Fortbewegung mal anders mit Gyrotechnik
Habt Ihr schon mal diese komischen Dinger mit zwei an einem Trittbrett montierten Rädern und einer Steuerstange gesehen? Nein, kein Tretroller. Es ist ein unglaubliches Fortbewegungsgerät, das ich mir unbedingt auch noch mal aus nächster Nähe ansehen muss. Hier erst mal die Theorie…
Wer hat’s erfunden?
Als Dean Kamen den Segway Personal Transporter (PT) in ABCs Sendung „Good Morning America“ vorstellte, beschrieb er das Gerät als „das weltweit erste selbstbalancierende Fortbewegungsmittel für Menschen“. Betrachtet man das Gerät in Bewegung, versteht man, was er meint. Anders als ein Auto hat der Segway nur zwei Räder. Das Besondere daran: er ist in der Lage, selbständig aufrecht zu stehen.
Um sich auf dem Segway Personal Transporter vorwärts oder rückwärts zu bewegen, lehnt frau sich leicht nach vorne oder nach hinten. Um nach links oder rechts zu lenken, dreht sie einfach den Steuergriff nach links oder rechts.
Das Prinzip: Dynamische Stabilisierung
Die Fähigkeit, selbstständig das Gleichgewicht zu halten, lernt jedes Kind. Dasselbe Prinzip steckt im Personal Transporter. Das System funktioniert ähnlich wie der menschliche Körper: Wenn ein aufrecht stehender Mensch sich so weit nach vorn lehnt, dass er das Gleichgewicht verliert, fällt er in der Regel trotzdem nicht auf die Nase. Sondern fängt den drohenden Sturz durch einen Schritt nach vorn ab. Das Gehirn weiß, dass der Körper nicht im Gleichgewicht ist, weil sich die Flüssigkeit im Innenohr bewegt hat. So lange sich also ein Mensch sich wieder und wieder nach vorn lehnt, wird das Gehirn Fußbewegungen nach auslösen, um den Körper aufrecht zu halten. Statt zu fallen, geht es vorwärts, Schritt für Schritt.
Die Technik
Der SEGWAY PT ist eine Kombination aus Sensoren, einem Kontrollsystem und einem Motorsystem. Das primäre Sensorsystem ist eine Gruppe von Gyroskopen. Ein Gyroskop sieht aus wie ein komplexer Kreisel. Es besteht aus einem Rad, das innerhalb eines stabilen Rahmens drehbar ist. Nun ist es ja so, dass ein drehendes Objekt sich Änderungen seiner Rotationsachse widersetzt, weil sich gegeneinander wirkende Kräfte mit dem Objekt bewegen. Wenn eine Kraft z. B. auf einen Punkt an der Spitze eines sich drehenden Rades wirkt, bewegt sich dieser Punkt zur Vorderseite des Rades weiter, während die darauf angewendete Kraft immer noch vorhanden ist. Während sich der Punkt der Krafteinwirkung weiterbewegt, wirkt sich diese Kraft auch an der gegenüberliegenden Seite des Rades aus – das System balanciert sich selbst aus.
Deswegen behält ein Gyroskop seine relative Position bei, auch wenn es in eine Schieflage gerät. Dabei bewegt sich der Rahmen des Gyroskops frei im Raum. Mit der gemessenen Position des sich drehenden Gyroskoprades im Verhältnis zur Position des Rahmens kann ein präziser Sensor sowohl den Neigungswinkel (gegenüber einer „geraden“ Position) als auch die Neigungsgeschwindigkeit liefern.
SEGWAY PTs benutzen als Gyroskop einen speziellen Sensor, der in einem fixen Winkel montiert wird ist. Diese platzsparende Art von Gyroskop bestimmt die Rotation eines Objektes durch die Anwendung des Corioliseffekts.
