- Das omnidirektionale Ein-Kugel-Bike balanciert selbstständig in alle Richtungen gleichzeitig
- Drei speziell gefertigte Omni-Wheels mit je 216 Kugellagern treiben eine einzelne Zirkuskugel an
- Das Video zum Zwei-Kugel-Vorgänger hat auf YouTube bereits über 8,5 Millionen Aufrufe erzielt
James Bruton aus Hampshire in England gehört zu den kreativsten Bastlern auf YouTube. Der ehemalige Spielzeugdesigner und IT-Fachmann hat sich auf seinem Kanal mit inzwischen rund 1,37 Millionen Abonnenten einen Namen gemacht, indem er regelmäßig ausgefallene Fahrzeuge und Roboter konstruiert. Von einem fahrenden Star-Wars-AT-AT über einen Ironman-Hulkbuster-Anzug bis hin zu diversen selbstbalancierenden Gefährten reicht sein Portfolio. Sein neuestes Projekt ist dabei möglicherweise das ambitionierteste: ein omnidirektionales Bike, das auf einer einzigen Kugel balanciert und sich in jede beliebige Richtung bewegen kann.
Vom Zwei-Kugel-Bike zum Ein-Kugel-Experiment
Das Ein-Kugel-Bike, das Bruton selbst „Ike“ nennt, ist bereits das vierte omnidirektionale Fahrzeug in einer Reihe von Experimenten. Der erste Versuch war ein umgebautes Fahrrad mit einem einzelnen motorisierten Omni-Wheel an der Front. Danach folgte eine Version mit zwei Omni-Wheels, die seitlich wie ein Segway balancierte und durch Ventilatoren angeblasen werden musste, um vorwärtszukommen. Das dritte Modell setzte auf vier Mecanum-Räder und konnte sich damit erstmals in alle Richtungen bewegen. Das Zwei-Kugel-Bike war dann der direkte Vorgänger von „Ike“ und verwendete bereits Zirkuskugeln als Räder, sogenannte Walking Globes. Diese starren Hohlkugeln werden normalerweise von Zirkusakrobaten zum Balancieren verwendet und sind deutlich härter als Yoga-Bälle, sodass sie unter Belastung ihre Form behalten. Bruton importierte die etwa 60 Zentimeter großen Kugeln aus den Niederlanden.
Während das Zwei-Kugel-Bike nur seitlich balancieren musste, ähnlich einem Segway, muss „Ike“ gleichzeitig in Längs- und Querrichtung das Gleichgewicht halten. Damit steigt die Komplexität erheblich.
Drei Omni-Wheels treiben eine einzige Kugel an
Das Herzstück des Antriebs bilden drei Omni-Wheels, die in einem Dreieck um die Kugel herum angeordnet sind und diese in einem Winkel von jeweils 120 Grad umschließen. Jedes dieser Räder kann die Kugel in eine bestimmte Richtung antreiben und gleichzeitig seitlich gleiten, was die omnidirektionale Bewegung ermöglicht. Handelsübliche Omni-Wheels erwiesen sich als ungeeignet, da sie bei höheren Geschwindigkeiten überhitzten und zu viel Reibung erzeugten. Bruton baute deshalb eigene Räder mit Aluminiumkernen und 3D-gedruckten TPU-Reifen für besseren Grip. Insgesamt stecken in jedem Rad 216 Kugellager sowie zwei Reihen kleiner Rollen, die das seitliche Gleiten ermöglichen.
Während des Entwicklungsprozesses experimentierte Bruton mit der Ausrichtung der Antriebsräder. In der ursprünglichen Konfiguration arbeiteten die Motoren bei höheren Geschwindigkeiten gegeneinander. Die Lösung bestand darin, die Räder um 90 Grad zu drehen und vertikal auszurichten. Zudem werden nur zwei der drei Omni-Wheels aktiv angetrieben, das dritte läuft als frei drehendes Stützrad mit.
Antrieb und Elektronik im Detail
Für den Antrieb sorgen drei bürstenlose ODrive-S1-Motoren vom Typ 8325, die jeweils bis zu 2 kW Leistung (rund 2,7 PS) liefern können. Die Motoren sind über einen einfachen Riemenantrieb im Verhältnis 1:1 mit den Omni-Wheels verbunden, um ausreichend Drehmoment für die Balance zu gewährleisten. Die ODrive-Controller ermöglichen eine präzise Steuerung von Position, Geschwindigkeit und Drehmoment.
Als Energiequelle dienen sechs 6S-Lithium-Polymer-Akkus, wie sie auch im RC-Modellbau zum Einsatz kommen. Jeweils zwei davon sind in Reihe geschaltet und dann parallel verbunden, was eine Systemspannung von etwa 50 Volt ergibt. Ein großer Schütz und ein Not-Aus-Schalter sorgen für die Sicherheitsabschaltung. Die Bordelektronik wird über separate Akkus versorgt.
Das Gehirn des Systems ist ein Teensy-4.1-Mikrocontroller, der mit einer BNO086-Trägheitsmesseinheit (IMU) zusammenarbeitet. Dieser Sensor misst permanent Neigung und Rotation in Echtzeit und liefert die Daten an einen PID-Regler. Dieser berechnet daraus die nötigen Korrekturbefehle für die Motoren, um das Fahrzeug aufrecht zu halten. Die gesamte Software hat Bruton selbst in Arduino (im Wesentlichen C++) geschrieben.
