Motoren sind allerdings im Vergleich um 90° rotiert. Sie zeigen also, anders als beim Quadrocopter, nicht nach oben, sondern nach vorne. Und dafür gibt es natürlich einen guten Grund.
Während die Drohne, um in der Luft zu schweben, permanent gegen die Schwerkraft arbeiten muss, ist das unter Wasser typischerweise nicht der Fall. Wenn man den Unterwasserroboter geschickt entwickelt, „schwebt" er quasi von allein im Wasser. Dazu muss das Volumen des Roboters genau so gewählt werden, dass die Gewichtskraft durch die Auftriebskraft ausgeglichen wird. Und während die Drohne sich damit abmühen muss, nicht von der Erdanziehungskraft zurück auf den Boden gezogen zu werden, kann das HippoCampus (und natürlich auch andere Unterwasserroboter) mühelos wie ein Fisch durchs Wasser gleiten. Daher zeigen die Motoren von Unterwasserrobotern in die Richtung, in die hauptsächlich Kraft aufgebracht werden muss, also in Fahrtrichtung.
Die Bewegungsarten
Ein freier Körper im dreidimensionalen Raum kann grundsätzlich sechs verschiedene unabhängige Bewegungen durchführen. Er hat eine Position, die aus drei verschiedenen Translastionen besteht:
vorwärts/rückwärts
links/rechts
oben/unten
Analog dazu auch die Verdrehung des Körpers mit ebenfalls drei Komponenten.
Drehung im die Längsachse (rollen)
Drehung um die Querachse (nicken)
Drehung um die Hochachse (gieren)
Bei einer Motoranordnung wie beim HippoCampus kann das Fahrzeug unmittelbar vier der sechs möglichen Bewegungsarten direkt durchführen. Das folgende Video stellt dies Anschaulich dar.
Bewegungsmöglichkeiten von Thies Lennart Alff (CC BY-NC-SA)
Die Rollbewegung des Fahrzeugs unterscheidet sich, wie auch aus dem Video hervorging, qualitativ von den anderen Bewegungen. In diesem Zusammenhang die Frage: Ist Dir aufgefallen, dass die Propeller nicht alle gleich waren? Die Blätter eines Propellers sind genau umgekehrt angewinkelt als der nächste Propeller im oder gegen den Uhrzeigersinn neben ihm. Wir werden uns das im nächsten Video noch mal im Detail angucken.
Der Grund für die verschiedenen Propeller hat direkt mit der Rollbewegung des Fahrzeugs zu tun. Damit alle Propeller Schub in Vorwärtsrichtung erzeugen, müssen die Propeller oben links und unten rechts in die andere Richtung drehen als Propeller auf der anderen Diagonalen. Schauen wir uns das im Video an!
Fahrzeugaktuierung von Thies Lennart Alff (CC BY-NC-SA)
Jetzt können wir uns schon recht gut vorstellen, wie das Fahrzeug seinen Schub erzeugt. Zusätzlich haben wir geklärt, was passiert, wenn alle Propeller in dieselbe Richtung drehen. Dann erzeugt die eine Hälfte der Propeller Schub in Vorwärtsrichtung und die andere in Rückwärtsrichtung. Dadurch fährt das Fahrzeug weder nach vorne noch nach hinten, weil sich der Schub ausgleicht. Und auch nicken oder gieren wird das Fahrzeug nicht, weil sich die Propeller da genau ausgleichen. Durch die Rotation in dieselbe Richtung erzeugen die Fahrzeuge ein Drehmoment um die Längsachse, also die Vorwärtsachse entgegen ihrer Drehrichtung. Das Hippocampus beginnt also zu rollen.
Das Phänomen kennst du höchstwahrscheinlich aus deinem Alltag. Wenn man einen Pürierstab einschaltet, spürt man deutlich, dass er „versucht", sich entgegen der Drehrichtung seiner Rotorblätter zu drehen und man ihn gut festhalten muss, um das zu verhindern.