Hexapod-Bein mit Schrittmotor - Überlegungen

[MeckPommER]

Hallo alle miteinander,

ich stecke grade tief in Überlegungen bezüglich Hexapodbeinen und würde gerne die eine oder andere Meinung hören.

Derzeit verwende ich Servos für meine Hexapodbeine. Es sind billige, die leider auch nicht grade lange halten -> MG995. Von diesen sind mir grade mal wieder 2 Stück in die ewigen Jagdgründe entfleucht. Anstatt mir nun dauernd neue zu kaufen oder viel Geld in bessere zu investieren, die vielleicht auch nicht sehr lange halten, kam bei mir der Gedanke auf, Beine mit Schrittmotoren zu realisieren.

(Das dies nicht grade einfach ist, ist mir schon klar, aber da mein Projekt Marvin eh auf viele Jahre angelegt ist, kommt es mir auf die Dauerhaftigkeit einer Lösung an. 2-3 Schrittmotorsteuerungen * 6 Beine ... dazu die ganze Mechanik ... das wird gewichtsmäßig nicht wenig und zeitmäßig schon etwas dauern)

Schrittmotore müßten doch, da sie weniger Verschleißteile enthalten (Bürsten) wesentlich länger halten als Servomotore, oder?
Natürlich gibts auch schon Brushless-Servos, aber wer kann die schon bezahlen, wenn einer über 120 Euro kostet *hüstel*

Ich habe mir - um mich nun ersteinmal mit den Schrittmotoren zu befassen - einen billigen von pollin geordert (BestNr. 310 335) um mich mit der Materie vertraut zu machen. Hat zufällig jemand ne Ahnung, wieviele Steps pro Sekunde dieser Schrittmotor machen kann?

Was die Elektronik und die Ansteuerung angeht, sehe ich eigentlich keine unlösbaren Aufgaben auf mich zukommen. Ein kleiner µC und ein Treiber sollten pro Beinmodul ausreichen.

Diese schwachen Stepper brauchen sicherlich eine ordentliche Übersetzung, vielleicht 100:1, aber auf Geschwindigkeit kommt es mir auch nicht wirklich an. Stabilität, Langlebigkeit und Kraft sind für mich ausschlaggebend.

Was ein Getriebe angeht, so kann man da ja auch ordentlich Geld loswerden *schluck*. Die ersten Stufen könnten wohl ruhig aus Kunststoff sein, die letzten Stufen der Übersetzung vor dem Bein müßten aber wohl aus Metall sein, wobei ich bisher leider noch nichts günstigeres an Zahnrädern gefunden habe, als Conrad anbietet.

Über Tipps und Kommentare freut sich

MeckPommER

[GeoBot]

Ich verfolge die einzelnen Hexabot-Projekte jetzt schon eine ganze Weile.
Was mir dabei auffällt ist das die meisten Bots die Servoachse als Dreh-
achse des Beins mitbenutzen.
Ist das der Grund weshalb deine Servos ihren Geist aufgeben oder
brennen die irgenwie durch?
Wenn es eine Überanspruchung der Mechanik ist, würde ich der Dreh-
achse des Beins mit Wälzlagern und einer Silberstahlwelle aufbauen und
des Drehmoment mit zwei Zahnrädern übertragen. Eins auf der Welle und eins auf dem Servohorn.
Dann liese sich auch der eigentliche Antrieb varieren. Je nach dem was
Grade günstig zu bekommen ist.

[MeckPommER]

Es ist nicht die Mechanik, die bei den Servos schlapp macht, es ist die Elektronik. Die Leistungsstufen der Billigteile halten nicht viel aus. Ein paar Mal an den Endanschlag - schwupps, das wars. Ich habe den Drehbereich zwar softwaremäßig begrenzt, aber manchmal beim Experimentieren geschieht es halt doch :-/ Eines hats mir auch einfach so geschrottet.

Was mich außerdem stört ist das Zappeln der Servos, man will ja keinen Hexapod haben, der die Pinoccio auf Drogen durch die gegend eiert.

