Diplomarbeit Roboterarm HTL

[ulk21]

Hallo Leute,

Nun ist es soweit, ich und meine 2 Kollegen stehen ein Jahr vor unserer Diplomprüfung in der höheren technischen Lehranstalt in Ottakring (Österreich/Wien). Thema und Aufgaben im Diplomprojekt dürfen frei gewählt werden und die Professoren werden uns dementsprechend unterstützen.

Unsere Aufgabe ist es einen Roboterarm mit 5 Freiheitsgrade zu bauen. Wir wollen den mechanischen Aufbau sowie die Steuerung selbst konzipieren und bauen. Da wir alle berufstätig sind und die Schule als Abendschulvariante besuchen sollten und alle drei im Fach Elektrotechnik/Mess-Regeltechnik arbeiten sollten die technischen Hürden von uns zu lösen sein

Als Steuerung haben wir ein Arduino Board Mega2560 festgelegt und auch schon gekauft. Damit haben wir auch schon klein wenig gespielt und herum experimentiert.

Die größten Sorgen bereiteten uns jedoch die Motoren. Nach langen überlegen und testen sind wir zu dem Entschluss gekommen das wir das Projekt mit Servomotoren realisieren wollen. Ich hatte persönlich ein paar Schrittmotoren+Endstufe herumliegen mit denen wir auch schon ein paar Trockenübungen gestartet haben. Jedoch ist uns das Drehmoment der Schrittmotoren viel zu wenig. Es muss etwas stärkeres her :)


Nach langen Suchen und krüppeln konnte ich jedoch keinen Servomotor finden der unseren "relativ großen" Anforderungen entspricht.
Kurz zur Anforderung:
Robotarm mit 5 oder 6 Freiheitsgraden (ähnlich wie der hier http://r.ebay.com/7Rckgo)
Länge bis zum ersten Gelenk 35cm
Länge bis zum zweiten Gelenk 30 cm
Gesamtlänge bis zur Greifzange: 65cm
Gewicht das gehoben werden soll: 1kg (Bierflasche :p )
max. Drehmoment am ersten Gelenk: 10N/m (schafft keiner der Motoren)

Da ich sicher nicht der einzige mit diesem Problem bin dachte ich, ich konnte hier nach Rat fragen.

Würde mich sehr freuen wenn wir hier etwas diskutieren und austauschen können welche technische Varianten zum lösen des Problems möglich wären.

Mit freundlichen Grüßen
Ulk

[hbquax]

Ihr wisst aber schon, dass die Motoren an handelüblichen Indsutrierobotern alle ein Getriebe mit starker Untersetzung haben?
Was habt ihr denn bisher für Motoren betrachtet?

[robosapiens]

Was hälst du davon wenn du den Roboterarm, wovon du ein Link mit gepostet hast, kaufst und statt den Standard servos stärkere Servos von Multiplex oder Hitec verbaust?
Ich persönlich finde beide Marken sehr gut. Ausserdem stellen beide Firmen servos her, die über 20 KG stellkraft bereitstellen.

Wenn du noch mehr Stellkraft benötigst, bekommst du über ebay servos aus china die knapp 60KG Stellkraft bereitstellen und ca. 40EUR kosten. Selber ausprobiert habe ich diese noch nicht, werde es aber beim nächsten Projekt tun.

[Günter49]

10Nm !!! Das ist üppig. Für Nennspannungen von 6V/7,4V, wie bei "Standardservos" üblich, wirst Du da kaum was finden.
Schau mal auf der nodna-Seite http://nodna.de/Servos . Da findest Du einige Servos in dem gewünschten Drehmomentbereich. Allerdings auch nicht ganz billig.
z.B. Dynamixel MX-106R 10Nm @ 14.8V, 6.3A, 437€
Der Preis resultiert aber nicht nur aus dem vergleichsweise hohen Drehmoment, sondern auch aus der Positioniergenauigkeit. Die ist nicht nur vorteilhaft bei der eigentlichen Steuerung des Roboterarms. Auch die Synchronization von zwei Servos, die man für ein höheres Drehmoment koppelt, wird erleichtert.
Eine weitere Möglichkeit wären Getriebe: z.B. von ServoCity http://www.servocity.com/html/robotzone_servos.html.
Der Roboterarm könnte dann etwa so aussehen: http://www.robotshop.com/eu/en/robotshop-m100rak-v2-modular-robotic-arm-kit-no-electronics.html

