DC-Motoren als Leistungssportler

Der Roboterfußball ist in mehrere Klassen eingeteilt: small- und middle-size, 4-legged sowie humanoid. Deutschland gewann den Titel in der Klasse small-size. Dies bedeutete für die Roboter ein Spielfeld mit den Maßen 4,90 m x 3,40 m. Der Ball wiegt 46 g bei 43 mm Durchmesser. Die Spieler selbst müssen in einen Zylinder mit 180 mm Durchmesser passen bei einer maximalen Höhe von 225 mm. Ebenso wie im großen Fußball gibt es zwei Halbzeiten und dazwischen eine Pause von 10 Minuten. Gelbe und rote Karten bei Remplern kennen die Regeln ebenso, wie Spielerwechsel bei "Verletzungen".

Gemeinsam stark

Die Mannschaft besteht aus vier Feldspielern und einem Torwart. Laut Reglement treten immer eine gelbe und blaue Mannschaft gegeneinander an (weitere Informationen dazu unter www.robocup.org). Das "Trikot" ist dabei eine farbige Plakette mit 50 mm Durchmesser im Mittelpunkt der Roboteroberseite. Hinzu kommen weitere Markierungen z.B. für die Identifikation der einzelnen Spieler. Je nach System können die Roboter autark navigieren oder über einen externen Vision-Computer und Funk gesteuert werden. Dazu wird das Spielfeld dann per Kamera von oben erfasst. Menschliche Eingriffe sind verboten, nur das Einsetzen bzw. Herausheben aus dem Spielfeld ist gestattet.

Auch das Abschießen der Bälle über einen Elektromagneten mit "Schussstift" ist computergesteuert. Dabei erreichen die Bälle dank Kondensatorentladung in die Spule Geschwindigkeiten bis zu 12 m/s, also ca. 45 km/h. Dies wiederum macht spurtstarke Torwarte "überlebenswichtig".

Bei diesen Voraussetzungen ist klar, auf fertige Systeme kann man hier nicht zurückgreifen. Das Team der FU Berlin baute daher aus Einzelkomponenten ihre Mannschaft auf. Der betreuende Professor Raúl Rojas bemerkt dazu: "Das System ist nur so stabil wie jede einzelne Komponente. Aus diesem Grund legten wir als Entwickler Wert auf eine möglichst einfache aber robuste Konstruktion. Jedes einzelne Teil kann ausfallen und erhöht so die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Mannschaft." Denn auch für Roboter gilt: Wer siegen will, muss erst mal am Ziel ankommen. Das System aus externem Steuerungscomputer, Funkdatenübertragung zur internen Roboterelektronik und der Antriebsmechanik ist auch so noch sehr komplex. Dass dieses Konzept richtig war, zeigt der Erfolg bei den Spielen. Nach drei Vizeweltmeisterplätzen reichte es nun zum ersehnten Titel.

Sprinter und Dribbler

Die Roboter werden durch vier omnidirektionale Räder angetrieben. Das heißt, jedes Rad hat über den Umfang verteilt noch eine Reihe kleinerer Räder quer zur Fahrtrichtung.

Vorteil dieser Anordnung ist die direkte Steuerungsmöglichkeit. Da jedes der vier Räder von einem eigenen Motor angetrieben wird, schaltet man zur Richtungsänderung einfach einen Motor aus. Der Roboter fährt dann geradlinig "über" die kleinen Räder des antriebslosen Rades in die gewünschte Richtung. "Kurven" wie bei der PKW-Lenkung sind so nicht nötig, die Manövrierfähigkeit auf engstem Raum steigt. Als Antriebsquelle setzen die Experten auf edelmetallkommutierte Gleichstrommotoren von FAULHABER. Die Motoren der Serie 2224 SR mit integriertem Impulsgeber IE2 (64 Impulse/Umdrehung) werden mit den passenden Metall-Planetengetrieben 20/1 eingesetzt. Die kompakte Einheit erübrigt weitere Bauteile und erlaubt eine feinfühlige Steuerung. Da die Feldspieler längere Strecken schnell zurücklegen müssen, wird die Untersetzung bei ihnen mit 14:1 etwas geringer gewählt als beim sprintstärkeren Torwart mit 19:1. Damit erreichen die Roboter trotz des kleinen Spielfeldes Geschwindigkeiten von 3 bis 4 m/s, und dies bei einem Gewicht von immerhin 1,8 kg. Diese Werte sind natürlich nicht mit den normalen Betriebswerten der Motoren zu erreichen. Statt der serienmäßigen Betriebsspannung von 6 V werden die Motoren mit 10 V betrieben.

Um Rempler zu vermeiden müssen die Roboter schnell abbremsen können. Hierfür bekommen die Motoren sogar kurzzeitig Gegenspannung mit bis zu 20 V auf die Anschlüsse.

Trotz dieser "Überlast" arbeiten die Motoren in den Robotern seit vier Jahren bzw. mehreren hundert Betriebsstunden ohne Probleme. Entmagnetisierung, Lagerschäden, Kohlenabbrand oder Entlötung der Ankerwicklung am Kollektor, wie sie bei billigen Modellmotoren in solch "frisierter" Betriebsweise auftreten können, sind kein Thema. Die Motoren zeigen "Kondition", wie es sich für Weltmeister gehört. Auch für ausgefallene Anwendungen bieten Kleinmotoren von FAULHABER mit ihrem großen Leistungs-/Volumenverhältnis eine zuverlässige Antriebslösung. Langjährige Erfahrung in Verbindung mit modernen Werkstoffen erlauben dabei nicht nur eine lange Betriebszeit auch bei Bürstenmotoren, sie verkraften auch ungewöhnliche Betriebsbedingungen klaglos. Optimal auf den Motor abgestimmte Impulsgeber und Getriebe sind nicht nur im Roboterfußball von Vorteil, auch bei industriellen Anwendungen ist eine kompakte Bauweise wünschenswert. Die zuverlässigen und langlebigen Komponenten senken Betriebs- und Wartungskosten. Daher bieten sich die "Fußballermuskeln" auch für viele Anwendungen an, bei denen es auf Wirtschaftlichkeit über die gesamte Betriebszeit ankommt.