Mir ist schon klar, das der Bot durch die Stepper und die Mechanik um einiges größer und schwerer wird ... Nebeneffekt ist dann aber auch, das ich mehr Platz für Elektronik habe ^^

Deine Idee ist nicht schlecht, aber ich würde schon gerne auf lange Sicht weg von Bürstenmotoren.

[alter Mann]

Hallo,

als Überlegung würde ich einmal auf die Achse eines Steppers eine Gewindestange pflanzen und den Antrieb über eine darauf laufende Mutter realisieren, so hast Du auch gleich eine untersetzung und kannst Dir das Getriebe (möglicherweise) sparen.
Was die maximale Schrittfrequenz angeht sind die verschiedenen Schrittmotoren unterschiedlich, aber ich habe die Erfahrung gemacht, das sie um so kleiner ist, je größer die bewegte Masse im Motor selbst ist.
Der "Nachteil" an Schrittmotoren ist die Ansteuerung und die genaue Positionierung. Es reicht meistens nicht aus, einfach einen Referenzschalter anzufahren. Wenn man ein relativ genaue Positionierung benötigt, muss man zusätzlich zu einem halbwegs präzisen Referenzschalter auch noch darauf achten, das der Motor sich in einer bestimmten Schrittstellung befindet. (Der LM297 hat einen Ausgang der aktiv wird, wenn die sogenannte Homeposition erreicht ist.)
Zusätzlich kommt noch dazu, das der Motor wenn man ihn zu stark belastet und/oder zu schnell ansteuert, Schritte verlieren kann, was eine zusätzliche Positionserfassung mit Incrementalgebern oder Potentiometern nötig machen kann. (ich selbst stehe momentan vor genau diesem Problem, weiss aber noch nicht so genau, wie ich das lösen soll.)

Trotz dieser "Nachteilen" denke ich, das bei passender Auslegung ab einer bestimmten Größe die Vor- und Nachteile der beiden Antriebsmöglichkeiten (Servo / Schrittmotor) sich die Waage halten.

Noch eine Möglichkeit wäre ein normaler Getriebemotor (mit Bürsten oder Brushlessmotor) mit einem Incrementalgeber mit Referenzmarken und einer Leistungsfähigen Ansteuerung. Je nach dem, an welcher Stelle im Kraftfluss man den Incrementalgeber anbringt, hat man eine präzisere (näher am Motor, dadurch mehr Umdrehungen des Istwertgebers) oder robustere (näher am Abtrieb, dadurch weniger aber breitere positionsmarken) Positionierung.
Vorteil hierbei ist, das ein Bürstenmotor mit angeflanschtem Getriebe bei gleicher Baugrösse einiges mehr an Kraft hat als ein Schrittmotor.
Ausserdem kann man mit dem selben Aufwand an Leistungshalbleitern doppelt so viele Motoren ansteuern.

Florian

[Willa]

Hallo Meckpommer!Schrittmotore sollten in der Theorie ja ewig halten. Fliesst zu viel Strom so verlieren die einfach Schritte anstatt durchzubrennen. Und bis die Lager der Stepper ausgeschlagen sind geht so einiges an Zeit vorüber. Aber die Dinger sing echt sauschwer.... Und dann noch ein Getriebe und ein Drehwinkelaufnehmer... da kommt so einiges zusammen. Ich würde an deiner Stelle nochmal über bessere Servos nachdenken. Ich weiß, während des bestimmungsgemäßen Modellbaubetriebs sind die Belastungen der Servos deutlich geringer als in nem Hexapod. Aber mir ist in ca. 15 Jahren Modellfliegerei noch kein Servo kaputtgegangen (außer bei Direkteinschlag in gefrorenen Boden, da geht das Getriebe kaputt). Wie lange halten bei dir Servos? Wie teuer sind deine Servos? Towerpro ist der Hersteller, oder? Nicht grad ein Hersteller der für Qualität bekannt ist - eher für sehr günstige Preise. Billig servos sind dafür bekannt extrem hohe Ströme bei Blockierung zu ziehen. Bessere Servos verhalten sich da sehr viel netter. Wie wärs wenn du mal testweise ein oder zwei Hitec HS-985MG verbaust? Ich habe die Vorgängermodelle in meinem großen Hubi (da sind die Kräfte an der Taumelscheibe schon ziemlich ordentlich). Und ich vertraue diesen Servos, da hängt extrem viel Geld dran.... Trotzdem sind die noch relativ günstig. Ich denke mal bei dir gibt es auch unterschiedlich große Anforderungen an die Servos, je nachdem wo im Bein die sich befinden, oder? Vielleicht reicht es nur die stärker beanspruchten durch gute servos zu ersetzen. Ich denke dass du bei Schrittmotoren + Getriebe + Winkelmesser eher eine höhrere Ausfallquote im Gesamtsystem hast als bei einigermaßen guten Servos......
(... sprach er und schlug mit seinem Tricopter wegen Servoausfall ein... Ne, Scherz :-D)

