Hannover Messe: Intelligente Räder erleichtern das Manövrieren – vom Kinderwagen bis zum Klinikbett

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Sie sorgen für Anschub, gute Kurvenlage und leichtes Manövrieren von
Lasten: Die mitdenkenden Räder des Forschungsteams von Professor Matthias
Nienhaus von der Universität des Saarlandes erahnen, wohin die Reise geht.
Auf der Hannover Messe zeigen die Antriebstechniker vom 20. bis 24. April,
wie weit sie ihre Räder gebracht haben: Die Technologie funktioniert jetzt
je nach Anwendung mit oder auch ohne Sensorgriff.

Kleine Berührungen am
Gefährt und minimal abweichende Messdaten in den Antrieben genügen, und
das System hilft intuitiv beim Beschleunigen, Bremsen und Lenken von
Transportkarre bis Kinderwagen. Die Elektromotoren in den Rädern liefern
alles Nötige – ohne weitere Sensoren.

Jede noch so kleine Bewegung, jeder winzige Impuls beim Schieben, Ziehen
oder Drücken verrät den intelligenten Rädern, was und wohin der Mensch
will. Die Räder verstehen diese Signale und legen sich entsprechend ins
Zeug. So fahren mit ihnen ausgestattete Vehikel aller Art leichter an,
gleiten sanfter um die Kurve und stoppen schneller. „Das Fahren fühlt sich
wesentlich leichter an, ein Großteil der Masse wird beschleunigt durch die
unterstützenden Elektromotoren in den Rädern“, erklärt Professor Matthias
Nienhaus. Widerspenstige Einkaufswagen oder das sperrige Krankenhausbett
lassen sich mit sanften Berührungen statt dem üblichen Hin-und-her-Gezerre
lotsen. Fahrradanhänger sind nicht mehr nur passiv im Schlepptau und auch
Rollator oder Rollstuhl unterstützen ihre Nutzerinnen und Nutzer aktiv.

An der neuen Technologie haben Nienhaus und sein Team an der Universität
des Saarlandes über Jahre geforscht, entwickelt und gefeilt. 2018 zeigten
die Antriebstechnikerinnen und -techniker auf der Hannover Messe, dass
Räder allein aus den Messdaten der Elektromotoren in ihrem Inneren
erkennen können, wann und wie sie die Fahrt unterstützen müssen – ohne,
dass zusätzliche Sensoren nötig wären. 2023 demonstrierten sie, wie die
Räder hierdurch in Kombination mit einem Sensorgriff in der Lage sind,
Lasten leicht zu bewegen: Sie beschleunigen oder bremsen, drehen langsam
oder schneller je nach Bedarf – jedes Rad für sich oder im Verbund. „Mit
der Kombination aus Sensorgriff und Rädern bewegen wir heute mehr als vier
Tonnen Gewicht“, sagt Nienhaus. Bislang war der Sensorgriff notwendig als
Schnittstelle zum Menschen, der die gewünschte Richtung vorgibt. Hier saß
bisher die Schaltzentrale des Systems, der Microcontroller.

Räder, die mitdenken: Unterstützung ohne Sensorgriff

Neu ist nun: Dieser Sensorgriff kann in vielen Fällen sogar wegfallen.
„Das macht die Technik einfacher, intuitiver und günstiger“, sagt Matthias
Nienhaus. Minimale Berührungen oder sonstige Impulse reichen aus, damit
die Antriebe in den Rädern verstehen, ob sie sanft oder kräftig Anschub
leisten sollen. Möglich wird dies, weil sich die Antriebe mit der
passenden Regelungstechnik selbst ansteuern und die Befehle geben können.
„Die Steuerung funktioniert durch ein Zusammenspiel von Methoden
Künstlicher Intelligenz, leistungsfähigen Algorithmen und der
Identifikation der richtigen Parameter aus den Daten der Elektromotoren in
den Rädern“, fasst Matthias Nienhaus zusammen.

