Hexapode aus dem 3-d Drucker

[mburrows]

Hallo liebe RoboterNETZer !

Ich bin neu hier, und auch die Robotik ist für mich noch Neuland. Deshalb habe ich mir auch gleich ein anspruchsvolles Projekt vorgenommen: Ein vollständig selbst gebauter und selbst programmierter Hexapode.
Es soll ein Langzeitbastelprojekt werden.

Folgende Eckdaten stehen bereits fest:

* 3DOF pro Bein
* Teile 3d gedruckt mit PLA
* Servos Hitec HS-645MG
* Controllerboard: SainSmart Mega 2560 R3 ATmega2560-16AU ( Ein China Import Arduino Mega 2560 für 15 Euro)

Da ich ein absoluter Elektronik Neuling bin, bis auf Abitur '99 Physik LK Kentnisse - habe ich mich für das fertige Controllerboard Ardiuno Mega 2560 entschieden. Hier sollten die Servos nahezu direkt anschließbar sein.

Mit meinen Programmier- Kenntnissen ist es deutlich besser bestellt - hab zwar länger nichts gemacht, da ich beruflich gänzlich anders unterwegs bin, aber ich habe Kenntnisse in C und sogar mal Assambler programmiert. Deshalb habe ich auch vor, alles selbst zu programmieren.

Da ich einen Ultimaker2 mein Eigen nenne, habe ich vor alle Teile selbst zu entwerfen, und in PLA zu drucken. PLA hat gute Eigenschaften bzgl. Steifigkeit und Gewicht, allerdings ist es nicht sehr thermostabil - Ich hoffe das gibt kein Problem mit den Servos, falls die mal zu heiss werden sollten.

Der Plan sieht vor, zunächst ein Bein zu konstruieren. Eine erste vollständige 3-D Modellierung habe ich mit OpenSCAD schon abgeschlossen:
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Einige erste Testausdrücke sind gemacht und die generelle Druckbarkeit wurde bestätigt.

Die beiden äußeren (distalen) Beingelenke sollen jeweils direkt per Servo bewegt werden. Gegenüber wird ein Kugellager (ebay) eingefügt.
Das "Hüftgelenk" wird von 2 Kugellagern im Körper gehalten über ein Zahnrad gedreht.

Im Moment warte ich auf die Lieferung von Kugellagern, Servos und dem Controllerboard - Dann kann ich die Teile so drucken - da ich zuvor noch die Real-Maße an die Bauteile anpassen muss.

Nächstes Ziel ist das Drucken und Zusammenbauen eines Beines, sowie eine erste Ansteuerung der Servos über das Controllerboard.

Soweit so gut :p

lg, Martin

[Holomino]

Kurze Frage: Kriegst Du mit Deinem Drucker die Zahnräder passgenau hin? Welches Modul nimmst Du? Planst Du Kopfspiel (extra Abstand zwischen den Zahnrädern) ein?

[mburrows]

Die Zahnräder habe ich bis jetzt noch nicht in der Praxis getestet. Ich verwende das Modul http://www.thingiverse.com/thing:3575 vom User GregFrost.
Im derzeitigen Modell verwende ich den vom Modul berechneten Radius für die Zahnräder. In der 3d Ansicht sieht es auch passend aus - Ein Drucktest wird zeigen, ob ggf noch ein paar mm Kopfspiel sinnvoll sind - häufig sind die gedruckten Objekte nicht ganz auf den mm genau. Bohrlöcher beispielsweise sind im Durchmesser meisst 1 mm kleiner als im 3-D Modell.

[Holomino]

Getriebebau ist für mich noch eines der ungelösten 3D-Druck-Geheimnisse.

Aus den Zähnen kriegst Du PLA-Rückstände mit Feile und Cutter nicht sauber raus, das Zeug spant nicht, Grate schlagen einfach um und pressen sich in die Laufflächen ein.

Ich bin bis Modul 1 (mm) runtergegangen und habe einige Getriebe schließlich mithilfe einer Bohrmaschine (im Schnellgang) und einem Scheuermilchbad (Viss) so einigermaßen hakelfrei ans Rennen gebracht.

Aber so richtig geil ist das nicht, weil Du dann tunlichst keine Kugellager (den Motor schon gar nicht) mitbaden solltest. Und Planetengetriebe gehen so auch nicht. Da kriege ich die Zahnräder gar nicht erst zusammen.


