Suche Feedback zu meinen Plänen für einen Roboter Arm

[Cs4System]

Hallo liebes Forum,
da ich ganz neu hier bin, will ich mich kurz vorstellen:
Ich bin 19 Jahre und habe diesen Sommer mein Abi gemacht, nächstes jahr werden ich beginnen Mechatronik oder MaschBau zu studieren.
ich freu mich auf einen konstruktiven Austausch mit euch =) .

Ich würde gern eure Meinung zu meinen aktuellen Projekt hören, ehe ich so richtig beginne alles zu planen und viel Geld zu investieren.
Es handelt sich um einen Roboter Arm mit ca 0,5 Metern Länge mit zwei Armgliedern und einem Handgelenk, allerdings habe ich mir bisher nur Gedanken über die ersten drei Gelenke gemacht ( Basis, Schulter und Ellenbogen)
Die Idee war einen Roboterarm zu bauen der als kleines voll funktionstüchtiges Modell der bekannten Industrieroboter durchgeht. Dabei meine ich nicht die optik sondern vorallem die Fuktionalität!! Ich bin bereit nahezu alles selber zumachen, vom mechanischen Gerüst bis hin zur programmierung und mathematischen Berechnung des Roboters.
Wenn der grobe Plan steht werde ich alles in FreeCAD ausarbeiten und auch hier verfügbar machen, selbes gilt für den code =)

Nun zu meinen Plänen:

Als Denkzentrale soll ein arduino uno her, vorallem wergen der leichten entwicklungs Umgebung, außerdem habe ich schon erste Erfahrungen mit diesem Board gemacht.

Die Mechanische Kraft soll durch Getriebemotoren bereitgestellt werden, da Schrittmotoren bei großen Drehmomenten extrem teuer werden und eventuell Schritte verlieren können.Achja, Servos sind viel zu ungenau oder liegen über meinen Budget.

Die Winkel der einzelnen Gelenke werden durch Hall-Sensoren (AS5045: http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CEYQFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.ams.com%2Feng%2Fcontent%2Fdow nload%2F1288%2F7223&ei=_2hiVOLeNcLxaPzdgvAK&usg=AFQjCNH4DNU7DdGSVByXnAGcDYhALxTYMw&bvm=bv.79189006,d.d2s)gemessen. genauigkeit etwa 0,5°, diese chips + magneten habe ich als kostenlose sampels von AMS schon zugesendet bekommen =) ( habe sie leider noch nicht testen könnnen). Entweder sie werden direkt auf die Achse angebracht, oder über eine kleine Übersetzung betrieben, um die Genauigkeit zu erhöhen. Aber da muss man das Spiel der Überstzung beachten...mal schaun... 0,25° genauigkeit wären mein absolutes Traumergebnis =)
Fast der selbe chip wird auch beim OpenServo verwendet und scheint gut zu funktionieren

Die Motoren würde ich über H-Brücken chips wie den L6201 regeln ( oder kennt ihr einen besseren, der bei 12V 2A liefern kann?)


Nun zur mechanischen Seite des Armes:


als Gelenk in der Basis dachte ich an sowas: http://www.ebay.de/itm/Druckkugellager-Drehlager-Flanschlager-Lager-115-x-85-Drehschemel-Drehteller-/250994970559?pt=W%C3%A4lz_Kugel_Rollenlager&hash=item3a70774fbf
Hat ein 2-faches kugelager und sieh stabil aus...was sag ihr?
Angetrieben wird die Basis von einen Getriebemotor mit 0,4 N*m bei 130rpm und einer Übersetzung von 1:8 auf die achse ( winkelgeschwingigkeit ist also etwa 90°/s und 3,2 N*m)

Als Konstrucktions Material für die eigentlich Armteile wollte ich Aluminum Profile verwenden, entweder U Profile mit etwa 80mm Seitenlänge und 2mm Stärke oder quadraische Rohre mit 80x80x2mm. Welche haltet ihr für geeigneter? Sind 2mm Stärke ausreichend? Aluminium ist für mich sehr interessant, da ich es recht einfach bearbeiten kann, es stabil ist, und noch akzeptable gewichte auf die Waage bringt.
Oder gibt es noch ganz andere Vorschläge?

