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News: Ein Fahrzeugsimulator für gefährliche Situationen

Es gibt gefährliche Situationen, da ist der Mensch besser nicht in der Nähe. Aber mit einer Maschine könnten wichtige Aufgaben vor Ort erledigt werden, wenn ein Mensch diese Maschine, beispielsweise einen Bagger, der radioaktive Abfälle einlagert, zuverlässig auch aus der Ferne - in gehörigem Sicherheitsabstand - bedienen könnte.
Am Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal ist für solche Aufgaben eine Lösung gefunden worden. Der Baggerfahrer sitzt in einem Simulator; Kamera und Mikrophon übertragen den Blick und die Geräusche aus der Perspektive der Fahrerkabine in den Simulator. Der Baggerfahrer hat den Eindruck: "Jetzt neigt sich der Bagger. Hier muß ich gegensteuern! Und nun geht es durch eine Kurve." Dieses Empfinden – in jeder Situation mit allen Sinnen dabei zu sein – ist wichtig. Erst so kann der Baggerfahrer sein Arbeitsgerät sicher steuern. Damit also der Mensch aus der Ferne zuverlässig arbeiten kann, muß er auf Distanz doch das Gefühl für die Situation vor Ort haben. Er soll das Schütteln, Vibrieren, Anstoßen an ein Hindernis, die Kraft des Baggers beim Anheben der Last, wenn er "in die Knie" geht, all das soll er spüren. Er braucht es, um mit wachen Sinnen richtig reagieren zu können. Die Situation kann aus der Entfernung also nur beherrscht werden, wenn der Baggerfahrer in die Entfernung "eintauchen" kann, kurz, wenn er präzise getäuscht, sein Sinnessystem "ausgetrickst" wird.

Um dieser Aufgabenstellung gerecht zu werden, muß man sich zunächst die Grundprinzipien der Bewegungswahrnehmung klarmachen. Wie orientieren wir uns im Raum? Mit den Augen und mit dem Vestibularapparat lautet die Antwort. Hängen wir schräg im Raum – das sehen wir. Aber wir spüren es auch, dafür sorgt der Vestibularapparat. Er befindet sich im Mittelohr und setzt sich aus drei Bogengängen und dem sogenannten Otolithenorgan zusammen. In den Bogengängen befindet sich an der Basis jeweils eine flüssigkeitsgefüllte Ampulle, in die, wie Schilf am Ufer eines Sees, Sinneshärchen hineinwachsen. Bei einer Winkelbeschleunigung werden die Sinneshärchen durch die träge Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung gebogen. Den dadurch entstehenden Sinnesreiz interpretiert das Gehirn schließlich als Bewegung. So erfahren wir neben dem Augensinn Drehbewegungen.

Unser Schwerkraftempfinden (Wo ist oben, wo unten? Bewege ich mich nach oben oder nach unten?) wird von den winzigen Kalkkristallen, Otolithen genannt, bestimmt. Diese liegen auf einer durch kleine Sinneshärchen gestützten Membran. Bei Neigungen des Kopfes "rollen" die Otolithen, wie Glaskugeln in einer Schale, auf eine Seite der Membran. Die Sinneshärchen, die die Membran stützen, werden durch die Gewichtsverlagerung gebogen. Das Gehirn kann so die veränderte Lage (zum Beispiel Taumeln) registrieren.

Wichtig für die Ingenieure war nun, daß sich Drehbeschleunigungssinn und Schwerkraftempfinden in der Simulation gewissermaßen gegeneinander "ausspielen" lassen – und erst so auf engstem Raum die perfekte Täuschung entstehen kann. Der Vestibularapparat spricht nur auf Drehbeschleunigungen an, die schneller sind als ein Grad pro Sekunde. Langsamere Drehungen werden nicht wahrgenommen; sie liegen unterhalb der Reizschwelle der Bogengänge. Um nun dem Baggerfahrer zum Beispiel das Gefühl einer langen Bergauffahrt zu vermitteln (der Körper wird in den Sitz gedrückt.) – ohne den Simulator weit verschieben zu müssen – werden die translatorischen und rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten des Simulators kombiniert. Zuerst wird eine kurzzeitige translatorische Bewegung ausgeführt, die dem Baggerfahrer das Einsetzen der Bergauffahrt vermittelt. Anschließend wird der Simulator leicht geneigt, so daß der Baggerfahrer aufgrund des Schwerkraftempfindens das Gefühl hat, die Bergauffahrt würde anhalten. So bleibt der Fahrzeugsimulator an einem Ort, und der Insasse hat dennoch das Gefühl, er würde fahren.

Auf diese Weise "tricksen" die Clausthaler Wissenschaftler des Instituts für Maschinenwesen unter Leitung von Professor Dr.-Ing. Peter Dietz den Wahrnehmungsapparat des Menschen aus, damit auf Entfernung präziser gearbeitet werden kann.

Als Basis für den Simulators wählte Dipl.-Ing. Marco Isliker eine sogenannte Stewart-Plattform. Sie wurde Mitte der 60er Jahre von Stewart und McGough entwickelt und mit parallel angeordneten Gelenken für steife 6-Freiheitsgradroboter in Flugsimulatoren und Reifenprüfgeräten eingesetzt. Die Stewart-Plattform ist eine bewegliche Konstruktion, die durch sechs "Beine" zu einer festen Basis verbunden ist. Jedes Bein setzt sich (von unten nach oben) aus einem passiven Hooke-Gelenk, einem aktiven prismatischen Gelenk (Hubzylinder) und einem passiven sphärischen Gelenk zusammen. Diese Stewart-Plattform wurde für die neue Aufgabenstellung modifiziert, denn die kommerziell verfügbaren sphärischen Gelenke wiesen nur sehr geringe Rotationsmöglichkeiten auf. Unter Verwendung eines Hooke-Gelenkes und weiterer zusätzlicher Lager konnten alle erforderlichen Drehbewegungen realisiert und damit die Täuschung erst perfekt gemacht werden.

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