Zwischen den Welten laufen

Gleitlager – Heute ist virtuelle Realität, was vor zehn Jahren Vision war: Ein omnidirektionales Laufband ermöglicht in virtuellen Welten die ungehinderte Bewegung in jede beliebige Richtung. Metall-Polymer-Gleitlager halten den ›Cyberwalker‹ in der Mitte.

10. April 2008

Im Rahmen des CyberWalk-Projekts wurde im Jahr 2007 eine als omnidirektionales Laufband bezeichnete Plattform geschaffen. Das 2005 ins Leben gerufene und durch die EU finanzierte Projekt stellt den vorläufigen Höhepunkt einer Entwicklung dar, die 1997 mit einem vom US-Militär entwickelten omnidirektionalen Laufband begann und mit weiteren Projekten der japanischen Universität von Tsukuba im Jahr 1999 sowie der taiwanesischen Tamkang Universität im Jahr 2003 fortgesetzt wurde.

Das CyberWalk-Projekt wurde von dem Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen, der Technischen Universität München, der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und der Universität Rom initiiert. Die Technische Universität München wurde mit der Entwicklung eines funktionierenden Prototyps zur Verwendung in virtuellen Umgebungen beauftragt, die entweder durch ein am Kopf angebrachtes stereooptisches Gerät oder ein CAVE-System (Cave Automatic Virtual Environment) zur Projektion einer 3D-Illusionswelt der virtuellen Realität geschaffen werden.

Der Prototyp verfügt über einen Cyberteppich, eine einzigartige, multimodale Lokomotionsplattform mit hoher Wiedergabetreue, die aus mehreren Laufbändern besteht, welche einen Endlostorus bilden. Die Bänder sorgen für die Bewegung in einer Richtung, wobei der gesamte Torus gedreht werden kann, um eine Bewegung in einer zweiten Richtung zu erzeugen. Für die Drehbewegung sorgt ein Kettenlaufband unter dem Torus, auf dem dieser aufliegt und sich auf Rollen auf einer Kreisbahn verschiebt. Die beiden Bewegungen können unabhängig voneinander gesteuert werden, um eine resultierende dritte Bewegung hervorzubringen, die den ›Cyberwalker‹ quasi unbemerkt immer wieder zur Plattformmitte zurück bringt, solange die Beschleunigungsgrenzen nicht überschritten werden.

Die Plattform wird dabei durch einen elektrischen Antrieb an jeder Ecke und zwei Antriebe an jedem Ende bewegt. Die Antriebe haben ein max. Drehmoment von 2 kNm mit Hebelarmen von 300 mm. Ein kamerabasierendes Verfolgungssystem übermittelt die Position der Person an einen Computer mit einem Steueralgorithmus, der die Daten seinerseits zur Steuerung an einen elektrischen Schaltschrank weiterleitet. Der Teppich hat eine Fläche von 5,5 x 4,6 m, eignet sich für eine Bewegungsgeschwindigkeit der Benutzer von 2 m/s und ist das größte und schnellste ›Holodeck‹.

»Das Laufen auf der Plattform sollte sich möglichst natürlich anfühlen, damit der Benutzer nicht merkt, dass er von der Plattform bewegt wird«, erläutert Martin Schwaiger von der TU München. »Die Kette muss daher so reibungslos und geräuschlos wie möglich funktionieren.«

Die Rollen bei jedem Kettenglied gewährleisten einen reibungslosen Betrieb, und kleine Metall-Polymer-Bundbuchsen zwischen den Rollen und den Stiften, die die einzelnen Kettensegmente verbinden, ermöglichen einen geräuschlosen, wartungsfreien Betrieb. Um die Reibung auf beiden Seiten der Kettensegmente zu verringern, verwendete die Universität außerdem Anlaufscheiben aus dem gleichen Werkstoff. Dadurch kommt es an keiner Stelle des Laufbandes es zu einem Metall-auf-Metall-Kontakt.

Die selbst schmierenden DU-Gleitlager und Anlaufscheiben von GGB, ehemals Glacier Garlock Bearings, besitzen ausgezeichnete Reibungs- und Verschleißeigenschaften und eignen sich optimal für Anwendungen mit rotierenden, gleitenden und oszillierenden Bewegungen. Ungeschmiert halten sie Lasten von bis zu 3,5 Mpa x m/s sowie Geschwindigkeiten von bis zu 2,5 m/s und Temperaturen von –200 °C bis +280 C° stand, aber auch mit Schmierung verfügen sie über eine gute Leistungsfähigkeit. Die Konstruktion der Gleitlager besteht aus einem tragenden Stahlrücken mit einer außergewöhnlich hohen Belastbarkeit, sowie einer porösen Innenschicht aus Sinter-Bronze, die mit einer Laufschicht aus homogenem PTFE-Verbundmaterial versehen ist.

»Der Prototyp wiegt 7,5 Tonnen, sodass die Kette, die Stifte, die sie zusammenhalten und die Gleitlager stark beansprucht werden,« erklärt Martin Schwaiger. »Außerdem herrschen hohe Kräfte innerhalb der Kette, deren oberer Teil immer unter Spannung steht. Wir wollten Gleitlager, die ruhig laufen, nicht geschmiert zu werden brauchen und nicht häufig ausgewechselt werden müssen.« ps

Fakten:

- Initiiert wurde das CyberWalk-Projekt vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik, Tübingen, der TU München, der TH Zürich und der Uni Rom.

- Die TU München arbeitet zurzeit an einem weiteren von Star Trek inspirierten Forschungsprojekt, bei dem ein menschenähnlicher Roboter bis Ende 2008 eigenständig laufen lernen wird.

Erschienen in Ausgabe: 02/2008