[GeoBot]

Deine Idee ist nicht schlecht, aber ich würde schon gerne auf
lange Sicht weg von Bürstenmotoren.

Ich wollte dich nicht auf irgend einen Antrieb "festnageln" oder von
einem abhalten.
Mir ging es nur darum, dass das Drehgelenk des Beins, von der
Drehmomenterzeugung durch eine saubere Schnittstelle getrennt
werden sollte.
Die Aufgabe des Drehgelenk ist alle Kräfte, bis auf das radiale
Drehmoment, aufzunehmen. Dieses gibt es über das Zahnrad weiter.
Der Servo, Schritt-, BL-, Megatourqe,- Motor ist dann, im Rahmen
des vorgesehenen Einbauraumes, beliebig austauschbar.

Mir ist klar das immer Machbarkeit, Kosten und Nutzen abzuwägen sind.

Ich überlege im Moment ob es mir möglich ist, zum Ende des nächsten
Jahres ein einzelnes Prototypengelenk auf Basis eines Proportional-
rehmagneten zu erstellen.
Vorteil : Direktantreib ohne Getriebe, linearer Drehwinkel
Drehmomentverlauf
Nachteil : max. +-55° Arbeitswinkel und es schlürft recht heftig Saft.


Ein paar Mal an den Endanschlag - schwupps, das wars.

Lässt sich in der Endlage nicht ein Unterbrecher einbauen der den Motor
dann elektromechanisch vom Netz nimmt? Ein einfacher Feder-Öffner-
Kontakt sollte doch reichen? Wäre auch bei jeder anderen Antriebsweise
von nutzen.
Ich weis nicht wie ein Schrittmotor reagiert, wenn die Welle feststeht und
trotzdem eine längere Zeit weiter gesteppt wird.

[Klingon77]

hi MeckPommER,

auch ich gehöre, wie Du sicherlich schon gemerkt hast zu Deiner Fan - Gemeinde \:D/

Wie wäre es mit Schneckentrieb?

Der größte Vorteil liegt in der hohen Kraft, welche übertragen / enwickelt werden kann und der Selbsthemmung bei stromlosen Motor.
Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise und die wenig benötigten Bauteile.
Als Motoren können normale Bürsten- oder bürstenlose Motoren eingesetzt werden.

Eine weitere Variante wäre mein kleines Getriebe; Du kennst es ja.
Leider fehlt es mir zur Zeit an finanziellen Mitteln und auch ein wenig an der Zeit um weiter zu bauen.
Mein kleines Projekt wird Deines bezüglich der Laufzeit locker toppen :cry: :mrgreen:


Was die Zahnräder betrifft:

http://www.modellbauershop.de

Die Qualität scheint mir recht gut zu sein.
Die gedrehten Messingschrauben, welche ich von dort beziehe sind "allererste Sahne".