Aber vielleicht klappt's ja bei Dir. Der Ultimaker soll ja nicht schlecht sein, vielleicht geht's mit etwas Finetuning bei den Druckeinstellungen. Dann sollten auch die Untermaße der Löcher besser werden.

Viel Erfolg Dir

[mburrows]

Hmmm. Ja kann schon sein, dass es nicht ganz leicht wird. Bin im Moment gerade dabei die genauen Maße für die Servo-Befestigung, Servo-Teller-Befestigung und Kugellager-Aussparungen mit kleinen Testdrucken abzustimmen. Ist halt eine kleinliche Fummelei, aber wenn man einmal gute Parameter gefunden hat, dann ist es relativ gut reproduzierbar.

Ich hoffe bei den Zahnrädern bekomme ich das auch irgendwie hin.

Ich melde mich, sobald ich da was brauchbares Ausgedruckt habe :)

[mburrows]

@Holomino

Also mit dem Getriebedruck, zumindest in der Größe, wie ich sie verwende habe ich gar keine Probleme. Ich musste das Kopfspiel sogar noch um fast 1 mm verringern, relativ zu dem in openSCAD angezeigten rechnerischen Wert.
Für meine Zwecke reicht es so völlig aus. Ich habe aber nicht vor, die Räder mit Hochgeschwinddigkeit zu drehen, es soll ja nur ein Servo das Rad +- 90° drehen, damit der Hexa sein Bein drehen kann.

Ich poste dir mal die Daten zu meinen Zahnrädern, vielleicht kannst du für dich was brauchbares ableiten:

Material: PLA, Nozzle Temp: 230°, Heizbett Temp (60°), Nozzle dm 0.4 mm, Slicer: Cura mit Plattform-Adhäsionstyp "Rand".

Die 1. Schicht muss noch etwas nachbearbeitet werden mit dem Messer, aber das ist schnell gemacht.
Das große Zahnrad hat 40 Zähne und einen Durchmesser von ~ 5,6 cm

31130

Ansonsten hoffe ich, in den nächsten paar Tagen die endgültige Ausdrücke für mein 1. Bein erledigt zu haben, die letzten Proben sind bald durch!

[radbruch]

Hallo

Ich hab schon erfolgreich diese Zahnform in PLA gedruckt:
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Dabei wird die Kraft fließender übertragen und die Zahnspitzen werden geringer belastet als bei geraden Zähnen.

Ob sich der "Selbstbau" der Zahnräder wirklich lohnt wage ich allerdings zu bezweifeln:
http://radbruch.bplaced.net/asuro/walker/asuro-walker3_klein.jpg (http://radbruch.bplaced.net/asuro/walker/asuro-walker3.jpg)
(Bild aus https://www.roboternetz.de/community/threads/37418-walking-asuro)


http://www.youtube.com/watch?v=4v5GxbYlkXk

Gruß

Micha

[Holomino]

Ha, ich bin mittlerweile auch ein Stückchen weiter (hat mich nach einer kurzen Phase der 3D-Druck-Abstinenz doch noch mal inspiriert).

Ich verwende den "Involute Gear"-Wizzard von Freecad. Problem dabei, die Vorgaben mögen so für die Idealfertigung passen, in der Praxis läuft's beim Zahn etwas über den Rand (Die Zähne werden zu lang UND zu breit, die Zahnzwischenräume werden dadurch zu schmal. Das Zahnrad kann nicht 100% ineinandergreifen).

Ums wirklich möglichst reibungsfrei zu gestalten, müsste etwas rundherum vom Zahn ab. Mittlerweile hab ich's rausgefunden, wie:

- Zahnradfläche mit Wizzard einstellen und als 3D extrudieren
- In der Part-Workbench die "Dicke"-Funktion verwenden und hier 1 bis 2 Zehntel als negativen Wert eintragen (!!!Kaffee trinken gehen, Freecad ist nicht abgeschmiert!!! die Funktion dient laut Beschreibung dazu, aus einem Körper einen Hohlkörper mit gleichmäßiger Wandstärke , also z.B. eine Vase, zu bauen).
- Das Zahnrad noch einmal mit den gleichen Einstellungen erzeugen und extrudieren.
- Die Vase per Subtract vom zuletzt erzeugten Zahnrad abziehen.