Ein Silizium-Gyroskop besteht aus einer kleinen Siliziumscheibe in einer Halterung. Die Siliziumteilchen bewegen sich durch einen elektrostatischen Strom, der durch die Scheibe fließt. Die Teilchen bringen die Scheibe in einer berechenbaren Frequenz zum Vibrieren. Wenn die Scheibe um ihre eigene Achse bewegt wird (wenn sich der SEGWAY PT in dieser Ebene dreht), verschieben sich die Teilchen relativ dazu. Das verändert die Vibration. Der Unterschied ist proportional zum Grad der Drehung. Das Gyroskopsystem misst den Unterschied in der Vibration und leitet diese Informationen weiter zum Computer. Auf diese Weise weiß der Computer, wann sich der SEGWAY PT um bestimmte Achsen dreht.
Der Personal Transporter hat fünf Gyroskopsensoren, obwohl eigentlich nur drei benötigt werden, um die Vorwärts- und Rückwärtsneigung beziehungsweise die Neigung nach links oder rechts festzustellen. Die zusätzlichen Sensoren dienen der Redundanz, um das Fahrzeug zuverlässiger zu machen. Alle Informationen über den Neigungswinkel werden an das Kernstück des Fahrzeugs weitergeleitet. Das Kernstück besteht aus zwei elektronischen Schaltplatinen, die jeweils mit einer Gruppe von Mikroprozessoren ausgestattet sind. Der SEGWAY PT enthält eine Vielzahl an Mikroprozessoren, die zusammengenommen etwa der dreifachen Rechenleistung eines typischen PCs entsprechen. Das Fahrzeug benötigt diese Rechenleistung, weil es sehr exakte Korrekturen durchführen muss, um das Gleichgewicht zu halten. Wenn eine Schaltplatine ausfällt, kann die andere alle Funktionen übernehmen. Das System kann den Fahrer über den Fehler informieren und kontrolliert deaktiviert werden.
Das Fahrzeug wird softwarertechnisch gesteuert. Das Programm überwacht alle Informationen, die von den Sensoren eintreffen und passt demgemäß die Geschwindigkeit einiger Elektromotoren an. Die Elektromotoren, die von zwei wiederaufladbaren Nickel-Metall-Hybrid-Akkus versorgt werden, können jedes Rad unabhängig in verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen.
Komponenten
Steuereinheit
Zwei ausgeklügelte Steuerplatinen (Delphi Electronics) stellen das Kernstück des Systems. Delphi Electronics wurde aufgrund der Erfahrung in der Massenherstellung von Automobilelektronik für so Anwendungen wie Airbags ausgewählt.
Jede Steuerplatine ist mit einem Signalprozessor (Texas Instruments) ausgestattet, der das gesamte System überwacht und hundertmal pro Sekunde auf Fehler oder sonstige Zustände prüft, die einer sofortigen Reaktion bedürfen. Er liest die Informationen der Gleichgewichtssensoren (BSA), um festzustellen, ob sich der Fahrer vorwärts oder rückwärts lehnt. Diese Informationen führen dazu, dass Energie von den Batterien durch ein Set von 12 Hochenergie-Hochstrom-Feldeffekt-Transistoren (FETs) zu den Motoren geleitet wird. Diese Berechnungen finden ebenfalls hundertmal pro Sekunde statt und die Motoren werden bis zu tausend Mal pro Sekunde angepasst – eine Reaktionszeit weit über der menschlichen Wahrnehmungszeit. Obwohl jede Steuerplatine den Transporter nach einem Versagen der anderen Platine vollständig steuern kann (jede Platine ist mit den elektrischen Schaltkreisen beider Motoren verbunden), wird die Rechenleistung unter normalen Betriebsbedingungen aufgeteilt.
Gleichgewichtssensoren
Der Verbund von Gleichgewichtssensoren (BSA) von Silicon Sensing Systems ist ein elegant konstruiertes, extrem widerstandsfähiges, aber überaus empfindliches Ding. Der kleine Würfel mit etwa 7,6 cm Seitenlänge enthält fünf fixe Ringvibrations-Winkelmesser-Sensoren (also die oben beschriebenen Gyroskope), die Drehungsgeschwindigkeiten messen. Diese winzigen Ringe werden elektromechanisch zum Vibrieren gebracht. Wenn sie gedreht werden, wird eine kleine Kraft erzeugt, die durch die interne Sensorelektronik gemessen werden kann.