Kleine Kugellager:
http://stores.ebay.de/Tusneldas-Kugellager-Shop_Miniatur-Kugellager-bis-10-mm_W0QQcolZ4QQdirZ1QQfsubZ11QQftidZ2QQtZkm

Mit denen habe ich schon öfter zusammengearbeitet.
Hat immer gut funktioniert.
Bei normalen Radialkugellagern immer die Variante "ZZ" oder "2Z" kaufen.
Die besitzen eine beidseitige Abdeckscheibe aus Stahl, welche vor dem gröbsten Schmutz schützt.

liebe Grüße,

Klingon77

[goara]

@ MeckPommer

Finde ich sehr gut die Idee.. bin auch schon seit einiger Zeit dabei mir gedanken über einen Hexa zu machen, (wenn ich mal meine aktuellen Projekte fertig habe) , und immer wieder dasselbe mit 3 Serovs für Bein ist mittlerwiele langweilig. was ich mir überlegt hatte ist die Untersetztung mit Keilriemen zu machen, bzw zumindest teilweise. dann kan man nämlich die Motoren weiter innen anbringen.
@ Klingon: Schnecken sind zwar praktisch weil sie selbsthemmend sind und man im stillstand keinen Strom benötigt, allerdings ist das Selbsthemmende auch wieder schlecht, so von bionischer Seite gesehen.

[HannoHupmann]

Ich kann mich Willa nur anschliessen, Servo ist nicht gleich Servo, du weist ja ich hab selber auch nen Hexa und hier einige Servos verschiedener Marken hier rumliegen. Gerade geh ich dazu über alle Servos die ich verwende durch HiTec Servos zu ersetzten, von denen ist mir bisher noch keiner kaputt gegangen, bei allen anderen Marken hatte ich schon Ausfälle.

Die Überlegungen die Antriebe und Achsen zu entkoppeln ist siche rauch nicht verkehrt. Aber es würde vermutlich sogar mehr helfen deinen Hexa wieder leichter zu machen, dann würde man gleich Massenträgheitseffekte erschlagen.

Ich glaub aber nicht, dass die Lösung mit den Schrittmotoren besser ist, aber ich kann mal die Jungs vom DLR Fragen wie die es bei diesem Roboter gelöst haben:

http://www.bayern.de/Bild/large_3694768/RoboterzentrumDLRBild04.jpg

Sehr feines Teil übrigens was die Sensoren angeht (auch wenn nicht besonders hübsch), Kraft und Moment Sensoren in jedem Bein, Rückgabe aller Strom und Spannungswerte und natürlich alle Winkel. Gerade bringen sie ihm addaptives Laufen bei, sprich er soll sich autonom an den Untergrund anpassen.

[GeoBot]

@HannoHupmann

Gibt es zu dem Bot eine Internetseite oder schon einen Artikel?

[HannoHupmann]

Leider nein, das Ding wurde zwar schon auf der Automatika dieses Jahr vorgestellt, aber ich denke im Moment gibt es nur eine Diplomarbeit dazu. Es taucht zuminderst nicht auf der Webseite auf und ich wüsste auch nicht davon, wenn ich nicht 2 Monate neben dem Entwickler gesessen hätte.

[Willa]

hier gibts (nach längerer suche...) ein video davon:

http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-4544/7452_read-12794/gallery-1/gallery_read-Image.1.5938/

[GeoBot]

Danke für den Link!
Die Mechanik basiert also auf der der Hand II.
Und die findet sich hier:
http://www.dlr.de/rm-neu/desktopdefault.aspx/tabid-3802/

[MeckPommER]

Eine andere, mir zumindest durchdenkenswerte Idee schien mir, ein Hexa-Bein nach dieser Methode zu realisieren:

http://www.youtube.com/watch?v=Du2f-EUDqio

Aber damit würde ich ja nicht vom Servo wegkommen.