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(Außen die Originalumrisse, innen die korrigierte Form)



Wer's noch schrägverzahnt haben will:
- Schnitt von dem so verkleinerten Zahnrad machen.
- Per Helix & Loft die Schnittfläche in 3D ziehen (irgendwo auf Youtube beschrieben)

Für Innenzahnräder (Planetengetriebe): Bei der Dicke-Funktion die 1..2 Zehntel draufschlagen und anschließend mit dem nochmal erstellten Zahnrad addieren. Das so erstellte Zahnrad anschließend von Zylinder oder anderer Form subtrahieren.


Dann klappt's auch mit dem Nachbarn (im Planetengetriebe).

[mburrows]

@ radbruch

Niedlich, der kleine Walker!!! Hab deinen Thread dazu mal kurz überflogen, schön schön.
Ja, so ein "Herringbone" Zahnrad hatte ich auch überlegt, aber da müsste ich jetzt erst noch wieder die Z Achse genau abstimmen, und mittlerweile geht mir das Testfilament aus :) und ich will endlich mit den "richtigen" Teilen für das Prototyp Bein beginnen, damit ich das endlich mal zusammenbauen kann und mal ein bischen mit der Programmierung loslegen kann.

@ Holomino
Schön, das das bei dir auch klappt :D


... Soo mitlerweile ist mein PLA-Müllhaufen schon ordentlich angewachsen...
... meine erstes keines Servo-Steuerungsprogramm auf dem China-Arduino läuft auch schon ...
Bis in 2 Tagen, wenn mein Mega-Druck von 10 Teilen für 1 Bein hoffentlich reibungslos über die Bühne gelaufen ist und endlich hier mal was spannenderes passiert :)

aber 's macht schon echt Spass, dieses Tüfteln.

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Frohes Schaffen euch allen!

[mburrows]

Hallo!

Endlich ist es soweit, und ich kann stolz das erste (halbwegs) funktionsfähige Bein meines Hexapoden präsentieren!
Habe mir sogar extra ein youtube- Konto dafür angelegt.

Zusammengebaut habe ich es schon seit ein paar Tagen, die letzen 2 Tage saß ich an der Kinematik.

So sieht es aus:


https://www.youtube.com/watch?v=TGHGvwaoUTc

Fazit bis jetzt:

* Stabile und robuste Ausführung.
* Kinematik funktioniert
* µC hat noch gute Leistungsreserven. 1 Kinematische Berechnung dauert im Schnitt ca. 1 ms - ohne große Laufzeitoptimierungen. 6 Beine gleichzeitig anzusteuern sollte damit problemlos drin sein ( Theoretisch 6 Beine > 100 Berechnungen pro Sekunde...)
* Servos ruckeln: Mögliche Ursachen: Servos hängen an der mickrigen Versorgung vom arduino Board + Hebelarme zu lang + und zu schwer.
* Gesamtgewicht des Segmentes ist 424g. (ohne Kabel) -> 2,5 kg Mindestgewicht + Akkus
* Gliederlänge, ca. Proximal: 6cm, Medial: 17,3cm, Distal: 23cm.

Als nächstes werde ich mich wohl um eine geeignete getrennte Stromversorgung für die Servos kümmern.
Dann werde ich damit beginnen noch ein wenig Gewichtsparmaßnahmen vorzunehmen, da mir das Gesamtgewicht etwas zu schwer wird. Dazu werde ich eventuell auch die Länge der Hebelarme etwas verkürzen, da auch die Größe recht üppig ist.

Sensorik habe ich noch keine verbaut, Taster / Drucksensor in der Fußspitze und Messung der Servoströme halte ich für eine gute Idee. Gleichgewichtssensor und US-Sensoren im Rumpf, sowie Kamera am Rumpf sind auch noch vorgesehen.

Generell werde ich aber zunächst die Verbesserung (evtl. auch Sensorik) am Bein vornehmen - soweit der Plan.

Über Anregungen, Ideen, Kritik und natürlich auch Lob freue ich mich sehr :D

lg, mburrows

[mburrows]

Hallo. Erste Tests meines Beines mit 2 in Reihe geschalteten LiFePO4 Zellen direkt an den Servos waren sehr vielversprechend.