Gruß, Günter

[HannoHupmann]

Kleiner Tipp noch: Alle Industrieroboter arbeiten mit Ausgleichsgewichten bzw. Federn. Nehmen wir z.B. KUKA Roboter, so kann man auf den Bildern sehen, dass an der Basis ein schwarzer Zylinder verbaut ist ( http://img.blumenbecker.cz/cz/photos/KR150_2_Serie2000.jpg ). In diesem befinden sich mehrere Federn. Diese kompensieren das Eigengewicht des Arms vollständig, so dass am Ende nur noch die Nutzlast auf den Motor wirkt. Alternativ kann man mit Gegengewichten arbeiten, weniger elegant, aber einfacher zu realisiseren. Vielleicht könnt ihr so euer Drehmomentproblem reduzieren.

[ulk21]

Hallo Leute,

Danke für die schnellen Antworten. Die Idee mit dem Getriebe ist uns auch schon eingefallen.

Jedoch hab ich hiermit noch ein Gedankenproblem wie das aussieht wenn ich den Motor mit einem bestimmten Winkel ansteuere. Das große Zahnrad dreht sich ja dann um das Verhältnis der Übersetzung weniger. Ich mein das lässt sich sicher softwaretechnisch lösen aber haben diese Servomotoren nicht oft einen Bereich von 0-180° in dem sie arbeiten? Da bin ich bei so einer großen Übersetzung über den endgültigen Winkel nicht wirklich glücklich.

Wir werden uns nun mal diese Servos mit Getriebe genauer ansehen und dann entscheiden was wir nun kaufen werden. (http://www.servocity.com/html/robotzone_servos.html.) Danke an Günther49 für den Tipp.


@ robosapiens: sind diese kg-Angaben der Motoren nicht immer kg/cm ? Da wär ich doch bei 40kg bei nur etwa 4Nm.

[Geistesblitz]

Ja, hier wird wieder alles mögliche durcheinandergeschmissen. Die richtige Einheit ist natürlich Nm, kg/m ist eine auf Länge bezogene Masse, also hier völlig unsinnig. Keine Ahnung, warum diese Einheit so häufig verwendet wird, wahrscheinlich wird damit kp*m gemeint, was sich dann eben mittels 1 Nm = 9,81 kp*m umrechnen lässt.

Meinst du jetzt wirklich Servomotor oder Servo? Ersteres sind nämlich industrielle Stellmotoren wie auch in Industrierobotern und Werkzeugmaschinen, Zweiteres sind die kleinen Modellbau-Stellmotoren.

Für hohes Drehmoment muss man sich dann eben an die Energieerhaltung halten. Demnach müsstet ihr eben ein Getriebe einbauen, wodurch der Abtrieb dann stärker aber eben auch langsamer wird. Die Servos lassen sich modifizieren, indem man das Potentiometer zur Winkelmessung rausnimmt und an die Anschlüsse ein passendes Potentiometer anlötet, das dann auf der neuen Abtriebswelle sitzt.

Du sagst, ihr habt mit Mess- und Regelungstechnik zu tun? Dann würde es sich ja anbieten, Getriebemotoren und Winkelsensoren zu verwenden und für diese eine Regelelektronik zu entwerfen. Kann aber auch sein, dass das dann den Rahmen sprengt.

Der Gewichtsausgleich ist nicht zu unterschätzen, damit könnt ihr die Motoren stark entlasten. Meist hat man in Industrierobotern besagte Feder am ersten Glied und am zweiten Glied dann die Motoren gegenüber vom Glied selbst, damit der Schwerpunkt des zweiten Gliedes etwa in der Drehachse liegt.