Alle Knickgelenke werden mit 8x22x7mm (d-innen x d-außen x breite) Kugelagern ausgestattet. Als Welle werde ich M8 Gewindestangen benutzen, da man sie sehr leicht mit Mutter an den Profilen befestigen kann.

Das Schultergelenk wird von einen DGO 3512 (12v, 2.2A Max , 3.5N*m max drehmoment ,30rpm) http://www.oppermann-electronic.de/assets/applets/Motor1.jpg.pdf angetrieben mit auch etwa 90°/s wenn ich ihn mit 1:2 auf die Achse übersetze. Die Übersetzung findet hier vermutlich mit einem Zahnriemen statt (ich komme vermutlich an recht günstige zahnriemen und kunststoff zahnriemen-zahnräder)
Zusätzlich zum motor will ich eine feder anbringen, welche die gewichtskraft des armes mehr oder weniger aufnehme kann anbringen, um die nutzlast zu erhöhen

Der Ellenbogen wird über einen Zahriemen mit dem gleichen Motor wie die Schulter angetrieben, auch hier wieder 1:2.
der Motor wird sehr nah an der Basis angebracht, um möglich wenig Drehmoment zu erzeugen.

was das Handgelenk angeht habe ich mir noch wenig gedanken gemacht. Aber ich denke erstmal den eigentlich arm zu druchdenken, ist der erste schritt, später kann ich sicher über die handgelenk nachdenken.

Die mathematische Beschreibung des Roboters wird durch DH-Matrizen gemacht, und nummerisch gelöst...ich höffe der Arduino ist dazu in der Lage =)

Der absolute Hammer wäre eine Teach-in Funktion des Armes ( also Abfahren von Positionen welche auf Knopfdruck gespeichert werden und dann später angefahren werden können)

Meine größte Sorge gilt zurzeit den Schwingungen die vermutlich entstehen werden wenn ich die Winkel anfahre und die Trägheit es Armes ihn über die gewünschte Position hinaus treibt und ich dann in die andere Richtung gegensteuere, und selbiges wieder passiert...


Was sagt ihr? Wo seht ihr Probleme? Wo kann ich vielleicht Geld sparen?

Ui..ist ganz schön lang geworden... benötigt ihr vielleicht ein paar Skizzen?



Danke für eure Hilfe, ich freu mich riesig auf eurer Feedback

lg Cs4System
P.S. entschuldigt meine miese rechtschreibung =)

[Geistesblitz]

