Präzesion im Eis

Titelstory

Kameraantrieb – Automatische Zeitraffer-Filmaufnahmen über lange Zeiträume in den Polargebieten erfordern eine extrem robuste und zugleich präzise Kameratechnik. Entscheidend für beeindruckende Bilder ist dabei auch die leistungsfähige Antriebstechnik von Harmonic Drive.

24. Mai 2012

Einer der eindrucksvollsten Spezialeffekt-Techniken bei der Filmproduktion ist die so genannte Motion-Control-Fotografie (Moco), mit der sich Kamera- oder Objektbewegungen durch computergestützte Automatisierung in verschiedenen Aufnahmen exakt wiederholen lassen, so dass Effekte möglich werden, die sich früher mit bewegter Kamera nicht realisieren ließen. In großem Stil eingesetzt wurde das aufwendige Verfahren erstmals in der Film-Saga »Star Wars« von George Lucas aus dem Jahr 1977. Seitdem entwickelte sich Motion-Control-Fotografie zu einer Standardtechnik, die in jeder Art von Film eingesetzt wird. Durch den technischen Fortschritt kommt die einst komplizierte, fehleranfällige und teure Technik zunehmend auch bei weniger aufwendigen Fernsehproduktionen zum Einsatz.

Maßgeblich beigetragen zur Vereinfachung der Technik haben Effektspezialisten wie das Londoner Unternehmen Kontrol Freax Ltd., die zum Beispiel bei der mehrteiligen Produktion »Frozen Planet« des britischen Fernsehsenders BBC für die ambitionierten visuellen Effekte verantwortlich waren. Ihre kreative Vision bestand im Einsatz von Zeitraffern und Zeitrafferstudien, um dem Publikum dramatische Bilder des laufenden Klimawandels sowie der polaren Tierwelt zu präsentieren. Grundlage des Projekts »Frozen Planet«, das Ende 2011 im britischen Fernsehen gezeigt wurde, waren zwei Jahre lang andauernde Filmaufnahmen in der Arktis und Antarktis, in denen die Veränderungen der umgebenden Natur während der Jahreszeiten erfasst wurden. Dazu wurde das Kamerasystem über alle vier Jahreszeiten hinweg jeweils am selben Ort aufgestellt und mit dem exakt gleichen Bewegungsprofil geführt. Der fertige Film zeigt dann beispielsweise Zeitraffersequenzen der Entstehung von Pinguinkolonien in der Antarktis oder Wasserfälle, die im Herbst zu Eis erstarren und im arktischen Sommer wieder schmelzen.

Frostfeste Bewegungssteuerung

Die britischen Filmeffektspezialisten benötigten also nicht nur ein hochgenaues und reproduzierbares Moco-System, das einen Zeitraffer oder einen Zeitraffereffekt ermöglicht, sondern zudem ein System zur hochgenauen Bewegungssteuerung, das unter den extremen Bedingungen in der Abgeschiedenheit der Polargebiete zuverlässig und einfach funktioniert. Da die zahlreichen Filmaufnahmen hunderte Kilometer von der Zivilisation entfernt stattfinden sollten, musste das nach ihrem Ersteinsatz bei der Verfilmung der Nordlichter in der Arktis bezeichnete neue Kamerasystem KFX Aurora Extreme außerdem nicht nur extrem robust und zuverlässig sein, sondern sich zudem auch einfach in Module zerlegen und in Rucksäcken und auf Motorschlitten transportieren lassen. Zudem musste das Kopfteil höchstens 24 Kilogramm wiegen und dennoch eine Nutzlast von 80 Kilogramm aushalten können. Entscheidend für die Arbeit der Kameraleute unter brutalsten Bedingungen ist zudem, dass sich das System in kürzester Zeit auch mit dicken Handschuhen aufbauen lässt und mit einer Fernbedienung gesteuert werden konnte.

Die Ausrüstung für eine derartig anspruchsvolle Aufgabe war bis zu diesem geplanten Projekt nirgendwo auf der Welt verfügbar. Um das ambitionierte System zu realisieren, benötigten die Londoner also einen Partner für die Bewegungssteuerung, der nicht nur die Fähigkeit und die technische Erfahrung zum Verständnis der Herausforderungen bietet, sondern auch gesamte Lösungen anbieten kann. Die Effektspezialisten nutzten hierzu die Entwicklungskapazitäten und die technische Erfahrung des Präzisions-Antriebstechnikherstellers Harmonic Drive mit Hauptsitz in Limburg an der Lahn, der einen speziellen Servo-Aktuator für die raue und anspruchsvolle Anwendungsumgebung entwickeln sollte. Das Unternehmen besitzt mehrjährige Erfahrung bei der Lieferung von Getrieben und Antrieben für den Einsatz in hochpräzisen und kompakten Anwendungen und hat zudem schon Lösungen für ähnlich raue und extreme Umgebungen geliefert.

Vorteile dank Hohlwelle

Nach ausführlichen Diskussionen fiel die Wahl auf eine Getriebeeinheit aus der Produktreihe CPU, die das kompakte und leichte Getriebesystem HFUC mit einem präzisen und robusten Hochleistungs-Abtriebslager kombiniert, welches den hohen Belastungs- und Aufprallniveaus beim Einsatz standhält. Für Kontrol Freax hatte die Wahl einer CPU Unit den zusätzlichen Vorteil, dass sie eine Hohlwellengetriebekonstruktion erlaubt, durch die sich Kabel und Signale über Schleifringe in die Moco-Ausrüstung leiten lassen.

Die nächste Herausforderung bestand in der Auslegung und Konstruktion des Motors und des Feedbacksystems, das den Antrieb und die Steuerung der Moco-Ausrüstung ermöglicht. Hierzu bietet Harmonic Drive seit langem unter der Produktreihe Compact Hollow Shaft Actuators (CHA) Lösungen mit Hohlwelle, die in Werkzeugmaschinen und anderen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Für den Einsatz in dem mobilen Moco-System in der Arktis musste die Motorwicklung jedoch an den Betrieb mit 24 bis 48 Volt Gleichspannung aus einer Batterie anstelle der üblichen Netzspannung angepasst und zudem auf die extrem niedrigen Einsatztemperaturen vorbereitet werden. Der Motor besitzt deshalb zur Anpassung an das Getriebesystem eine verteilte Wicklung sowie einen Sinus-Cosinus-Encoder mit hoher Auflösung für einen reibungslosen Betrieb mit höchster Präzision bei sehr geringer Geschwindigkeit.

Trotz der großen technischen Herausforderungen genügten acht Monate, um das System zu konstruieren und zu liefern. Nach dem erfolgreichen Abschluss der Filmarbeiten hat Harmonic Drive nun eine völlig neue Produktfamilie von Hohlwellen-Servoantrieben entwickelt, die bei niedrigen und hohen Temperaturen funktionieren, hohe Stoßbelastungen auffangen und in extremen Umgebungen betrieben werden können. Mit einer Palette von Rückführungslösungen wird es zum Auslöser der Wahl für viele Überwachungs- und kameragestützte Systeme, bei denen Genauigkeit und Zuverlässigkeit vorausgesetzt werden.

Auf einen Blick

-Die Harmonic Drive AG mit Sitz in Limburg/Lahn ist ein führender Spezialist für kompakte, spielfreie und hochuntersetzende Präzisionsgetriebe und komplette Antriebslösungen.

-Das spezielle Funktionsprinzip der Getriebe aus lediglich drei Komponenten ermöglicht in nur einer Getriebestufe Untersetzungen bis zu 320:1.

Erschienen in Ausgabe: 04/2012