Statische Aufladung als unerwartetes Problem
Eine der größten Herausforderungen war ein Problem, das Bruton so nicht erwartet hatte: Die Reibung zwischen den Kunststoffkugeln und den Omni-Wheels erzeugt erhebliche statische Aufladung. Diese Störungen führten zu Fehlfunktionen der empfindlichen Elektronik und drohten, Bauteile zu beschädigen. Bruton begegnete dem Problem, indem er das Elektronikgehäuse mit Nickel-Abschirmspray beschichtete und alle Metallteile miteinander erdete, um elektrostatische Entladungen zu verhindern.
Steuerung wie bei einem Motorrad, mit Einschränkungen
Die Steuerung von „Ike“ orientiert sich lose an einem Motorrad. Am Lenker befinden sich Hall-Effekt-Drehgriffe: Der rechte Griff steuert die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, indem er den Gleichgewichtspunkt um bis zu zehn Grad verschiebt. Das Fahrzeug neigt sich dann in die gewünschte Richtung und die Kugel rollt entsprechend. Der linke Griff ist für die Gier-Steuerung zuständig, also die Drehung um die Hochachse. Zusätzlich lassen sich Trimmung und Verstärkung justieren, ähnlich wie bei einem Flugzeug, was das Fahrverhalten beeinflusst.
Das Lenken stellte sich allerdings als das schwierigste Problem heraus. Mit nur einer frei rotierenden Kugel und vertikal ausgerichteten Rädern hat das Fahrzeug keine natürliche Gier-Kontrolle. Sich wie auf einem Motorrad in die Kurve zu legen funktionierte nicht. Brutons vorläufige Lösung war ebenso kreativ wie unkonventionell: Ein großer Schaumstoffflügel, den er seitlich aushält, erzeugt bei Fahrt aerodynamischen Widerstand und zieht das Fahrzeug so in die Kurve. Eine Dauerlösung ist das natürlich nicht.
3D-Druck als Schlüsseltechnologie
Große Teile des Fahrzeugs entstanden auf insgesamt elf 3D-Druckern. Bruton verwendete eine 1,2-Millimeter-Düse, um massive Strukturbauteile mit besonders dicken Extrusionen und grobem Infill herzustellen. Die großvolumigen Teile bilden das Grundgerüst, in das Aluminium-Profilschienen vom Typ 4040 eingesetzt werden. Feinere Teile, etwa Lageraufnahmen, wurden mit einer dünneren Düse gedruckt, um eine exakte Passform zu erreichen. Dadurch müssen bei Toleranzproblemen nur die kleinen Einsatzteile nachgedruckt werden und nicht die gesamten Strukturelemente. Die Metallteile wie Aluminiumplatten ließ Bruton nach eigenen CAD-Entwürfen extern fertigen. Sämtliche CAD-Dateien und den vollständigen Quellcode hat er auf GitHub veröffentlicht.
Testfahrten mit Höhen und Tiefen
Bei den ersten Testfahrten in einer Sporthalle zeigte sich, dass das grundlegende Konzept funktioniert. Das Fahrzeug balanciert selbstständig und kann sich omnidirektional bewegen, also vorwärts, rückwärts, seitwärts und auf der Stelle drehen. Allerdings traten dabei auch Probleme auf: Die Gummirollen der Omni-Wheels lösten sich bei höheren Geschwindigkeiten, was das Fahrzeug instabil machte. Zudem verschmutzten die Kugeln mit der Zeit, was die Traktion verschlechterte. Der Radschlupf bei Beschleunigung erforderte den Einbau eines zusätzlichen Motors am Hinterrad.
Trotz aller Schwierigkeiten konnte Bruton das Fahrzeug mit Lenker, Sitzfläche und den Drehgriffen ausstatten und tatsächlich darauf fahren. Die Geschwindigkeiten sind noch moderat, und ohne Schutzausrüstung kam es auch zu dem einen oder anderen Sturz. Bruton selbst sieht das Projekt dennoch als Erfolg und arbeitet weiter an Verbesserungen bei der Lenkpräzision, der elektronischen Stabilität und der Ergonomie.
Viral auf YouTube
Das Konzept hat offensichtlich einen Nerv getroffen. Das Video zum Zwei-Kugel-Vorgänger hat auf YouTube mittlerweile über 8,5 Millionen Aufrufe gesammelt. Bruton erklärte gegenüber der BBC, dass es sein Ziel sei, Videos zu machen, auf die Menschen klicken möchten, und das ist ihm zweifellos gelungen. Ob aus dem Experiment jemals ein alltagstaugliches Fortbewegungsmittel wird, ist fraglich. Die Kugeln sind nicht mechanisch mit dem Antrieb verbunden, sondern werden nur durch die Schwerkraft in Position gehalten, was das Fahrzeug für unebenes Gelände ungeeignet macht. Doch als Demonstration dessen, was ein einzelner Ingenieur mit 3D-Druckern, bürstenlosen Motoren und viel Beharrlichkeit erreichen kann, ist „Ike“ durchaus beeindruckend.