Willkommen im Forum und schön, das du dein Vorhaben so detailliert beschreibst :)
Ich bin kurz vor Ende meines Mechatronikstudiums und überlege selber dauernd darüber nach, wie man mit Hobbymitteln einen vernünftigen sechsachsigen Knickarmroboter bauen kann und muss mittlerweile zugeben, dass das ein wirklich anspruchsvolles Projekt ist. Vor allem braucht es da wirklich viel Einarbeitung in sämtlichen Branchen (Leistungslektronik, Mechanik, Elektromotoren, Mikrocontroller, Software etc.). Ich hab mir auch schon einen Roboter mit normalen günstigen Servos gebaut, allerdings musste ich feststellen, dass die Servos einen zu sehr eingeschränkten Stellbereich haben, um eine anständige inverse Kinematik zu ermöglichen. Ich werd jetzt erstmal nur auf ein paar Punkte eingehen, die mir besonders auffallen, da ich zu dieser späten Stunde nicht mehr viel schreiben mag:
-ein Arduino Uno für alles wird wahrscheinlich nicht ausreichen. Der dürfte nichteinmal die inverse Kinematik in ausreichender Geschwindigkeit berechnet bekommen, oder zumindest gerade so. Ich bin da jedenfalls zum Schluss gekommen, dass man am besten für die Regelung jedem Motor einen eigenen Controller spendiert und die Kinematik entweder dem Steuer-PC oder einem leistungsfähigeren Controller überlässt. Interessant ist dabei eine effizeinte Kommunikation zwischen den Komponenten, was mir derzeit ein wenig Probleme macht.
-ich werd zur Ansteuerung der Motoren wahrscheinlich L6205 nehmen, die haben eigentlich ganz gute Charakteristiken.
-für die Kugellagerungen solltest du dir vielleicht etwas besseres überlegen, das mit der Gewindestange ist jedenfalls nicht wirklich ideal. Wo sollen die Kugellager eigentlich hineinkommen? Normalerweise wird dafür extra ein Lagersitz gefertigt, der dann recht enge Toleranzen erfüllen muss, damit da auch nix wackelt. Sobald irgendwo irgendwas wackeln kann, kannst du es mit der Präzision vergessen. Die Drehteller sehen jedenfalls so aus wie die Teile, die in Drehstühlen und Laufrollen verbaut sind, und die taugen einfach nix.
-Die Sensoren von AS sind eine gute Wahl, ich hab mit denen auch schon gute Erfahrungen gemacht. Ich hatte anfangs auch AS5045, allerdings bin ich jetzt zu den neueren AS5048A/B übergewechselt, da die eine höhere Auflösung haben und leichter auszulesen sind dank standardisierter Schnittstelle (SPI bzw. I2C)
-Die Regelung ist auch relativ schwierig bei solchen Robotern, da man da einfach extrem viele Abhängigkeiten hat und diese größtenteils auch nichtlinearer Natur sind (zB. ändert sich das Trägheitsmoment in Abghängigkeit aller Gelenkwinkel außer dem ersten). Bei den richtigen Industrierobotern wird da das meiste tatsächlich berücksichtigt, da läuft dann ein physikalisches Simulationsmodell in Echzeit mit und der Gelenkregelung wird dann ein entsprechender Wert für die Vorsteuerung übergeben). Die Berücksichtigung der kompletten Dynamik ist allerdings wirklich zu komplex für so ein kleines Projekt, daher werd ich mich da auch nur auf eine Regelung auf Gelenkebene beschränken
-die DH-Parameter bringen dir bei der inversen Kinematik nix, da ist es sinnvoller, die analytisch zu lösen. Ich hab ein Buch über das Thema (Industrieroboter: Methoden der Steuerung und Regelung (http://www.amazon.de/Industrieroboter-Methoden-Steuerung-Wolfgang-Weber/dp/3446410317)), wo die Vorgehensweise für die Standardkinematik durchgegangen wird. Das meiste wird entweder über Sinus- bzw. Kosinussatz gelöst oder mittels Vektoren zusammengestellt und dann aufgelöst.
-versuche am besten, Getriebemotoren mit möglichst wenig Getriebespiel zu verwenden, da sowas eigentlich kaum ausregeln lässt. Getriebespiel führt fast unweigerlich zu Schwingungen, wer schonmal in einem Fahrzeug mit lockerem Lenkrad saß weiß, was ich meine. Ich werd jedenfalls auch Zahnriemen zur Übertragung des Momentes an die Gelenke verwenden, da diese recht steif sind und vor allem nicht lose sind. Bei Zahnrädern ist es ja so, dass sie immer ein Stück weit wackeln, ohne dass man viel Kraft aufwenden muss (Spiel), während Zahnriemen sich etwa proportional zur Kraft ausdehnen (Nachgiebigkeit, wie bei einer Feder). Letzteres lässt sich in der Regelung viel besser kompensieren.
-die Motoren wählt man sich eigentlich erst zum Schluss aus, wenn man etwa abschätzden kann, wie schwer die einzelnen Teile werden und wie schnell da was beschleunigt wird. Das ist erfahrungsgemäß ein iterativer Prozess, da sich in der Planungsphase immer mal wieder Sachen ändern, die dann andere Motoren erforderlich machen.

Ansonsten: nicht entmutigen lassen, es ist möglich, ganz ansprechende Ergebnisse zu erzielen (an dieser Stelle wollte ich eigentlich ein Video von einem sehr geilen Hobby-Roboterarm zeigen, aber anscheinend wurde das Video runtergenommen). Ich würde das ganze an deiner Stelle jedenfalls studienbegleitend bearbeiten, da das ein sehr gutes Projekt ist, um das Gelernte auch anzuwenden. Und vielleicht lohnt es sich ja auch für dich, erstmal klein anzufangen und ein einfaches Modell zu bauen, nur um sich mit der Materie ein wenig anzufreunden.

[Joe23]

https://www.youtube.com/watch?v=5JOYzWSV164
https://www.youtube.com/watch?v=BZEClt2pPgI

6-Achs Roboter mit Schrittmotoren, Zahnriemen und Winkelsensoren auf den Gelenken.

So was stellst du dir wahrscheinlich vor...

Schön zu sehen die 6 einzelnen Schrittmotorsteuerungen für jede Achse. Gibts bereits fertig mit Encoder/Drehgeberanschluss.