Jedes Gyroskop ist in einem spezifischen Winkel angebracht, was die Messung verschiedener Bewegungsrichtungen ermöglicht. Die Bordcomputer des SEGWAY vergleichen laufend die Informationen aller fünf Gyroskope, um zu entscheiden, ob einer der fünf Sensoren fehlerhafte Daten liefert. Sollte dies der Fall sein, wird mit den Daten der verbliebenen Sensoren weitergearbeitet, bis eine kontrollierte Sicherheitsabschaltung stattfindet.
Zwei Neigungssensoren, die mit einer Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind, stellen Informationen über die Gravitation zur Verfügung – in der gleichen Art und Weise wie unser Innenohr mit unserem Gleichgewichtssinn zusammenarbeitet. Der BSA wird von zwei unabhängigen Mikroprozessoren überwacht und ist aus Gründen der Redundanz in zwei unabhängige Hälften aufgeteilt. Die Kommunikation zwischen den beiden Hälften ist optisch ausgeführt, um zu verhindern, dass sich elektrische Fehler einer Seite auf die andere übertragen.
Motoren
Die Motoren sind hergestellt von Pacific Scientific (Danaher). Sie sind die stärksten Motoren ihrer Gewichts- und Größenklasse, die jemals in Massenproduktion gingen. Jeder Motor bietet eine Dauerleistung von 1.5 KW, also 2 PS.
Die Motoren benutzen bürstenlose Servotechnologie, was bedeutet, dass es keine Kontakte gibt, die verschleißen könnten und dadurch die Leistung verringern. Die Magneten der Motoren bestehen aus einem sehr kraftvollen und seltenen Erdmetall: Neodym-Eisen-Bor. Jeder Motor ist mit zwei unabhängigen Wicklungen ausgestattet, wovon jede von einer der beiden Steuerplatinen gesteuert wird. Unter normalen Betriebsbedingungen arbeiten beide Wicklungen parallel und teilen sich die Last. Im Falle eines Versagens ist der Motor in der Lage, die fehlerhafte Seite sofort zu deaktivieren und die verbleibenden Wicklungen dazu zu benutzen, die Kontrolle über das Fahrzeug zu behalten, bis er zum Anhalten gebracht wird. Der Motor wurde auf eine Leistung von bis zu 8000 Umdrehungen pro Minute abgestimmt, was sehr hohe Leistungspegel in einer kleinen Bündelung ermöglicht. Redundante, kontaktlose, analoge Sensoren geben Rückmeldungen vom Motor an den Personal Transporter, indem sie die Position der Magneten messen. Dabei ist die Motorachse das einzige bewegliche Teil.
Getriebe
Das Getriebe, eine gemeinsame Entwicklung von Axicon Technologies und SEGWAY, ist mehr mit einer Schweizer Präzisionsuhr vergleichbar als mit einem traditionellen Autogetriebe. 
Ein 2-Stufen-Untersetzungssystem bietet eine 24:1 Untersetzung, die einen effizienten Motorbetrieb über den vollen Umfang von Geschwindigkeiten des Fahrzeugs ermöglicht. Jede Getriebestufe ist zu einem spiralförmigen Profil geschnitten, die Lärm minimiert und die Belastungsgrenzen des Getriebes erhöht. Die Anzahl von Zähnen auf jeder Getriebestufe ist so gewählt, dass nicht-ganzzahlige Getriebeübersetzungen erzielt werden. Das bedeutet, die Zähne greifen bei jeder Umdrehung an einem anderen Platz, wodurch die Lebensdauer des Getriebes erhöht wird.
Das Getriebe ist vormontiert und geschmiert und benötigt während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs keine Wartung. Es wurde unter harten Betriebsbedingungen über viele tausend Kilometer getestet. Die Ingenieure waren so detailverliebt, dass sie die Getriebeverzahnung so entwickelt haben, dass die entstehenden Geräusche exakt zwei Oktaven (ja, die aus der Musik) voneinander entfernt liegen. Wenn sich der SEGWAY PT bewegt, macht er Musik, keinen Lärm.