@ Klingon77

schon komisch alles, denn ich gehöre ebenso zu deiner Fangemeinde :) Ich habe mich mittlerweile durch alle möglichen Shops gewurschtelt und bin immernoch ein wenig blass, was die Preise für mechanische Bauteile wie Zahnräder o.ä. angeht. Das Schneckengetriebe erscheint mir auch in dieser Hinsicht als sehr geeignet.
Motore mehr ins Innere des Bots zu verlagern, halte ich nicht für sinnvoll, da das Gewicht der Motore so in jedem Fall getragen werden muss, wogegen ein Bein in einem stehenden "Fuß" nicht getragen werden muss.

Etwas verzögert - da ich mir erst ein Netzteil für höhere Spannungen gebaut habe - komme ich nun langsam zu ersten Experimenten mit billigen Schrittmotoren ala Pollin. Ich habe nunmal, wie eigentlich jeder Bastel-Heini, ein beschränktes Budget und 12 oder 18 Schrittmotore a 30 Euro plus Ansteuerungselektronik sind einfach nicht drin.
Ich denke mir das so: je nach Übersetzung müßte eigentlich jeder Motor funktionien, es ergibt sich nur je nach Stärke des Motors eine unterschiedliche Geschwindigkeit der Beine.

Erste Tests - zu den Testbedingungen schweige ich lieber (^^) - mit einem einfachen 293D brachten mir den Schrittmotor im Halbschritt auf 30 Umdrehungen pro Sekunde bei 12V für diesen 12V Schrittmotor. Eine kleine Testplatine mit Atmega8, 297+298 ist grade im Aufbau und wird am Wochenende getestet. Dann werde ich auch mal die aufbringbaren Käfte zu messen versuchen.
Der Atmega8 soll auf der Platine mehrere Aufgaben erfüllen. Zum einen soll er Servosignale in Signale zur Ansteuerung der Schrittmotorsteuerung wandeln und zum anderen dafür sorgen, das bei der ganzen Ansteuerung die Trägkeit des Schrittmotors berücksichtigt wird - man kann ja nicht von 0 auf 100 beschleunigen mit dem Teil.

Fazit: es ist für den Bastler immer wieder spannend, aus Sch... Schokolade zu machen, auch wenn es sich später herausstellt, das er nur die Farbe und nicht den Geschmack getroffen hat :-)

Gruß MeckPommER

[HannoHupmann]

@MeckpommER so ein Ding hab ich damals beim DLR programmiert bzw. inbetrieb genommen. Die hatten da Tolle Direktantriebsmotoren verwendet, sehr sehr feine Teile nur hat da auch einer geleich mal was um die 1000€ gekostet, wenn ich mich richtig einnere.

[goara]

@meckpommer..
Das mahct für ein Hexabein nicht sonderlich sinn :)
Parallelkinematiken sind dazu da grosse Steifigkeiten bei hoher dynamik (und riesigem bauraum im vergleich zum arbeitsraum) zu haben.
Bei einem Hexabein will man eher einen grossen arbeitsraum haben und die steifigkeit ist eher nicht so entscheident.
Wobei ich es trotzdem lustig fände sowas mal zu bauen ;)

[Klingon77]

hi MeckPommER,

mal Dank für die Blumen \:D/
Das freut mich aus Deinem Munde ganz besonders!


Wenn Du wirklich Schrittmotoren verwenden möchtest rechne Dir doch mal im Vorfeld den Stromverbrauch im Vergleich zu Servo´s aus.

Ich denke, daß beide eher schlecht abschneiden.

Deshalb plädiere ich auch für ein "selbstsicherndes" Zwischengetriebe in Form von Schneckenrad oder ähnlich dem, woran ich bastele (wenn ich mal wieder Zeit finde...)

Ich könnte mir vorstellen daß die Stromersparnis zwischen 30% und 40% liegen könnte?


Schrittmotoren haben den Vorteil einer wirklich guten Achslagerung.
Ein Ausbrechen der Achse, wie bei Servo´s wird es dort nicht geben.
Dafür ist das Eigengewicht ungleich höher als bei Servos.