Steuerung/Inverse Kinematik dann über einen externen PC.

Gruß

[Cs4System]

Danke für eure ausführlichen antworten =)

@ Geistesblitz:
-dann könnte ich scher mit einen arduino mega gete ergebnisse erziehlen...
oder wäre ein rasberry Pi auch eine option? Ich hätte auch noch einen alten stand pc mit dualcor 2.6ghz. Linux ist da schnell installiert..dann dürfte der all dieses zeug schaffen =)

-wieso denkst du ist der L6205 besonders geeignet für diese anwendung?
was hatet ihr von einem L293N? Der ist nämlich viel günstiger )

- die Lagersitze wollte ich aus PVC oder Hartholz herstellen ( ich besitze ein drechselbank, damit ist sowas durchaus sehr genau herstellbar)
welche alternative habe ich denn zu gewindestangen, ohne ein vermögen zu investieren?

- wie hast du denn die lagerung in der basis gemacht? Da treten ja ganz schön Kippmomente auf

- die motoren die ich nutzen wollte, hätten ein getriebespiel von 0,8mm (laut datenblatt)..was auch immer eine angabe in mm dort sagen solt.. wären nicht ° viel aussagekräftiger??

noch eine frage habe ich:
hast du die sensoren direkt auf die achse montiert oder misst du irgendeine schneller drehende achse ds motor z.b.??



@ joe23:

ja genau dieses video hatte ich auch gesehen und dient mir ein wenig als vorbild =)... auch wenn ich keine stepper nutzen möchte..wegen der Ansteurerung und den Kosten bei gleicher Leistung....

danke für eure hilfe!!
lg Cs4System

[Geistesblitz]

Die Sensoren würde ich am Ende der Achse selber montieren, der Magnet direkt auf der Achse mittels Kunststoffhalter und den Sensor dann direkt darüber, nur eben am anderen Glied befestigt. Die Auflösung ist auf jeden Fall hoch genug für eine direkte Messung und so handelt man sich auch am wenigsten Abweichungen ein.

Für die erste Achse werde ich wohl ein Axiallager und ein Radiallager verwenden und die ein wenig miteinander verspannen. Ich würde auch probieren wollen, die Basis quasi direkt auf dem ersten Zahnriemenrad aufzubauen und dieses auch für die Aufnahme eines Ringes des Axiallagers zu nehmen. Noch bin ich da aber am Planen, für die Mechanik steht noch recht wenig fest. Hab ich auch schon eine Weile nicht dran weitergemacht.

Für die Wellen würde ich mir was drehen lassen bzw. selber drehen, wenn mich jemand lässt. Bei uns an der Uni gibt es eine Diplomandenwerkstatt, wo man sowas auch machen kann. Allerdings sollte man da schon mit ner möglichst detaillierten Vorstellung hinkommen, was man machen möchte, sonst lassen die einen nur ungern an eine Maschine.

Meinst, das geht mit der Drechselbank? Hast dafür einen Kreuzschlitten fürs Werkzeug oder wir willst da genau plane und zylindrische Flächen hinbekommen? Ansonsten vielleicht mal nach Bundlagern umsehen, hab damit noch nicht gearbeitet, aber die scheinen eigentlich ganz praktisch zu sein.

Der L6205 kann halt dauerhaft 2,8A schalten, was bei Blockieren so eines Motors ja schon gerne mal zusammen kommen kann. Der L293 kann nur 1A oder so, der ist da doch ein bisschen sehr schwach auf der Brust. L298 würde sonst vielleicht noch gehen, allerdings arbeiten die nicht all zu effizient.

Ja, das mit der Spielangabe in mm find ich auch zum Kotzen, da das absolut nix aussagt. Wahrscheinlich ist das auf der Oberfläche der Abtriebsachse gemessen.