Reifen und Räder
Michelin war einer der ersten Partner in der Entwicklung des SEGWAY PT. Die Reifen wurden speziell für dieses Produkt entwickelt, wobei eine einzigartige Reifenmischung zum Einsatz kam, eine Siliziumdioxid-Mischung statt der traditionell verwendeten kohlenstoffbasierenden Materialien. Diese bietet erhöhten Halt und minimiert Spurenbildung speziell auf Untergründen in Innenräumen. Die Reifen sind schlauchlos und benötigen nur einen niedrigen Reifeninnendruck. Durch diese Spezialentwicklung wird der Fahrkomfort erhöht und der Reibungswiderstand minimiert.
Der Reifen wird auf einem ebenso einzigartigen Rad montiert. Das Rad besteht aus einem hochentwickelten Maschinenbau-Thermoplast (GE Plastics). Das Kompositmaterial ermöglicht geringes Gewicht, exzellente Haltbarkeit und reduziert Geräusche aus dem Antriebssystem. Das Rad ist um einen geschmiedeten Stahlrahmen gegossen, ohne Verbindungselemente, die mit der Zeit locker werden könnten. Die Aufhängung zwischen diesem Rahmen und der Getriebeübersetzung erfolgt durch ein patentiertes Sechskant-Kegel-System. Das Rad kann dadurch mit einer einzigen Schraubenmutter montiert oder entfernt werden, hat aber dennoch die Sicherheit eines Mehrfach-Bolzen-Systems, das üblicherweise benutzt wird.
Batterien
Der Personal Transporter benutzt zwei 72-Volt-NiMH-Batterien, die in Zusammenarbeit mit SAFT (Alcatel) entwickelt wurden. Diese Nickel-Metall-Hybrid-Zellen liefern die größtmögliche Energieleistung nach dem Stand der heute verfügbaren Chemie. Sie wurden dafür optimiert, das Gleichgewicht des Fahrzeugs auch unter extremen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Das hat nix mehr mit Handybatterien zu tun…
Jede Batterie besteht aus einem Verbund von Hochleistungszellen und einer speziell entwickelten Steuerplatine, welche Temperatur und Spannung der Batterie an verschiedenen Stellen permanent überwacht. Die Batteriebox wird durch eine Vibrationsschweißmethode versiegelt, die aus der Außenseite des Verbunds eine einzige, durchgängige Struktur formt. Die Versiegelung schützt vor Feuchtigkeit und hält so gut, dass sie sämtliche Extremtests, die den Technikern in den Sinn kamen, problemlos widerstanden hat.
Die in die Batterie integrierte Elektronik ermöglicht ein „intelligentes“ Aufladen: Die Besitzerin muss den SEGWAY PT nur an eine Steckdose anschließen und die Batterie wählt selbstständig die passende Ladegeschwindigkeit, basierend auf Temperatur, Spannung und Ladestand. Die Batterien werden schnell geladen und wechseln dann in einen Ausgleichs- und Wartungsmodus. Die Besitzerin muss sich keine Gedanken über das Timing machen – einfach einstecken und der Rest geschieht automatisch.
Unter normalen Betriebsbedingungen überwacht der SEGWAY PT beide Batterien und entlädt die Batterien gleichmäßig. Für den unwahrscheinlichen Fall eines Batterieversagens kann das System auch mit einer einzigen Batterie betrieben werden und erhält das Gleichgewicht, bis es zu einem sicheren Halt gebracht wird. Aber das kennt Ihr ja schon…
Wenn das Fahrzeug nach vorne geneigt wird, bewegen die Motoren beide Räder vorwärts, um ein Umkippen zu verhindern. Wenn das Fahrzeug nach hinten geneigt wird, bewegen die Motoren beide Räder rückwärts. Wenn die Fahrerin die Lenkstange bewegt, um nach links oder rechts zu fahren, bewegen die Motoren ein Rad schneller als das andere oder sie bewegen die Räder in entgegengesetzte Richtungen, damit das Fahrzeug sich dreht. Während der Fahrt lenkt der Segway PT exakt den richtigen Kurvenradius, der notwendig ist, um unter Berücksichtigung der Fliehkräfte das Gleichgewicht zu halten.