Ich bin dennoch gerade dabei mein Bein zu redesignen, und dabei sowohl Größe als auch Länge zu reduzieren um Gewicht und Hebelkräfte zu reduzieren.
Am innersten Beinteil habe ich beschlossen, den Servo direkt anzuschließen, und nicht über ein Zahnrad - da das leider zu Ungenauigkeiten führt.
Also will ich nun den Servo nicht im Rumpf befestigen, sondern mit in das innere Beinteil verlegen.
Die gegenüberliegende Seite vom Servohorn soll kugelgelagert werden.

Es stellt sich nun die Frage: Servohorn oben am Rumpf und Kugellager unten oder lieber anders herum? Oder ist es im Bezug auf die wirkenden Kräfte egal - da der Servo entlang der Achse mal mit Druck und mal mit Zug belastet wird, je nachdem ob das Bein steht oder in der Luft hängt ?

Ich hoffe meine Ausführungen sind allgemein verständlich, und jemand mit Hexapoden-Bau Erfahrung kann mal seine Meinung dazu äußern.

Vielen Dank ;)

[Rabenauge]

Ich würd generell versuchen, separate Lager vorzusehen, die die Kräfte aufnehmen-Servos sind dafür niemals gedacht.
Auch gute Servos mit Kugellagern haben da Grenzen-so viel halten die kleinen Lager auch wieder nich aus.
Und gerade bei den Hüftgelenken dürften ganz hübsche Kräfte wirken, früher oder später wird das die Servos sicher ruinieren. Anlenken kann man sowas spielfrei, z.B. mit Kugelköpfen.
Dort kann man auch noch ne zusätzliche Untersetzung einbauen, um den möglichen Servoweg besser nutzen zu können (kleine Scheibe am Servo, grössere am Bein).

[mburrows]

Danke für Deine Idee. Ja - im ersten Entwurf habe ich ja auch ein separates Lager genommen, da ich das intuitiv besser fand, wegen der erwähnten Kräfte.
Hmm die Kugelkopfmethode habe ich noch nicht überlegt, ich vermute mal Du meinst es so etwa:

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GGf kann man auch die beiden Kugelköpfe nicht 180° gegenüber sondern vielleicht auch nur 160° gestellt anordnen.. Ich bin mir nämlich nicht so sicher, wie sich sowas am Totpunkt verhält.

Als andere Alternative wäre vielleicht auch noch das Herringbone-Zahnrad, oder ein Riemen denkbar. Welche Vor- bzw. Nachteile im Bezug auf spielfreiheit ergeben sich denn da in der Praxis?

[Rabenauge]

Mit Gestängen und Kugelköpfen werden Flugmodelle gesteuert, die nen paar hundert km/h erreichen- dein Auto vermutlich auch.
Grad bei zwei Gestängen kann man sogar noch vorspannen, wenn das denn nötig wäre.
Der einzige Nachteil ist etwas Reibung mehr-andererseits läuft nen Servo mit verkanteter (weil einseitig belasteter) Welle auch sicher nicht reibungsärmer. Und: nen kaputten Kugelkopf tauschen wird billiger als das halbe Servo- die Kugelköpfe sind Pfennigartikel.

[mburrows]

Hmm. @rabenauge: Ich werde Deine Aussage im Hinterkopf behalten. Zunächst einmal bin ich jedoch dabei, die Variante mit dem direkt angesetztem Servo im Hüftgelenk mit Gegenlager umzusetzen. - Das haben mMn fast alle Hexapoden-Bauer so gemacht. Ebenfalls lässt sich durch die direkte Methode auch noch etwas Gewicht sparen - und durch das Gegenlager sollten die Kräfte senkrecht zur Servo-Welle auch nicht allzu hoch sein - falls sich das jedoch als Fehler herausstellen sollte, dann werde ich entweder Deinen Vorschlag umsetzen, oder etwas ähnliches mit einem Zahnriemen machen - bin mir noch nicht sicher, was da für mich günstiger ist.

[mburrows]

Bin jetzt mit der Überarbeiteten Version 2 fertig.
Aktuell läuft mein Drucker, und druckt die letzten Teile aus. Leider gab es wieder einige Fehldrucke, da kleine Details nicht gepasst haben.
Morgen werde ich hoffentlich endlich das Bein Version 2 physisch fertiggestellt haben - ich freu mich schon :)

Als kleinen Appetithappen gibt es ein kleines 3d Bild der Teile (Ohne Servos und Kugellager-Halterung)

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lg, mburrows