Hmm, also eine controllerbasierte Lösung macht schon deswegen Sinn, weil man die sehr gut echtzeitfähig laufen lassen kann. Beim RasPi geht das glaub ich nur bedingt (müsste man nochmal nachgucken), bei PCs nur mit entsprechendem Betriebssystem. Musst gucken, ob du ein echtzeitfähiges Linux draufbekommst, dann wäre das eigentlich ideal. Da ein Roboterarm idR. eh stationär ist, ist es eigentlich auch egal, wie groß da der Rechner ist.

edit: es muss übrigens auch nicht zwingend was mit Arduino sein, AVRs lassen sich auch so ganz gut benutzen ;)

[Cs4System]

Hallo,

So...ich melde mich mal wieder.
Ich habe jetzt etwas geplant und in FreeCAD editiert.Bisher habe ich die Lagereinheit in der Basis und Und die Aufnahme für die Lager des Schultergelenkes geplant. Hier mal ein Bild:29356. Wenn es gewünscht wird, kann ich auch die orginale .FCStd-Datei hochladen.

Das Kegelrollenlager wird alle Axialen kräfte übernehmen und beide Lager zusammen sorgen für die Aufnahme des Kippmomentes.

Was sagt ihr?

Welche Materialen würdet ihr benutzen?
Aluminium, Polyamid, Hartholz oder MDF?

Wie gesagt, ich besitze eine Drechselbank, auf der man in begrenztem Maße auch Drehen kann...Aluminium ist so das höchste der Gefühle.


Achja, der L298 ist für mich deshalb so interessant weil es ihn schon fertig mit allen Anschlussbuchsen und Kühlkörper zu kaufen gibt...für 2,50€... Ich denke der wird auch reichen...

[Geistesblitz]

Ich würd Aluminium nehmen, Polyamid ist wahrscheinlich ein bisschen zu weich, Holz und MDF mag ich als Konstruktionsmaterialien gar nicht mehr, da das gerne zerfasern kann oder bei Feuchtigkeit quillt und sich verzieht.

Wenn du das mit den Lagersitzen so hinbekommst, mag das gehen. Allerdings solltest du dir auch schonmal Gedanken dazu machen, wo der Motor für die Basisachse sitzen soll. Alternativ könntest du den Mechanismus auch umdrehen, also Zahnrad an den unteren Block und Motor auf die Basis. Das Schultergelenk würde ich auch ein wenig außerhalb der Achse anordnen, da man so einen größeren Arbeitsraum erhält, ohne die Armglieder länger machen zu müssen (das würde nämlich die Motoren wieder mehr belasten).

Wenn dir die L298 reichne kannst das gerne machen, muss aber eben auch mit den Motoren zusammenpassen.

[Cs4System]

bei Aluminium habe ich eben ein wenig Bauchschmerzen, wegen der Bearbeitung...
Ja, Holz ist eben sehr anfällig für Feuchtigkeit...also lieber was anderes. Was haltet ihr von POM oder pvc?

[Geistesblitz]

PVC ist meist auch ganz schön weich, kommt aber auch immer ein wenig auf das Material an. Hab mal für ein Gehäuse Hart-PVC bearbeitet und das ist schon noch recht weich. POM ist eigentlich ein ganz guter Werkstoff, allerdings brauchts da eben auch ein bisschen Materialdicke, wenn die Konstruktion steif werden soll.

Willst du denn alles selber fertigen oder wäre es auch eine Option, zumindest kritische Teile fertigen zu lassen?

[Cs4System]

das is mehr oder weniger eine Frgae des Preises...
falls es bezahlbar ist, wo kann man sich denn sowas fertigen lassen?

[Geistesblitz]

Da hab ich leider auch noch nicht so viele Erfahrungen. Für gelaserte Teile wollte ich eigentlich mal gerne Cutworks (http://www.cutworks.de/) testen, das scheint bei denen eigentlich ganz gut zu gehen und die Preise klingen auch vernünftig. Ansonsten haben hier im Forum auch einige Leute (CNC-)Fräs- und Drehmaschinen oder auch 3D-Drucker und könnten sowas privat machen. Falls du also was Konkretes brauchst, kannst du ja deine Anfrage im entsprechenden Unterforum stellen, da findet sich dann bestimmt jemand.

[Cs4System]

Stimmt, an 3D Drucken habe ich noch gar nicht gedacht.... und du meist, dass ist stabil genug, wenn manche kunststoffe zu weich sein könnten?

[Geistesblitz]

Kommt drauf an, für was du die Teile verwenden willst. Es kommt aber eben auch wirklich sehr viel darauf an, wie hoch deine Ansprüche sind. Willst du einfach einen einfachen Roboterarm haben, den man halt ein bisschen programmieren und mit ihm herumspielen kann oder soll es wirklich stabil und präzise werden? Was willst du so an Aufwand reinstecken?