Noch Fragen?
Wie schnell kann das Ding fahren?
Jedes Fahrzeug hat drei verschiedene Schlüssel zum Auswählen, je nach Fahrumgebung und Erfahrung. Der Schlüssel für die Einsteigrin (maximal 9,6 km/h und langsamste Wendegeschwindigkeit) erlaubt es der Fahrerin, sich an die Maschine zu gewöhnen. Der Gehsteigschlüssel (maximal 12,9 km/h und durchschnittliche Wendegeschwindigkeit) erlaubt es, sich gut an die Fußgänger anzupassen. Der dritte Schlüssel (maximal 20 km/h mit der größten Wendegeschwindigkeit) ist für weite Strecken gut. Natürlich muss die Fahrerin ihre Geschwindigkeit den Gegebenheiten anpassen und darf nicht den Straßen- oder Personenverkehr gefährden.
Wie lange hält sowas?
Konzipiert ist das Fahrzeug für extreme Beständigkeit. Zum Einen sind die mechanischen und elektrischen Systeme solide beschaffen, auch die beweglichen Teile wurden für Langlebigkeit entworfen. Zum Beispiel sind die Motoren bürstenlose Servomotoren, sodass kein Teil verschleißen kann. Dann wurden die einzelnen Systeme ausgiebigen und rigorosen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass dies Ziel auch erreicht wurde. Zum Anderen entschieden sich die Leute von SEGWAY für ein modulares Design, um so beschädigte oder kaputte Teile leicht tauschen zu können.
Für wen ist der SEGWAY PT geeignet?
Es wird empfohlen, dass jede potentielle Besitzerin eines SEGWAY PT einige grundlegende Eigenschaften mitbringen sollte:
- Die Fahrerin sollte mindestens 16 Jahre alt sein.
- Die Fahrerin muss zwischen 45 und 91 kg (bzw. 110 kg) wiegen.
- Die linke Hand muss voll funktionsfähig sein.
- Die Fahrerin muss ohne fremde Hilfe auf den SEGWAY HT aufsteigen zu können, was der Fähigkeit entspricht, ohne fremde Hilfe oder Geländer eine 17-21 cm hohe Stufe steigen zu können.
Wo kann ich damit fahren?
Das Fahrzeug kann überall dort eingesetzt werden, wo frau auch sicher zu Fuß gehen kann. Er befördert sie über jede Oberfläche, wo die Reifen Halt finden, etwa auf Straßen, Gehsteigen, Gras und Feldwegen. Einfach bei der eigenen Stadt nachfragen oder beim Segway Händler, um zu erfahren, ob es besondere Beschränkungen gelten.
Kann ich meinen SEGWAY Transporter vom Auto oder Boot aus aufladen?
Ja, der Personal Transporter kann aufgeladen werden während einer Auto- oder Bootsfahrt. Einfach einen passenden Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler verwenden. Jeder SEGWAY verbraucht etwa 140 Watt beim Ladevorgang. Aufgrund höherer Leistungsanforderungen beim Start des Ladevorganges ist zu empfehlen, einen 350-Watt-Wandler zu verwenden. Sowohl Wandler mit eckigem als auch Sinus-Wellen-Ausgang sind zum Laden geeignet.
Das Versprechen
Sobald ich mal eine Probefahrt gemacht habe, werde ich hier berichten. Mit Fotos, wenn jemand welche macht. Versprochen.
Mehr Infos: www.segwaypoint-ruhr.de. Ansprechpartner: Gesellschaft Intelligent Mobility GmbH (offizieller Segway Vertriebspartner).
Mein herzlicher Dank geht an dieser Stelle an die Leute der Intelligent Mobility GmbH dafür, dass sie mich bei der Recherche für diesen Artikel unterstützt haben.
Maria