Hexapoden

Zittrige Hände werden simuliert

Hexapoden testen Bildstabilisierung. Parallelkinematische Hexapoden simulieren Kamerabewegungen mit dem Ziel, Algorithmen und Mechanik von Bildstabilisatoren zu prüfen und zu verbessern.

Aufbau mit dem System Steve 6D (Stabilization Evaluation Equipment) für den Test der Bildstabilisierung in einer Kamera: Hier kommt der H-840 zum Einsatz. (Bild: Image Engineering)

Wer sich mit Fotografie beschäftigt, kennt die Faustregel für den Zusammenhang zwischen Brennweite und Belichtungszeit: Die Freihandgrenze bei Aufnahmen im Kleinbildformat liegt beim Kehrwert der Brennweite des verwendeten Objektivs; bei ruhiger Hand sind also bei einem 200-Millimeter-Objektiv noch verwacklungsfreie Aufnahmen bis zu einer Verschlusszeit von 1/200 Sekunde möglich. Der praktische Gewinn einer Bildstabilisierung liegt nach Herstellerangaben bei bis zu viereinhalb Blendenstufen, das ermöglicht eine bis zu 22-fache Belichtungszeit ohne Verwackeln gegenüber nicht stabilisierten Systemen. Bei einem Feuerwerk oder stimmungsvollen Nachtaufnahmen ohne Blitz beispielsweise spielt ein Bildstabilisator seine Stärken optimal aus, ist aber auch bei normalen Aufnahmen eine große Hilfe. Hier erfassen Sensoren die Zitterbewegungen des Fotografen oder Vibrationen eines Fahr- oder Flugzeugs, damit das Bildstabilisierungssystem sie automatisch korrigieren kann. Dazu werden optische Ausgleichselemente im Objektiv verschoben oder der Bildsensor bewegt. Die entsprechenden Algorithmen und die Mechanik müssen allerdings optimiert und geprüft werden. Bei der dafür notwendigen hochdynamischen Simulation präzise definierter Bewegungen bewähren sich parallelkinematische Hexapoden.

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Bildstabilisierung in bis zu fünf Achsen
An effektiven Testverfahren für die verwendeten Bildstabilisierungsverfahren haben sowohl Hersteller als auch Nutzer Interesse. Die Firma Image Engineering ist auf die Messung der digitalen Bildqualität und die Entwicklung entsprechender Testverfahren und kompletter Testsysteme für Kameras spezialisiert. Bildqualitätsbewertung sowie Prüfung der Bildstabilisierung stellen hohe technische Anforderungen an das Testverfahren und dessen Komponenten. Schließlich gilt es, die Unruhe der menschlichen Hand präzise zu simulieren. Die CIPA (Camera and Imaging Product Association), ein Zusammenschluss der japanischen Kamerahersteller, hat hierfür mit dem DC-011-2015 ähnlich wie ein DIN-Ausschuss einen technischen Standard für die Testbedingungen bei der Bewegungssimulation verabschiedet. Er definiert Rotationen um die Z- und Y-Achse (Pitch und Yaw) sowie die Testfrequenzen und Schwingungsamplituden, die für eine Zertifizierung gefahren werden müssen. Dieser Standard wird demnächst in einen internationalen ISO-Standard überführt. Das unterschiedliche Bewegungsverhalten bei der Verwendung von klassischen digitalen Kameras und mobilen Geräten wie Telefonen erfordert jedoch die Anpassung des Testverfahrens an die Gegebenheiten der Smartphone-Nutzer. Kamerahersteller korrigieren Bewegungen zudem nicht mehr nur in zwei Achsen, wie von der CIPA gefordert, sondern fragen immer häufiger nach einer Bildstabilisierung in bis zu fünf Achsen. Je nach Kameragewicht verändern sich die Bewegungen der Hand, und zwei Achsen zur Bewegungssimulation liefern dann nicht mehr ausreichende Testergebnisse. Noch höher sind die Anforderungen bei Smartphones, denn sie liegen als Kamera nicht so gut in der Hand und werden beim Fotografieren oft am langen Arm oder mit spitzen Fingern gehalten.

Hexapoden sind parallelkinematisch aufgebaut; sechs Antriebe wirken gemeinsam auf eine einzige Plattform. (Bild: PI)

Parallelkinematik für mehrachsige Tests
Bei mehrachsigen Testsystemen stoßen bisher übliche serielle, also gestapelten Systeme, allerdings an ihre Grenzen, denn Führungsfehler addieren sich. Parallelkinematische Systeme bieten hier bessere Voraussetzungen. Ihre Vorteile sind vor allem die deutlich höhere Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit sowie die geringere bewegte Masse und damit eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche Dynamik. Auch benötigen sie kein aufwendiges Kabelmanagement und bauen deutlich kompakter. Hexapoden von Physik Instrumente eignen sich für die Bewegungssimulation; sie lassen sich entsprechend der CIPA-Vorgaben ansteuern, und die Tester können ihre Messverfahren problemlos anwenden. Das Zittern der menschlichen Hand liegt etwa im Bereich bis zwölf Hertz. Die Tests müssen also Frequenzen von null bis zwölf Hertz abdecken; das Gros der geforderten Frequenzen spielt sich im Bereich zwischen vier und acht Hertz ab. Zwei unterschiedliche Hexapoden, je nach Gewicht der Prüflinge und der geforderten Stellwege, kommen im Test zum Einsatz: Der Mini-Hexapod H-811 wird in Testsystemen für Smartphones verwendet, bei schwereren Kameras oder größeren Stellwegen kommt der universelle H-840 zum Einsatz. Beide sind auf die Belange der Prüfung von Bildstabilisierungssystemen ausgelegt und von der CIPA bereits zertifiziert. Der Minihexapod kann Schwingungen, zum Beispiel rotatorische Bewegungen, mit einer Dynamik von 20 Hertz über 0,1Grad Auslenkung simulieren. Dabei führt das parallelkinematische Positioniersystem wiederholbar eine definierte Prüftrajektorie aus. Es bietet Stellwege bis 34 Millimeter in der XY-Ebene und bis zu 13 Millimeter in Z-Richtung. Die Kippwinkel betragen 20 Grad um die X- und Y-Achse und bis zu 42 Grad um die Senkrechte. Der H-840 trägt höhere Lasten, bietet Stellwege bis 100 Millimeter und Rotationswinkelwinkel bis 60 Grad.

Die Ansteuerung übernimmt bei beiden Hexapoden der Digitalcontroller C-887, der dank einer bedienerfreundlichen Software eine einfache Kommandierung ermöglicht. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben, alle Transformationen auf die sechs Einzelantriebe finden im Controller statt. pb

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