Vorgestellt: Breites Spektrum Mechatronik

Johannes Gerstmayr ist seit November 2014 Professor am Institut für Mechatronik. Er ist zugleich der erste Professor in Innsbruck, der auch selbst das Studium der Mechatronik absolviert hat. Er arbeitet sowohl in der Simulation als auch an angewandten Themen: Etwa am haptischen Feedback bei Touchscreens und an der Schwingungsreduktion von Maschinen und Fahrzeugen.
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Bild: Johannes Gerstmayr ist seit November 2014 an der Universität Innsbruck.

Mechatronik verbindet klassische mechanische Elemente – etwa aus dem Maschinenbau – mit Elektronik. Seit fünf Jahren bieten die Universität Innsbruck und die UMIT in Hall ein gemeinsames Mechatronik-Studium an und in beiden Städten wird auch die Forschungs-Infrastruktur im Bereich kontinuierlich ausgebaut. Allein an der Universität Innsbruck werden insgesamt sechs Professuren in dem Bereich eingerichtet. Einer der Mechatronik-Professoren ist Johannes Gerstmayr – er ist seit November 2014 in Innsbruck und verbindet Grundlagenforschung mit angewandter Forschung im Bereich der Mechatronik. „Die Mechatronik ist im Vergleich zum Maschinenbau noch ein relativ junges Feld – in Innsbruck stecken wir mitten im Aufbau der Forschungsbereiche. Da so früh dabei sein zu können, ist eine sehr spannende Herausforderung“, betont der gebürtige Niederösterreicher.

Schwerpunkt Mehrkörpersysteme

Ein Schwerpunkt von Johannes Gerstmayrs Forschung liegt im Bereich der Mehrkörpersysteme. „Als Mehrkörpersystem bezeichnen wir die mechanische Grundstruktur vieler Maschinen oder Geräte, zum Beispiel Roboter, Werkzeugmaschinen oder Fahrzeuge. Wie der Name schon sagt: Diese Systeme bestehen aus mehreren Einzelkörpern, die aufeinander abgestimmt eine Funktion erfüllen“, erklärt der Mechatroniker. Viele moderne Mehrkörpersysteme sind dabei idealtypische mechatronische Systeme: Sie bestehen aus mechanischen und elektrischen Bestandteilen und viel Software. „Oft geht es hier auch darum, Funktionsprobleme zu lösen und herauszufinden, worin sie genau bestehen: Mehrkörpersysteme verhalten sich nämlich selten linear. Bei einer Bewegung von einem Meter in der Sekunde läuft zum Beispiel alles wie beabsichtigt, bei einer schnelleren Bewegung aber nicht mehr, weil sich das System schlagartig anders verhält.“ Um diesen Punkt zu überwinden und zu verstehen, warum etwas nicht klappt, arbeiten Johannes Gerstmayr und sein Team mit Computersimulationen, die auf zuvor gemessenen Daten der Systeme basieren. „Erst ein möglichst realistisches Modell ist am Ende auch in der Simulation nützlich – denn nur dann können wir Fehlerquellen aufdecken“, sagt der Mechatroniker. Für seine Arbeit mit Mehrkörpersystemen wurde Gerstmayr vor kurzem ins Editorial Advisory Board der Zeitschrift „Multibody System Dynamics“ aufgenommen und ist Mit-Herausgeber von Sonder- und Konferenzbänden. Viele seiner wissenschaftlichen Publikationen sind im Rahmen des von ihm entwickelten Simulationsprogrammes „HOTINT“ mit einer Open-Source-Lizenz außerdem frei zugänglich und können in der Lehre als auch in der angewandten Forschung verwendet werden. „Diese Software, die ich vor über 10 Jahren entworfen habe, hat den großen Vorteil, dass ich sie auch selbst anpassen kann – so sind Simulationen auch sehr komplexer und parametrierter Modelle möglich.“ Die Software „HOTINT“ wird derzeit vom Linz Center of Mechatronics in Kooperation mit der Universität Innsbruck weiterentwickelt.