Ein weiterer Vorteil von Schrittmotoren wäre der Wegfall einer Positionsüberwachung.
Ein Endschalter zur Intialisierung sollte (bei vernünftig gewählter Drehzahl) reichen.
Die Hinderniserkennung für ein Bein ist wohl schwierig zu realisieren.
Der Strom im Motor steigt nicht an und der Schrittmotor bleibt einfach stehen.
Dann hat man massiv Schrittverluste...


Bin schon mal gespannt, wie es weitergeht.


liebe Grüße,

Klingon77

[Besserwessi]

Ein Alternative zu normalen Schrittmotoren wären Brushless-motoren. Die sind im Prinzip ähnlich, aber halt für hohe Leistung und guten Wirkungsgrad bei wenig Gewicht. Allerdings ist die Drehzahl (bzw. der Winkel je Schritt) viel höher und man braucht entsprechend mehr Getriebe.

[goara]

Was mich halt an den Selbsthemmenden Hexabeinen stört ist das es in der Natur genau andersrum ist, (bin da ein wenig idealistischer Bioniker :) .
Energietechnisch ist es natürlich besser, da man keine Haltekraft braucht, aber von der Dynamik her kann man mit "elastischen" (also gefedert und nichthemmend) Lösungen (mit höherem Regelaufwand) viel schönere Ergebnisse erzielen.
Brushless mit getriebe fände ich auch einen interessanten ansatz, das waere dann eine art Brushlessservo, ist vom gewicht her auf jedenfall günstig, fragt sich nur wie klein du das getriebe dann bekommst. Was planetenartiges wäre dann wohl fein.

[Klingon77]

hi goara,

möglich, daß du da Recht hast :-k
Evtl. könnte man mit einer Anfahr- und Stop-Rampe arbeiten?


Bezüglich des Brushless Motors hatte ich da schon mal angefragt:

https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=39964

Ursprungsgedanke war auch hier ein Hexa-Getriebe.

Aufgrund der nicht leichten Ansteuerung habe ich das kleine Getriebe dann doch konventionell aufgebaut.


Ein Schrittmotor-Hexa wäre zumindest eine interessante Variante.
Der Lerneffekt wäre sicherlich recht hoch.
Es gibt (zumindest bei den größeren Schrittmotoren) auch solche mit beidseits herausgeführter Achse.
Die würden sich für solche Aufgaben geradezu aufdrängen.

liebe Grüße,

Klingon77

[Kenny5020]

Was mich außerdem stört ist das Zappeln der Servos, man will ja keinen Hexapod haben, der die Pinoccio auf Drogen durch die gegend eiert.


Meine Überlegungen wären hier, dass entweder das PWM-Signal schlecht abgeschirmt ist, und es deshalb zu dem Zittern kommt. Oder die Spannungsversorgung bricht bei der Beanspruchung so stark ein, dass die interne Regelelektronik ausfällt.

Konkret hat ja jede reale Spannungsquelle auch einen Innenwiderstand und die Ausgangspannung berechnet sich zu Ua = Uq - I * Ri
D.h. je mehr Strom der Servo zieht, desto mehr wird die Spannung einbrechen. Ich hab jetzt keinen Servo da, aber der Leiterquerschnitt für die Spannungsversorgung des Servos ist ja nun nicht sehr groß und was ich so gelesen habe, liegt der Aufnahmestrom des Servos auch mal bei 2A.
Durch Rl = ( rho * l ) / A bekommt man den Leitungswiderstand. Das x2 wegen Hin- und Rückleiter -> Riges = Ri + 2 * Rl.
Da die Regelelektronik an der selben Versorgung hängt wie der Motor, könnte es sein, dass zwar der Motor noch genügend Spannung besitzt um sich zu drehen, aber die Regelelektronik eben ausfällt, da zu wenig Spannung und somit der Motor auch ausfällt, was wiederum bedeutet, dass die Spannung eben wieder ausreicht um den Motor wieder zu starten usw. Zittern eben.

Abhilfe würde hier eben ein Stützkondensator direkt am Servo bringen oder ein größerer Leiterquerschnitt.