Ohne Griff funktioniert die Technologie bislang für Vehikel bis zu 100
Kilogramm Gewicht, je nach Anwendungsart und Ladung. Auf der Hannover
Messe werden die Forscher unter anderem mit einem Fahrradanhänger zeigen,
wie leichtläufig er durch die intelligenten Räder wird. Um auch deutlich
schwerere Fälle ohne Sensorgriff zu transportieren, forscht das Team
weiter. Für sehr schwere Wagen bleiben Räder plus Sensorgriff die Lösung.

Künstliche Intelligenz im Rad: Daten statt zusätzlicher Sensoren

Die Elektromotoren im Radinneren sind zugleich Messfühler, sie übernehmen
die Funktion von Sinnesorganen. Wenn sich ein Rad bewegt, verändern sich
die Messwerte seines Elektroantriebs. Winzige Änderungen dieser Zahlen
verraten genau, was mit dem Rad passiert. „Die Elektromotoren der Räder
liefern selbst sämtliche Messdaten, die wir brauchen, um sie anzusteuern.
Kosten für den Einbau zusätzlicher Sensoren fallen also nicht an“, sagt
Matthias Nienhaus. In mehreren Forschungsprojekten ging seine
Arbeitsgruppe der Frage nach, wie sie aus den Antrieben so viele
Informationen wie möglich herausbekommen anhand der Messdaten, die in den
Rädern sowieso anfallen, wenn sie sich drehen: so zum Beispiel, wie das
elektromagnetische Feld an bestimmten Stellen im Motor verteilt ist und
wie sich dies beim Rollen ändert.

Die Forscherinnen und Forscher sammelten zahllose solcher Messwerte aus
den Antrieben und ordneten sie bestimmten Motorzuständen und Radstellungen
zu. Aus der Datenmasse identifizierten sie Signalmuster, die sie typischen
Abläufen zuordneten. Nienhaus und sein Team meldeten auch ein Verfahren
zum Patent an, mit dem Störeffekte herausgerechnet und so die Daten
aussagekräftiger werden. An den Messdaten lässt sich genau erkennen, mit
welcher Kraft ein Antrieb läuft, wie sich die Position der Räder ändert
oder ob diese auf einer Seite mehr belastet werden als auf der anderen.

Winzige Impulse reichen: So rollen die Räder, wohin der Mensch will

Mit mathematischen Modellen und intelligenten Algorithmen lassen sich die
Antriebe wiederum ansteuern, um passend zu reagieren. Auch lässt sich
überwachen, ob sie einwandfrei funktionieren. Die Motoren in den Rädern
liefern hierzu die Daten, ein Microcontroller verarbeitet die Signale. Die
Räder sind feinfühlig, sie „spüren“ permanent ihre Stellung, ihre
Geschwindigkeit und ihre Last: Kleinste Bewegungen des Fuhrwerks, an dem
sie montiert sind, ausgelöst etwa durch eine Berührung der Hand, und der
Antrieb zieht Rückschlüsse, was gewollt ist: Die Elektronik liest die
Motorsignale aus, vergleicht sie, und steuert den passenden Anschub bei –
alle Informationen laufen sämtlich über die normalen, ohnehin vorhandenen
Kabel.

Auf der Hannover Messe suchen die Forscher Partner aus Industrie und
Wissenschaft, mit der sie ihre Technologie weiterentwickeln und in
praktische Anwendungen überführen können:
Halle 11, Stand D41

Die Forschung wurde gefördert vom Bundesforschungsministerium sowie vom
Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) im Rahmen mehrerer
Kooperationsprojekte.

Die Ergebnisse der anwendungsorientierten Forschung will Professor
Matthias Nienhaus in die Industriepraxis bringen. Hierzu hat er aus seinem
Lehrstuhl heraus die Firma WELLGO-Systems GmbH gegründet.