Was Forscher (nicht nur) im Bereich der Mehrkörpersysteme beschäftigt, ist die mathematische Darstellung von Eigenschaften einzelner Bauteile – etwa ihrer Deformationseigenschaften unter verschiedenen Voraussetzungen. „Die Beschreibung des Deformationsverhaltens von Bauteilen ist schwierig, insbesondere, wenn etwa Rotationen dazukommen. Die Formeln zur Berechnung derartiger Systeme werden dadurch sehr komplex und entsprechend aufwändig in der Simulation“, sagt der Mechatroniker. Johannes Gerstmayr hat nun einen wichtigen Beitrag geleistet, die Berechnung von flexiblen Mehrkörpersystemen zu vereinfachen: „Anstelle einer nichtlinearen Beschreibung der einzelnen Bewegungen haben wir einfache lineare Ansätze für das Gesamtsystem entworfen, welche zahlenmäßig zwar etwas größer, aber in der Berechnung wesentlich einfacher und schneller sind.“ Einfachere Berechnungen bedeuten nicht nur einen Zeitgewinn, durch die vergleichsweise einfachen Formeln können insbesondere auch Berechnungsfehler vermieden werden.

Angewandte Mechatronik

Neben der Forschung an mathematischen Grundlagen für sein Fach beschäftigt sich Johannes Gerstmayr auch mit anwendungsorientierten Fragen: „Die Schwingungs- und Lärmreduktion stößt mit konventionellen Dämpfungsmaßnahmen immer öfters auf ihre Grenzen, dadurch werden mechatronische Lösungen notwendig“, erklärt er. Früher konnte man nur durch Erhöhung des Gewichts eine passive Schwingungsreduktion erzielen, die auch nur für einen Fall optimiert wurde und nachträglich nicht mehr änderbar war. Zunächst ist eine mechatronische Lösung sehr teuer, etwa eine aktive Radaufhängung bei Fahrzeugen. „Die mechatronische Lösung liefert aber oft einen Mehrwert, da die aktive Radaufhängung auch so gestaltet werden kann, dass der Verbrauch entsprechend verringert wird, wodurch sich die teure Lösung langfristig rechnet“, sagt der Mechatroniker.

Ein weiteres aktuelles Forschungsfeld von Johannes Gerstmayr beschäftigt sich mit haptischem Feedback bei Touchscreens. „Im öffentlichen Raum findet man sehr viele Touchscreens an diversen Selbstbedienungsautomaten. Hier arbeiten wir an einer Methode, die fühlbares Feedback liefert, sodass das Gefühl eines echten Tastendrucks entsteht.“ Für ein entsprechendes Patent erhielt Gerstmayr 2013 den oberösterreichischen Innovationspreis.

Zur Person

Johannes Gerstmayr ist 1974 in Steyr geboren und im niederösterreichischen Mostviertel aufgewachsen. 1997 schloss er das Studium der Mechatronik in Linz ab, ab 1998 arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im FWF-Spezialforschungsbereich SFB013 – „Numerical and Symbolic Scientific Computing“. Nach seiner Dissertation 2001 im Bereich elasto-plastischer Mehrkörpersysteme forschte er als PostDoc im FWF-Projekt „3D Dynamics of Elasto-Plastic Robots“. Im Jahr 2004 erhielt er ein APART-Habilitationsstipendium von der Akademie der Wissenschaften, mit dem er längere Forschungsaufenthalte in USA, Portugal und Deutschland finanzieren konnte. Für die Forschungsleistungen im Bereich Mehrkörpersysteme wurde ihm 2005 der Macke-Preis verliehen. Nach einem kurzen Gastaufenthalt an der Lappeenranta University in Finnland begann er 2007 seine Tätigkeit am Linz Center of Mechatronics (LCM), wo er ab 2009 die Leitung der Abteilung „Dynamik und Regelung“ bis zu seiner Berufung an die Universität Innsbruck im vergangenen Jahr innehatte. Gerstmayrs Professur ist eine Stiftungsprofessur des Landes Tirol. „An Innsbruck finde ich besonders interessant, dass hier Mechatronik im engen Sinn unterrichtet wird: Nicht nur Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik in getrennten Lehrveranstaltungen, sondern auch Mechatronik als eigenes Fach. Ich möchte meine Studierenden zum Nachdenken bringen. Eine klassische Frage ist etwa, wie sie rein mechanische Objekte, z.B. einen einfachen Hammer ‚mechatronisieren’ würden.“